Cogeneración Tecnología

La selección de tecnologías de cogeneración apropiada depende de varios factores. Sin embargo, los combustibles apropiados para el proceso de cogeneración, la tecnología y el tamaño de las plantas puede caracterizarse.

La cogeneración engloba un amplio rango de tecnologías probadas. Las tecnologías son aplicables para diferentes escalas de potencia. Esto se observa en la figura 5-2.

Los sistemas de cogeneración se dividen en dos grupos, según la configuración de sus equipos.

  • Superior:
    El equipo de cogeneración utiliza la energía del combustible inicialmente para producir electricidad. La energía residual se utiliza como calor útil en otro proceso que sea requerido.
  • Inferior:
    El equipo de cogeneración utiliza la energía del combustible inicialmente para producir calor útil. La energía residual es utilizada para generar electricidad, la que se utiliza en otro proceso que sea requerido.

Un buen diseño y dimensionamiento de un sistema de cogeneración podría suplir casi completamente las necesidades energéticas del usuario. Esto permite reducir considerablemente las pérdidas de energía y por tanto requerir una menor cantidad de combustible para un mismo nivel productivo.

Figura 5‑1: Tipos de combustible según tecnologías de cogeneración, aplicaciones y sector.

Figura 5-1: Tipos de combustible según tecnologías de cogeneración, aplicaciones y sector.

Figura 5‑2: Rangos de potencia para diferentes tecnologías de cogeneración

Figura 5-2: Rangos de potencia para diferentes tecnologías de cogeneración.

Basada en motores de automóviles, estos motores son optimizados y se les incorpora un sistema de recuperación de calor y accesorios que se adecuen a las necesidades del usuario.

Factores Clave: Motores de Combustión Interna
Rango de Capacidad 1 kWe a 10 MWe
Eficiencia Eléctrica 35-45%
Costo típico Más de 1000 €/kW para pequeña escala

Menos de 500 €/kW para gran escala (MW)

Campo de Aplicación Amplio rango.

El incrementado volumen de producción de motores para cogeneración, en combinación con el alto nivel de personalización de las soluciones ha impulsado a este tipo de tecnología a tener la mayor parte del mercado de la cogeneración. El esquema de funcionamiento de estos equipos se muestra a continuación.

La combustión del gas produce energía mecánica la cual es convertida en eléctrica por el generador. El calor producido en la combustión es utilizable y recuperado mediante intercambiadores de calor.

Esta tecnología abarca no solo lo anterior, sino que también micro-cogeneración, y motores Stirling.

Principios de cogeneración con motores a Gas

Principios para cogeneración con motor.

Las turbinas de vapor utilizan el ciclo de Rankine para operar por lo que necesitan la implementación separada de generadores de vapor de alta presión. Dependiendo del tipo de turbina de vapor, el vapor residual podría ser utilizado directamente de la salida de la turbina. Las turbinas de vapor se dividen principalmente en :

      • Turbina de contrapresión
      • Turbina de Vapor por extracción
Factores Clave: Turbinas de Vapor
Rango de Capacidad 45 kWe a 500 MWe
Capacidad típica para cogeneración 300 kWe – 50 MWe
Eficiencia Eléctrica 20-30%
Nivel de temperatura requerido (vapor) Mayor a 400°C
Campo de Aplicación Industria, plantas de generación

Generalmente, los sistemas de cogeneración por turbina de vapor se caracterizan por una baja proporción entre potencia y calor generado (entre 0,05 a 0,2). Esto se debe a que las turbinas de vapor usualmente generan electricidad como un co-producto de la generación de vapor, a diferencia de las turbinas a gas o motores de combustión interna.

Esta tecnología es frecuentemente utilizada en aplicaciones donde la demanda térmica solicita vapor de muy alta temperatura y presión.

Debido a su diseño, las turbinas de vapor son eficientes para sistemas de alta capacidad (por sobre 10 MW). Las aplicaciones de cogeneración maximizan la eficiencia global mediante la utilización de vapor en procesos.

Cogen with Steam Turbine

Cogeneración con Turbina de Vapor.

Desempeño de ciclo de turbina de vapor

Desempeño del ciclo de turbina de vapor según cantidad de vapor a proceso.

El ciclo ORC produce energía mediante la transformación del calor residual en energía eléctrica. Esto considera intercambiadores de calor para producir vapores de alta presión a bajas temperaturas.

La presión es utilizada para mover una turbina conectada a un generador. Luego de la turbina el vapor es condensado y retornado al ciclo.

Factores Clave: Ciclo Rankine Orgánico
Rango de Capacidad 3,5 kWe a 130 MWe
Capacidad típica para cogeneración 150 kWe – 10 MWe
Eficiencia Eléctrica 10-20%
Nivel de temperatura requerido (vapor) Alrededor de 100°C
Campo de Aplicación Geotérmia, Biomasa, gases de escape o desechos de baja calidad térmica.

Comparado al ciclo de rankine, el ORC no utiliza agua, sino un fluido orgánico caracterizado por tener un punto de ebullición a mas bajas temperaturas.

Las aplicaciones típicas para el ORC son para geotermia o biomasa, y puede alcanzar eficiencias de entre 10 y 20%. A pesar de que la eficiencia eléctrica es baja, estos equipos permiten utilizar gases de escape de diferentes procesos o para aplicaciones de biomasa o biogás. Los gases de escape contienen una gran cantidad de energía, pero usualmente no es aprovechable pues su temperatura no es suficientemente alta, pero puede ser aprovechada con el ORC.

El equipo de cogeneración consiste en una turbina a gas hacia donde se inyecta aire a presión y combustible (gas natural generalmente). Se realiza la combustión dentro de una cámara y la expansión de gas, el aumento de temperatura y velocidad resultante producen torque en los álabes de la turbina. Este torque es transmitido hacia el eje de la turbina, el cual a su vez transmite el torque a un generador de electricidad.

La energía de los gases residuales de la combustión se utiliza para recuperar calor, en forma de agua caliente, vapor o aire caliente, con el objetivo de utilizarlo en procesos, climatización, secado o pre-calentamiento de alguna materia prima. Esto se lleva a cabo en la caldera de recuperación.

Principio de generación de potencia de ORC mediante calor residual usando diferentes fuentes

ORC

Las celdas combustibles (Fuel Cells) son una tecnología que ha sido utilizada por varios años, pero aún no ha alcanzado producción a gran escala debido a su elevado costo de inversión por kW de potencia. Es posible diferenciarlas en tres grandes áreas:

      • Celdas combustibles Portátiles: entre 5 We a 20 kWe
      • Celdas combustibles Estacionarias: Entre 0,5 kWe a 400 kWe
      • Celdas combustibles para el transporte: entre 1 kWe y 100 kWe

Estas son operadas principalmente con hidrógeno como combustible, sin embargo también existen configuraciones en las que se utiliza biogás.

Las principales aplicaciones para esta tecnología son, por ejemplo, hospitales y aeropuertos, los cuales son dependientes de un suministro ininterrumpido de combustible.

Factores Clave: Celdas Combustibles
Rango de Capacidad 0,5 kWe a 10 kWe
Eficiencia Eléctrica Depende de la tecnología de la celda combustible. 40-60%
Nivel de temperatura requerido (vapor) Alrededor de 100°C
Campo de Aplicación Alta Tecnología; industrias y residencias.

Debido a su costo de inversión elevado, el fomento de esta aplicación está limitado y requeriría de programas de fomento  específico para su despliegue en economías emergentes. En general, las celdas combustibles son utilizadas en aplicaciones especiales y no convencionales.

Cuando se utilizan fuentes de energía renovables se debería considerar el hacer uso de tecnologías de co/trigeneración para cubrir las demandas de calor o frío. Particularmente los combustibles de fuente orgánica o de emisión cero aparentan estar predestinados para ser complementados con diferentes aplicaciones de co/trigeneración.

Factores Clave: Combustibles Orgánicos
Rango de Capacidad 1 kWe a 10 MWe
Eficiencia agregada 20-30%
Campo de Aplicación Agroindustria, municipalidades, tratamiento de aguas de desecho.

El término “bio-combustibles” engloba diferentes tipos de combustibles, como son la biomasa, bioetanol o biodiesel. Las aplicaciones para cogeneración mediante biomasa varían dependiendo del tipo de combustible y tecnología. Existen numerosas aplicaciones, variados tipos y tamaños de plantas de cogeneración para cada tipo de combustible y tecnología.

Factores Clave: Biomasa
Rango de Capacidad 45 kWe a 500 MWe
Eficiencia agregada 35-45%
Campo de Aplicación Agroindustria, municipalidades, calor distrital.
Figura 5‑7: Producción de biogas a partir de diferentes fuentes. Figura 5‑7: Producción de biogas a partir de diferentes fuentes.

Figura 5-7: Producción de biogas a partir de diferentes fuentes.

Las plantas de producción de potencia y algunas industrias emiten inmensas cantidades de calor residual durante el proceso de generación de electricidad. Este calor es un co-producto gratuito que se mantiene sin utilizar en el lugar de producción. En estos casos, las redes de calor o frío distrital permiten implementar tecnologías de cogeneración en grandes plantas productoras, lo que a su vez permitiría aprovechar el calor residual donde sea requerido.

Las redes de calor y/o frío distrital son usualmente instaladas en áreas con grandes sumideros de calor individual y un gran número de pequeños consumidores, como son los parques industriales, áreas urbanas, entre otras.

Principios de funcionamiento de sistemas de redes distritales de frio (o calor)

Principio de funcionamiento de redes de calor o frío.

A continuación se presenta un diagrama que resume las tecnologías de cogeneración a utilizar para diferentes rangos de potencia y su eficiencia asociada y para diferentes relaciones entre producción de electricidad y calor.

 

Capacidad y eficiencia eléctrica de tecnologías de cogeneración industrial