¿Qué es Cogeneración?

Definición

Cogeneración es la generación simultánea de energía eléctrica y energía térmica útil (calor) a partir de un único proceso de consumo de energético primario. Este principio incluye todas las tecnologías en las cuales las energías eléctrica y térmica son conjuntamente generadas por una unidad o sistema y utilizadas por uno o más consumidores.

 

A través de un proceso de cogeneración se alcanzan altos niveles de eficiencia, debido a la utilización de la energía residual (calor) como un subproducto de la generación eléctrica. Así, la cogeneración es mucho más eficiente que la producción de electricidad convencional y de calor por separado.

Los principales beneficios de la cogeneración son:

Tecnologías

Las tecnologías de cogeneración se clasifican según la secuencia en la generación de la energía térmica o eléctrica, o de acuerdo con la configuración de los equipos y esquemas operativos adoptados. En base a lo anterior, las tecnologías de cogeneración se pueden clasificar en sistemas superiores, de cabeza o “Topping” o en sistema inferiores, de cola o “Bottoming”.

En los sistemas superiores el proceso de combustión tiene como objetivo primario la generación de energía eléctrica y, luego de ello, la recuperación de la energía térmica remanente, la que es utilizada para satisfacer alguna demanda y requerimientos térmicos. Este tipo de sistemas, se fundamentan en las siguientes tecnologías de cogeneración: motores alternativos, microturbinas – turbinas de gas y celdas de combustible.

 

En los sistemas inferiores, el objetivo primario de la combustión es la generación de energía térmica (vapor, gases de escape, etc.) de alta temperatura, la que se utiliza fundamentalmente en algún proceso productivo, sea de fundición, secado, cocción, etc. La energía térmica remanente se utiliza para generar energía eléctrica en alguna máquina termodinámica. Este tipo de sistemas se relacionan con las turbinas de vapor, y se utilizan, generalmente, en industrias que requieren una alta potencia térmica para sus procesos, como: celulosa, cementera, petroquímica, entre otras.

Clasificación de tecnologías de cogeneración según secuencia de generación y ciclos termodinámicos:

El motor alternativo es una tecnología que basa su funcionamiento en un motor de combustión interna, como el motor de un automóvil, en la cual a través de un proceso de combustión de 4 tiempos (admisión, compresión, explosión y expansión), la energía química contenida en un combustible (gas, biogás u otro) y aire, se convierte en energía mecánica. Esta última, se visualiza en el giro de un eje, que acoplado a un generador eléctrico, transforma la energía mecánica rotacional en energía eléctrica.

 

Para lograr los rendimientos del orden del 90%, adicionalmente se aprovecha la energía térmica generada en el proceso de combustión, una parte se recupera del motor y otra parte, se recupera calor de la energía contenida en los gases de escape. En ambos casos, el calor remanente se recupera usando intercambiadores de calor, a través del contacto indirecto entre el agua refrigerante y el líquido refrigerante del motor y entre el agua refrigerante y con los gases de escape.

La microturbina y la turbina de gas son tecnologías que basan su funcionamiento en un motor térmico de combustión interna, en la cual a través de un proceso de compresión se comprime aire, para luego mezclarlo con un combustible (generalmente gas natural o gas licuado). La mezcla aire – combustible se combustiona para aprovechar la energía química contenida en el combustible, generando energía cinética en forma de gases calientes. Estos gases tienen una alta presión y temperatura, por lo tanto, al pasar a través de una turbina generan el movimiento rotacional de esta al chocar con los álabes (energía mecánica). Similar al caso anterior, el eje de la turbina se encuentra acoplada a un generador eléctrico, que permite la generación de energía eléctrica.

 

La energía contenida en los gases de escape que no se logra aprovechar en la generación eléctrica, se recupera en forma de energía térmica, con el uso de intercambiadores de calor para la generación de vapor o agua caliente.

 

Las diferencias principales entre las microturbinas y las turbinas son el tamaño de la turbina y al campo de aplicación de la tecnología. Por lo general, las microturbinas tienen aplicaciones mayoritariamente en el sector industrial y comercial, en cambio, las turbinas de gas se emplean en los sectores industriales que requieren un alta potencia eléctrica o térmica o con el propósito de inyectar energía eléctrica al sistema, con aprovechamiento del calor remanente para el autoconsumo o venta.

La turbina de vapor es una tecnología que basa su funcionamiento en un motor térmico de combustión externa, en el cual a través de un proceso de combustión se aprovecha la energía química de un combustible (gas, líquido o sólido) para la generación de energía térmica en una caldera en forma de vapor sobrecalentado. El vapor generado se utiliza para mover una turbina de vapor y generar energía mecánica, que se transforma en energía eléctrica por medio de un generador acoplado al eje de la turbina, como en las tecnologías anteriores. El vapor sobrecalentado al pasar por la turbina pierde presión y baja su temperatura, sin embargo, al pasar a través de un proceso de condensación, se extrae el calor latente entregando la energía térmica al proceso.

 

El ciclo Rankine puede tener variantes en función de los requerimientos térmicos de la planta donde se instale, en algunos casos se requiere vapor a diferentes presiones y temperatura o también se requiere agua caliente para proceso, esta configuración varía caso a caso.

Las celdas de combustible son similares a una batería en el sentido que genera electricidad y calor a partir de una reacción electroquímica. Una celda combustible utiliza un suministro externo de energía química y con ello puede operar, mientras exista el suministro de hidrógeno y oxígeno (usualmente aire).

Existen varios tipos de celdas combustibles, donde las más utilizadas son las celdas combustibles de óxido sólido (SOFC) y las de membrana electrolítica de polímero (PEMFC):

  • Celda combustible de óxido sólido (SOFC), Que opera a altas temperaturas (600 – 850 °C) y se construyen a partir de materiales cerámicos (óxido sólido).
  • Celda combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) Que opera a bajas temperaturas (60 – 160°C) y se construyen a partir de materiales de polímeros.
  • Celda combustible alcalina (AFC).Este tipo de celda es una de las primeras tecnologías desarrolladas. Las AFC de alta temperatura operan a temperaturas entre 100°C y 250°C. Sin embargo, nuevos diseños de AFC operan a bajas temperaturas, entre 23°C y 70°C.
  • Celda combustible de Metanol Directo (DMFC). Este tipo de celda utiliza metanol, el que se mezcla con vapor y es inyectado directamente al ánodo de la celda combustible.
  • Celda combustible de Ácido Fosfórico (PAFC). Este tipo de celda utiliza ácido fosfórico líquido como electrolito (el ácido se contiene en una matriz de carburo de silicio unida por teflón) y electrodos de carbono poroso que contienen el catalizador de platino
  • Celda combustible de Carbonato Fundido (MCFC). Este tipo de celda se desarrolló para aplicaciones de plantas de generación eléctrica de gas natural o carbón, aplicaciones industriales y militares.

Marco Normativo y Regulatorio

Un proyecto de cogeneración, al tener instalaciones eléctricas y térmicas, deberá cumplir con la normativa aplicable en ambos ámbitos.

La realización de un proyecto de cogeneración requerirá de la aplicación de normativa adicional a la que ya cumple parte de las instalaciones de una planta, relacionada principalmente con la inyección de energía eléctrica al sistema eléctrico, y el cumplimiento de normativa adicional ambiental acorde al aumento del consumo de combustible.

Un sistema de cogeneración, al tener instalaciones eléctricas, de combustible y también, instalación de equipos; deberá cumplir con la normativa aplicable a eléctricidad y de combustibles. Adicionalmente, requerirá cumplir con la normativa tranversal para este tipo de proyectos relacionada con la normativa ambiental y sanitaria, de diseño sísmico y de seguridad contra incendios.