7

1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE TRIGENERACIÓN

Antes de describir el proceso de trigeneración es interesante mencionar porque surge la

necesidad de la creación del mismo. Como menciona Puerta Gonzalez (2000):

“Tradicionalmente, las plantas termoeléctricas, que transforman la energía química de un

combustible en electricidad mediante motores de combustión interna alternativos o turbinas,

convertían únicamente un 30 % de la energía primaria consumida en energía útil. El resto de

energía no empleada correspondía a energía disipada en forma de calor. Este desperdicio de

energía provoca:

Despilfarro innecesario de combustible

Mayores emisiones contaminantes

Baja rentabilidad económica de la planta.”

Por esto se empezaron a emplear entonces sistemas donde a través de la quema de un

combustible consigamos 2 productos que puedan ser aprovechados de manera eficiente:

Energía eléctrica y calor. Proceso que se denomina cogeneración.

Cuando en la industria existe entonces una necesidad significativa de refrigeración, en el

sector terciario o en la climatización de edificios en temporadas calurosas (para zona donde

se produzcan cambios de estaciones), el calor útil de la planta de cogeneración puede

emplearse en la producción frigorífica, mediante ciclos de refrigeración por absorción o

adsorción. De este modo, se consigue la aplicación del calor tanto en los meses cálidos como

en los meses de baja temperatura, ampliando el concepto de cogeneración a lo que se ha

denominado trigeneración, que es, por tanto, la producción conjunta, de energía eléctrica o

mecánica y de energía térmica útil, calor y refrigeración, a partir de la misma fuente de

energía primaria.

8

Figura 1. Diagrama de energías (Suarez, 2007)

En los sistemas de trigeneración se emplea un motor térmico (diésel, gas natural, turbina de

gas o vapor) que, en la mayoría de los casos, produce electricidad mediante su acoplamiento

a un alternador.

El calor a utilizar se obtiene a partir del agua de refrigeración del lubricante que utiliza el

sistema y de los gases de escape. Una parte de este calor se aprovecha en la máquina

de absorción/adsorción para generar refrigeración. En resumen, podemos decir que la

trigeneración es un sistema de cogeneración al que se ha incorporado una máquina de

absorción/adsorción para lograr la refrigeración cuando interesa.

En cuanto a su estructura, una instalación de trigeneración consta de dos partes

fundamentales: el módulo de cogeneración y la planta de refrigeración.

COMPONENTES

9

Según el Dr. Ramos (2013), “Una instalación de trigeneración se compone

fundamentalmente de dos conjuntos tecnológicos: un módulo de cogeneración y la planta de

refrigeración”. A continuación se dará una breve explicación de cada uno de ellos.

Módulo de cogeneración

El módulo de cogeneración está definido por el sistema que transforma la fuente de energía

primaria en electricidad y calor. La parte fundamental, por tanto, es el motor térmico que

produce la energía eléctrica y térmica. Entre las tecnologías disponibles se encuentran:

• Ciclo Brayton, turbinas de gas

• Ciclo Rankine, turbinas vapor

• Motores de combustión interna alternativos: motores de ciclo Otto o motores por

compresión, ciclo Diesel. Estos motores pueden emplear entre otros combustibles (gasóleo,

gas, etc.).

Planta de refrigeración

Entre los sistemas de refrigeración, se encuentran el de refrigeración por compresión, por

absorción y por adsorción. Siendo el sistema de refrigeración por absorción el más utilizado

en las plantas de trigeneración ya que la particularidad fundamental de esta máquina es su

adaptabilidad a las variaciones, tanto de caudal como de temperatura de la fuente de calor,

normalmente procedente de procesos residuales o bien de cogeneración ya cuando varía el

caudal de agua caliente un 50% sólo queda afectada en el 5%, y la variación de la

temperatura del agua enfriada, con variaciones de caudal del 20%, sólo quedan afectadas en

1ºC, aproximadamente. A diferencia del sistema de compresión y adsorción, el sistema de

absorción aprovecha el hecho que las sustancias absorben calor al cambiar de estado,

de líquido a gaseoso; forzando mecánicamente la circulación de un refrigerante en un

circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el fluido

absorba calor en el evaporador y lo ceda en el condensador. Como menciona Shunter

(2010), “Los sistemas de refrigeración por absorción presentan la ventaja, respecto a los de

convencionales de compresión, de requerir una demanda eléctrica casi despreciable,

sustituyendo ésta por demanda térmica”.

10

Los sistemas típicos de cogeneración donde se integran máquinas de absorción para

producción de refrigeracion son aquellos que emplean motores alternativos o turbinas de

gas, tanto en ciclo simple como combinado.

Figura 2. Efirenova. (2010). Ciclos de refrigeración

1.1 Procesos y equipos

Plantas con motores alternativos

Se trata de motores de combustión interna que generan energía mecánica a partir de la

energía desprendida en la reacción de combustión de un combustible.

Pueden tratarse de motores de encendido provocado, denominado ciclo Otto, o motores de

encendido por compresión, ciclo Diesel. En el primero, ciclo Otto, se comprime una mezcla

de aire y combustible en cada cilindro y la ignición se realiza por una chispa suministrada

externamente. La energía mecánica está disponible en el eje, acoplando un alternador para

generar electicidad. El calor lo aportan el agua de refrigeración de las camisas del motor

(90÷120°C), la refrigeración del lubricante y los gases de escape (400÷550°C).

11

Puede emplearse como combustible gasolina, gasóleo o gases de combustión, siendo el más

utilizado el gas natural y el biogas. Los motores de gas natural tienen las siguientes

características generales:

Son motores de encendido provocado

Tienen mayor relación de compresión que con la gasolina.

La limpieza del gas natural reduce el riesgo de autoencendido por partículas a alta

temperatura.

Menores potencias que en diesel.

En los motores de gasolina la relación de compresión no supera 9 y en los alimentados por

gas natural llega a 13. El rendimiento eléctrico alcanza un 40%, e incluso más, mientras que

en gasolina se queda en un 33%.

El rango de potencias más usual de estos motores en sistemas de cogeneración en el sector

industrial es de 100 kW a 1.000 kW.

El rendimiento de estos motores suele estar en torno al 30 %-35 %.

Presentan una gran flexibilidad en su funcionamiento.

Figura 3. Diagrama de procesos de una planta con motor alternativo. (Unisolar

2013)

Las plantas con motores alternativos utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son

muy eficientes eléctricamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de

los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión

12

(hasta 10 bares), aceite térmico y en el circuito de alta temperatura del agua de

enfriamiento del motor.

La energía térmica generada por el motor alternativo es del orden del 60 %-70 % (la energía

eléctrica supone aproximadamente un 30 %) y proviene de:

Refrigeración del motor

Refrigeración del aceite de lubricación

Gases de escape

Figura 4. Efirenova. (2010). Ciclos de refrigeración

Plantas con turbinas de gas Ciclo Brayton

Básicamente está compuesto por tres partes principales: un compresor, una cámara de

combustión y una turbina. Las turbinas de gas operan en base al principio del ciclo Brayton,

donde el aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de

presión constante. El gas caliente producido se expande a través de los álabes de la turbina

haciéndola girar desarrollando trabajo mecánico. En una turbina de gas con una eficiencia

del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa para alimentar el compresor. El

otro tercio está disponible para generar electricidad a través de un alternador conectado a

su eje.

13

Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos.

Tienen la gran ventaja de una fácil recuperación del calor, que se encuentra concentrado en

su práctica totalidad en los gases de escape. Al estar a una temperatura de unos 500 ºC

estos gases son idóneos para producir vapor en un generador de recuperación.

Figura 5. Suarez Carlos. (2010). Turbinas a gas

En los sistemas con turbina a gas se quema combustible en un turbogenerador, cediendo

parte de su energía para producir energía mecánica. Su rendimiento es inferior al de los

motores alternativos, per presentan la ventaja de que permiten la recuperación fácil del

calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que

idealmente está a una temperatura de 500¨C para producir vapor en un generador de

recuperación.

Turbinas vapor Ciclo Rankine

Está compuesto por una fuente de calor, una turbina de vapor y un disipador térmico. El

principio se fundamenta en el ciclo de Rankine y utiliza vapor de alta entalpía para producir

trabajo mecánico y vapor de menor entalpía, a través de la expansión producida en el fluido.

14

Esta expansión es posible por la variación producida en su volumen específico. El hecho de

utilizar el vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de

masa. Este ratio en el caso del agua es tres veces mayor que en el caso del aire. De esta

manera, para una misma potencia de salida, la turbina de vapor necesita un gasto másico

tres veces menor que la turbina de gas.

Respecto a esto, el autor (Puerta, 2000) nos comenta que:

“La gran diferencia que se debe obtener entre la presión de entrada y de salida de la

turbina, en ocasiones es necesario producir esta expansión en distintas etapas, con el

fin de obtener un mejor rendimiento de la operación. Sin embargo a medida que

aumenta el número de etapas la máquina se encarece, por lo que requiere aceptar

compromiso entre rendimiento y costes de inversión.”

La presión del vapor puede llegar a 100 bares y su temperatura a los 560 °C. Las

configuraciones típicas son:

Contrapresión: la turbina expulsa vapor a la presión atmosférica o superior.

Son las habituales en los módulos de cogeneración en industrias consumidoras de

vapor. La presión de salida se adapta a las condiciones de servicio. El vapor suele

salir de la turbina con algo de recalentamiento para evitar condensaciones sobre los

álabes.|

Condensación: la turbina expulsa el vapor a una presión inferior a la atmosférica

Sistema de ciclo Rankine con fluido orgánico en lugar de agua

Características generales de las TV:

Rango de potencia: 1÷100 MW

Eficiencia: 60÷85 %

Relación potencia/calor (E/Q): 0,1÷ 0,5

Periodo de instalación: 12÷18 meses. Para sistemas de gran tamaño puede incluso

alcanzar los 3 años.

Ciclo de vida: 25÷35 años

Aspectos positivos:

15

Uso de cualquier combustible en la caldera ya que funcionan con vapor y no

dependen de la tipología del combustible que se haya utilizado para obtenerlo.

Salida de vapor a la temperatura y presión deseadas

Su robustez permite largo ciclo de vida

Figura 6. Diagrama de procesos de una planta con turbinas de vapor. (Unisolar

2013)

En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta

presión procedente de una caldera convencional. El uso de esta turbina fue el primero en

cogeneración. Actualmente su aplicación ha quedado prácticamente limitada como

complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles

residuales, como biomasa o residuos que se incineran.

Máquina frigorífica de absorción

Las máquinas de absorción producen refrigeración a partir de calor residual de algún proceso

de fabricación.

16

En general, los sistemas de refrigeración consiguen producir la refrigeración gracias a la

evaporación de un fluido refrigerante (amoniaco, bromuro de litio o similar). El fluido

refrigerante toma calor del cuerpo que se desea enfriar, al evaporarse a baja presión y

temperatura.

Posteriormente, el fluido refrigerante es llevado a la situación inicial, comprimiéndolo y

condensándolo, bien mediante una compresión mecánica (aire acondicionado) ó bien

mediante una compresión físico-química (máquina de absorción).

Como menciona Criado, E. (2008): “Las máquinas de absorción tienen como principal ventaja

que pueden ser combinadas con sistemas de cogeneración, actuando como consumidores

térmicos que permiten obtener agua y/o aire de refrigeración a una temperatura de entre

5,5 ºC y 7 ºC. De esta forma se permite al cliente final ahorrar mucho en costes operativos al

generar su propio autoconsumo de electricidad, calor y refrigeración.”

En la figura 7 podemos ver el siguiente proceso: Se realiza un transporte de calor, se

bombea, desde un lado que se pretende bajar la temperatura (3) a otro que está a más

temperatura (foco caliente, 1) donde se disipa. Las cuatro fases que conforman el circuito

frigorífico y sus componentes principales son: 1) Condensación, 2) Expansión, 3) Evaporación

y 4) Compresión

Figura 7. Ciclo frigorífico de compresión (Miranda A.L, Ciclos de refrigeración, 2004)

Ciclo de Absorción

Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias

para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias y funcionan, por tanto, con un

par de refrigerantes químicos. Son sistemas de dos componentes, donde una de las

sustancias es disuelta en la otra y el enfriamiento se produce extrayendo una de las dos

sustancias de la solución por medio de la aplicación de calor y luego reabsorbiéndola hacia la

17

solución, como veremos. Los sistemas de refrigeración por absorción presentan la ventaja

respecto a los de convencionales de compresión de requerir una demanda eléctrica casi

despreciable, sustituyendo ésta por demanda térmica. El principal atractivo de estos equipos

es la capacidad para aprovechar calores residuales en procesos industriales o en plantas de

cogeneración. El ciclo termodinámico de absorción, llamado de Carré, es similar a un ciclo

inverso de Rankine, con la diferencia de sustituir el compresor eléctrico por un compresor

térmico. Para hacer más fácil la compresión del ciclo de simple efecto se presenta en el

siguiente esquema la similitud entre ambos. El proceso de absorción se lleva a cabo en el

absorbedor, en el que entra el elemento refrigerante procedente del evaporador y la

solución de transporte concentrada procedente del generador, necesitando enfriar para

mejorar el proceso. La solución diluida se bombea hasta el generador, donde se aporta calor

para volver a separar el refrigerante de la solución. A continuación, el refrigerante se dirige

al condensador para continuar el ciclo de Rankine convencional.

Figura 8. – Ciclo de refrigeración por absorción (Puertas Gonzalez, 2000)

La solución de transporte, antes de ir concentrada al absorbedor, se hace pasar por un

regenerador, al que aporta calor que se aprovecha para calentar la solución diluida

procedente de la bomba y con destino al generador, con el consiguiente aprovechamiento

energético y mejora del COP. El trabajo mecánico consumido por el ciclo se limita al

accionamiento eléctrico de la bomba, que es exiguo en comparación con el consumido por

un compresor en el ciclo convencional. La principal energía consumida es el calor que se

debe aportar en el generador para separar al refrigerante de la solución.

18

Los dos pares de refrigerantes más usados son la combinación de agua-bromuro de litio

(BrLi), para obtener refrigeración a temperatura de hasta +6ºC, y el amoníaco-agua que es

capaz de obtener temperaturas negativas por debajo del punto de congelación del agua,

hasta de -50 ºC.

Dependiendo de la cantidad de calor suministrado al ciclo podemos tener un efecto de

refrigeración variable, en la tabla de la figura 9 Podemos observarlo:

Figura 9.- Tabla – Variación de temperaturas según calor suministrado (Puertas

Gonzalez, 2000)

El ciclo de Adsorción

El término adsorción se deriva de un proceso general denominado sorción, que describe la

transferencia periódica de energía en dos subprocesos, en los cuales un medio sólido

adsorbente bajo transferencia de energía ‘adsorbe’ una materia en estado gaseoso. El efecto

contrario, o sea, la separación de la materia gaseosa del cuerpo sólido mediante entrega de

calor a dicho cuerpo, se denomina ‘desorción’. Se describe a continuación el ciclo

descontinuo operativo de la máquina de adsorción, que dispone del evaporador en la parte

inferior, el condensador en la superior y dos cámaras separadas donde sucesivamente tiene

19

lugar la adsorción y desorción del vapor de agua, como fluido refrigerante, sobre una

materia sólida denominada silicagel, que cuenta cada una con un intercambiador de calor.

Todo el conjunto es hermético y a presión bastante inferior a la atmosférica, por lo cual el

agua es capaz de hervir a temperaturas del orden de los 3,3 ºC.

Figura 10. – Ciclo de refrigeración por absorción (Puertas Gonzalez, 2000)

Aplicaciones

Son usuarios potenciales de sistemas de trigeneración aquellas plantas industriales que

reúnen las siguientes características (W.F., 1965) (CATALOGUE, 2000):

Demandas de calor, refrigeración y electricidad simultáneas y continuas.

Disponibilidad de combustibles de calidad.

Calendario laboral de, al menos, 4.500 h-5.000 h anuales.

Espacio suficiente y legalización adecuada para la ubicación de los nuevos equipos.

Efluentes térmicos de calidad.

20

Son los sectores del papel y del refino de petróleo los más atractivos para la instalación de

este tipo de plantas, debido a sus altos requerimientos de energía primaria.

Hay otros sectores donde la cogeneración puede también reportar importantes beneficios,

como los sectores químico y cerámico.

Por otro lado, las máquinas de absorción tienen unas aplicaciones muy determinadas en

aquellos proyectos en los que existe la posibilidad de obtener efluentes térmicos gratuitos.

En caso contrario, los estudios de viabilidad demuestran periodos de amortización más

largos que las máquinas de compresión convencionales, ya que los COP obtenidos en

máquinas de absorción sólo son rentables si la energía térmica de calentamiento no tiene

coste económico ninguno.

Los tres grandes grupos de usuarios en el mercado de la refrigeración industrial española

son (Valderrama, 2003):

Industria agroalimentaria.

Aplicaciones industriales no alimentarias.

Transporte refrigerado.

Sistema de refrigeración por compresión

El sistema convencional de refrigeración y el más utilizado en el aire acondicionado, es el sistema de refrigeración por compresión. Mediante energía mecánica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, había absorbido el mismo refrigerante a un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energía mecánica, generalmente mediante energía eléctrica. Dependiendo de los costos de la electricidad, este proceso de refrigeración es muy costoso. Por otro lado, tomando en cuenta la eficiencia de las plantas termoeléctricas, solamente una tercera parte de la energía primaria es utilizada en el proceso. Además, los refrigerantes empleados hoy en día pertenecen al grupo de los fluoroclorocarbonos, que por un lado dañan la capa de ozono y por otro lado contribuyen al efecto invernadero.

21

Figura.- 11 (Roqueta, 2004) sistema de refrigeración por compresión

ESQUEMA DE UN SISTEMA DE TRIGENERACION CONVENCIONAL

22

Figura 12.- Ciclo de trigeneración (Suarez 2011)

2. APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TRIGENERACÓN

Una planta de trigeneración es una planta de cogeneración, a la que se le añade un sistema

de refrigeración que puede ser de diversos arreglos como fue explicado anteriormente.

Es de gran importancia saber dónde seria idóneo contar con un sistema de trigeneración y

donde es aplicable el mismo.

23

En países donde se cuenta con cambios climáticos debido a las estaciones se puede

aprovechar en muchos sectores la instalación de sistemas trigenerativos.

En algo tan común y simple como edificaciones de vivienda podemos sacar provecho a los 3

beneficios de la trigeneración sin embargo se deben tomar en cuenta ciertos factores como

nos dice Criado, E. (2008). “Para edificios ya construidos, la sustitución del sistema

convencional por uno con absorción no es rentable por debajo de los 10.000 m2, con la

excepción de un consumo especial de calor o ausencia de refrigeración. Para edificios

nuevos, los sistemas de trigeneración pueden ser rentables para superficies superiores a

5000 m2 y utilizaciones de más de un 80% de los días del año.”

La trigeneración también es bastante aplicable al sector terciario ya que, además de

necesidades de calefacción y agua caliente se requieren importantes cantidades toneladas

de refrigeración para climatización, que consume una gran proporción de la demanda

eléctrica, facilitando a las industrias pertenecientes al sector terciario a ser cogeneradores

potenciales.

Por otra parte, los productos necesitados (calefacción en invierno y climatización en verano)

impediría la normal operación de una planta de cogeneración clásica. Como menciona

Araque (2001). “El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de trigeneración

presentan rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento

simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro

energético, así como una disminución importante de la factura energética, sin alterar el

proceso productivo, ahorro energético que se incrementa notablemente si se utilizan

energías residuales”.

El calor que no puede ser transportado a largas distancias, para evitar pérdidas excesivas, se

utiliza en forma de vapor o de agua caliente/sobrecalentada para procesos industriales o

civiles (por ejemplo, calefacción urbana a través de redes de tele calefacción, así como la

refrigeración mediante sistemas de adsorción) o, en forma de aire caliente, para procesos

industriales de secado.

Así mismo, según Lopez (2010), “La energía eléctrica, que puede contar con una amplia red

de distribución, se auto consume o bien se reintroduce en la red. Los usuarios privilegiados

para la cogeneración o trigeneración, son los que tienen una demanda de energía térmica y

de energía eléctrica bastante constante en el tiempo, como, por ejemplo, hospitales y

24

ambulatorios, piscinas y centros deportivos, centros comerciales, así como también,

industrias alimenticias, fábricas de papel, industrias

relacionadas con el refinado el petróleo e industrias químicas.”

Los ciclos de refrigeración son una alternativa atractiva para aplicaciones de aire

acondicionado y refrigeración, ya que estos ciclos pueden ser activados por calor residual de

procesos industriales o por fuentes de energía de baja temperatura, como lo es la energía

solar y la energía geotérmica, además de que utilizan como fluidos de trabajo, mezclas

inertes a la atmósfera que no dañan la capa de ozono ni producen efecto invernadero. Al

consumir energías limpias o energías residuales en la obtención de refrigeración, la empresa

ahorra en su factura de electricidad y mejora su competitividad y eficiencia.

Para los casos de uso de tipo civil, como la calefacción de ambientes o la calefacción urbana,

el calor generalmente se produce a una temperatura relativamente baja, y el fluido vector

de la energía térmica suele ser el agua. Para los casos de usos industriales, el calor

generalmente se produce a una temperatura y presión más elevadas. También existen

situaciones mixtas, en las que la producción de calor se realiza a distintos niveles de

temperatura y presión. En dichos casos, por lo general, se trata de un único lugar de

utilización (por ejemplo, una planta industrial), donde el calor de temperatura más alta se

destina a la producción, y el que tiene una temperatura más baja se destina a la calefacción

de los ambientes productivos.

Haciendo alusión a lo mencionado por Rivero Rodríguez (1998), “En algunos sectores

industriales la producción combinada de energía eléctrica y calor es ya una opción

productiva ampliamente consolidada, que podrá adquirir aún mayor importancia tanto en

términos de aportaciones a la demanda eléctrica nacional como de ahorro energético y

económico.” Podemos decir, que con el uso de la trigeneración, no solo se estaría logrando

un avance científico y tecnológico, sino también un avance en la economía del país ya que

con la combinación de diferentes fuentes de energía (cogeneración y refrigeración), se

disminuiría significativamente tanto mano de obra como el uso de equipos innecesarios.

Los usuarios potenciales para instalaciones de sistemas de trigeneración, son plantas

industriales que reúnen las siguientes características:

Demandas de calor, refrigeración y electricidad simultáneas y contínuas.

Disponibilidad de combustibles de calidad.

Calendario laboral de, al menos, 4.500 h - 5.000 h anuales.

Espacio suficiente y legalización adecuada para la ubicación de los nuevos

equipos.

25

Efluentes térmicos de calidad.

Estas plantas de trigeneración, son ideales para ser utilizadas donde se requiere de los tres

tipos de energía (eléctrica, agua caliente y aire acondicionado). Con el uso de las energías

alternas (solar, eólica, mini-hidráulica, mareomotriz etc.), es posible también tener plantas

de trigeneración hibridas, las cuales son altamente eficientes ya que se complementan todas

las energías alternas las cuales en su mayoría son intermitentes, y con el uso de máquinas

electrógenas, nos pueden dar solución a prácticamente todas nuestras necesidades. Este

tipo de máquinas se vuelven muy rentables, reduciéndose drásticamente su periodo de

amortización.

Gonzalez (1995) quien dice que: “La trigeneración es aplicable al sector terciario, donde

además de necesidades de calefacción y agua caliente, se requieren importantes cantidades

de refrigeración para climatización, que consume una gran proporción de la demanda

eléctrica. La estacionalidad de estos consumos (calefacción en invierno y climatización en

verano) impediría la normal operación de una planta de cogeneración clásica.” Por esta

razón, las máquinas de absorción o adsorción, se aplican cuando existe una demanda de

refrigeración, bien sea para algún proceso de fabricación, climatización, congelación o

conservación, y una energía residual. Este calor residual puede ser aportado por diferentes

fluidos térmicos, como vapor, agua caliente, agua sobrecalentada o gases calientes. La

instalación de una máquina nos permite tener una curva de demanda térmica más

homogénea a lo largo del año, permitiendo aumentar el tamaño de la instalación de

cogeneración.

La trigeneración tiene sus mayores beneficios cuando se escala para ajustarse a los edificios

o complejos de edificios donde la electricidad, la calefacción y refrigeración son

perpetuamente necesarias. Estas instalaciones incluyen pero no se limitan a: los centros de

datos, instalaciones de fabricación, universidades, hospitales, complejos militares y colegios.

La redundancia de energía en aplicaciones de misión crítica, reducir los costos de uso de

energía y la capacidad de vender de alimentación eléctrica a la compañía local son algunos

de los principales beneficios.

La rentabilidad de este tipo de instalaciones depende hoy en día de dos factores:

El aprovechamiento térmico de la instalación, es decir, si la instalación industrial a la

que está asociada es capaz de utilizar de forma rentable toda la energía térmica que

produce la planta.

La prima eléctrica. En algunas ocasiones, con los precios del mercado, incluso en el

caso de un buen aprovechamiento térmico, se necesitará de un incentivo, una prima,

26

sobre el precio de venta de la electricidad que garantice una tasa de retorno de la

inversión razonable, o una rentabilidad atractiva, en los casos en los que la planta ya

esté amortizada.

Otro factor, no menos importante que influye en la rentabilidad de una planta de

Trigeneración son los gastos de explotación de la planta:

Contrato de mantenimiento de la planta.

Contrato de mantenimiento instalaciones auxiliares.

Seguros.

Gastos de lubricante, refrigerante, agua tratada, etc

Gastos de gestión de la plantas.

Ventajas

Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento.

Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque las centrales de

cogeneración se suelen situar próximas a los lugares de consumo

Aumenta la competencia entre los productores

Permite crear nuevas empresas

Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperifíricas

3. POSIBLES USOS EN VENEZUELA

La constante subida de precio del petróleo en el mundo, y la creciente demanda de energía, está

forzando a muchos países los modelos que emplean para la generación de energía y sus

eficiencias.

Venezuela no diferente del resto de los países está sufriendo estas consecuencias. En los últimos

años Venezuela ha sufrido pérdidas significativas por motivos de fallas energéticas, por lo que se

han tenido que aplicar medidas de racionamiento energético para tratar de minimizar los daños y

poder suplir a la población con energía eléctrica; pero debido a que la demanda energética es

demasiado alta, las industrias más críticas han comenzado a instalar plantas termoeléctricas para

27

satisfacer sus propias necesidades. Algunas de estas industrias son: la industria alimenticia,

farmacéutica; también en clínicas, hospitales, entre otros.

Pero instalar estas plantas eléctricas es ineficiente, estas convierten alrededor de 1/3 de la

energía almacenada en los combustibles fósiles en energía eléctrica, el resto se pierde en forma

de calor, y a pesar de dar una solución a corto plazo genera un gran problema a largo plazo,

debido a la quema innecesaria de combustible y la gran emisión de gases contribuyen al efecto

invernadero que afectan a la capa de ozono y el medio ambiente.

Una verdadera solución para este problema sería instalar plantas de trigeneración sabemos que

ellas manejan altos niveles de eficiencia, por lo que las califica como un mejor candidato que las

plantas termoeléctricas actualmente utilizadas. Esto debido a que se genera energía eléctrica,

agua caliente, vapor de procesos y agua a bajas temperaturas utilizada en aires acondicionados.

La mayoría de las grandes industrias de Venezuela todavía no cuentan con maquinarias

modernas Trigenerativas (ya que utilizan las plantas termoeléctricas para abastecerse de energía)

y como en el país realmente no sufrimos cambios de estaciones climáticas es difícil sugerir

instalaciones de plantas trigenerativas en el sector terciario, ya que las zonas donde se podría

aprovechar el calor residual por ejemplo para calefacción son zonas de baja temperatura por la

altura y no por cambio de estación por lo que la refrigeración no es verdaderamente necesaria.

Podría sugerirse para centros hospitalarios donde se podría aprovechar el vapor como un medio

esterilizador de instrumentos, y por supuesto la refrigeración y energía eléctrica también serían

necesarias.

Para el sector industrial si se podría aprovechar de manera significativa los beneficios de las

plantas de trigeneración.

Empresas como Coca-cola utilizan plantas de trigeneración en diferentes fábricas alrededor del

mundo, justamente Coca-Cola Atlanta ha sido resaltante en el uso de plantas de trigeneración ya

que desde el año 2012 la utilizan con combustibles biodegradables. Rico (2012) comenta lo

siguiente “Una de las instalaciones del complejo industrial de Coca Cola en Atlanta, la planta de

siropes, cuenta desde marzo con el primer sistema de trigeneración (calefacción, refrigeración y

electricidad) de Estados Unidos alimentado con biogás”. Más adelante comenta también: “La

instalación es la principal fuente energética de la fábrica de sirope y cubre las necesidades de

calor, enfriamiento de agua y electricidad, además de conseguir exportar la energía eléctrica

excedente”. Este es un excelente ejemplo de como la trigeneración puede mejorar la producción

de la industria ya que las necesidades de calor para procesos, refrigeración ya sea de aguas o de

ambientes y energía eléctrica pueden ser cubiertas.

28

Podemos decir entonces que la mayoría de las empresas del sector industrial son perfectas

candidatas para la instalación de plantas trigenerativas, ejemplo de ellas podrían ser: Alimentos

Polar, Procter&Gamble, General Motors, Tubrica. Ya que estas son consideradas de las empresas

industriales de mayor escala nacional y por lo tanto tendrían los recursos para poder costear el

sistema.

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31

32

CONCLUSIONES

Dejamos por entendido en este trabajo la descripción y aplicación de los sistemas de

trigeneración. Sabemos que en estos sistemas se puede transformar electricidad, calor y

refrigeración utilizando el mismo combustible lo que ha permitido fomentar el ahorro

energético de 3 niveles diferentes.

La trigeneración se podría entender como un sistema exclusivo para la industria y sus

maquinarias pero esto no es necesariamente cierto. Este sistema ya se utiliza hoy en día en

instalaciones de edificaciones urbanas y entre otros ámbitos donde sea necesario el

aprovechamiento de sus productos.

De forma resumida se podría concluir que la trigeneración es un sistema de cogeneración al

que se ha incorporado una máquina de absorción/adsorción para lograr la refrigeración

cuando interesa.

Generalmente las plantas de trigeneración se instalan también en combinación con plantas

de refrigeración por compresión eléctricas y, en tal caso, se diseña para la demanda de

refrigeración básica mientras las demandas puntuales se cubren con la planta eléctrica.

33

Para Venezuela como cualquier país que busca desarrollo de su industria y mejorar la

eficiencia de su producción está buscando las maneras de implementar plantas

trigenerativas. Debidos a sus costo inicial es difícil obtener los equipos sin embargo se sabe

que en la industria eléctrica se implementa este proceso como parte de un plan que busca

colaborar con el ahorro energético.

En cuanto al diagrama que fue siministado para hacerle un balance de masa y energía:

A partir de los datos suministrados sobre para el diagrama de procesos se presentaron

varios inconvenientes a la hora de hacer los balances, por lo cual, se le tuvo que hacer

modificaciones y adaptaciones, a continuación describiremos los mismos.

Debido a que en el diagrama presentado todo los procesos son ideales la eficiencia del

regenerador en el ciclo Brayton es 100% por lo tanto T8=T4 y T5=T7. El enfriamiento de 2 a

3 es ideal, se obtiene que T3=Te,ae. Aplicando relación isotrópica al compresor 2 se

determina la relación de presión por etapa del mismo rpe,c2=9.66 y teniendo la relación de

presión total rp=10. Se calcula la relación de presión del compresor 1 y da rpe,c1=1.03 y

aplicando relaciones isentrópicas para el compresor 1 determinamos T2 dando menor que T3

(lo cual no tiene sentido porque T2 debe ser mayor que T3 para que pueda ceder calor en el

interenfriamiento) por tanto, se modificó la relación de presiones total y se le dio un valor de

rp=15, resultando rpe,c1=1.55 y rpe,c2=9.66 lo que entonces arrojo T2 como un valor

mayor que T3 como se debe ser.

Cuando se analizó la turbina de gas, se planteó un sistema de 2 ecuaciones con 2

incógnitas, de la cual la primera ecuación se obtuvo de aplicar primera ley en la misma, y la

segunda ecuación de la relación isentrópica de la turbina. Debido a que T7 dio menor que T8

(imposible, debido a que T7 es la temperatura antes de ceder calor en el regenerador y debe

ser mayor) se adaptó un valor de T6=1500K.

En la caldera de recuperación de calor hubo inconveniente al hallar la entalpia de 9 debido a

que el flujo másico era 9 Kg/s y al aplicar balance de energía resultaba h9 muy baja, por lo

que se modificó el flujo másico de 9 Kg/s a 24 Kg/s, por conveniencia para que resultara un

valor de entalpia aceptable.

La calidad del estado 12 debe resultar tan alta que es conveniente asumir que está en vapor

saturado a 42 bar, resultando que el estado 10 está en líquido comprimido.

Considerando que la planta de trigeneración se va a construir en una zona donde se puede

explotar la energía geotérmica, es conveniente seleccionar el sistema de refrigeración por

absorción amoniaco-agua ya que se requiere refrigerar un ambiente a -30ºC para

conservación de alimentos. Una de las ventajas importantes con respecto a otros sistemas

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de refrigeración y es que la entrada requerida de trabajo es muy pequeña, en ocasiones

insignificante. La operación de estos sistemas se basa en la transferencia de calor de una

fuente externa (en este caso utilizamos agua residual de procesos anteriores).

La salida de vapor de baja presión se utilizara para calefacción doméstica.

INDICE DE REFERENCIAS

CRIADO, E. (2008). “Instalación de trigeneración para un hospital con producción de electricidad, calor y frío”. Proyecto fin de carrera Ingeniería Industrial. Universidad Pontificia Comillas. [Consulta: 2013, Septiembre 15].

EFIRENOVA. (2010). “Climatización por trigeneración. Ecoconstrucción.”

GRUPO AB (2010) “Referimiento europeo de la cogeneración”. [Artículo en línea].

Disponible en: http://www.gruppoab.it/es/guia_cogeneracion/trigeneracion.asp

[Consulta: 2013, Septiembre 15]

RAMOS NIEMBRO, Dr. Gaudencio (2013) “Un análisis para la acción desde las perspectivas académicas, sectorial y tecnológica. [Articulo en línea]. Disponible en: http://www.iie.org.mx/sitioIIE/sitio/control/fotos/documentos/Mesa/Gaudencio.pdf [Consulta: 2013, Septiembre 19]

RICO, Javier. (2012) “Coca Cola trigenera con biogás”. [Artículo en línea]. Disponible en: http://www.energias-renovables.com/articulo/coca-cola-trigenera-con-biogas-20121214 [Consulta: 2013, Octubre 16]

35

RIVERO RODRÍGUEZ (1998). “Racionalización energética en instalaciones hoteleras: análisis para un nuevo proyecto técnico basado en la cogeneración.” [Articulo en línea]. Disponible en: http://privero.webs.ul.es/Paginas/Bibliografia/bibliografiaCOGENERACION.htm [Consulta: 2013, Septiembre 15]

PUERTA GONZALEZ, J. L. (2000). "Descripción de tecnologías de trigeneracion".

[Artículo en línea]. Disponible en : http://www.all-rail-systems.com/Trigeneracion.pdf

[Consulta: 2013, Septiembre 19]

SUÁREZ, G. (2007). “Instalación de trigeneración mediante motores de gas.”

[Artículo en línea]. Disponible en: http://www.atecos.es [Consulta: 2013, Septiembre

18]

WEB ACADEMICA (2013). “Cogeneración, Tipos de plantas, Costos, Historia,

Aplicaciones de los sistemas de generación de energía”. [Artículo en línea].

Disponible en: http://centrodeartigos.com/articulos-utiles/article_115910.html

[Consulta: 2013, Septiembre 18]