Cogeneración

Generación simultánea de electricidad y / o calefacción o refrigeración o productos químicos industriales.

Diagrama que compara las pérdidas de la generación convencional frente a la cogeneración

Parte de una serie sobre
Energía sostenible
Visión general
Energía baja en carbono Combustible neutro en carbono Eliminación de combustibles fósiles
Conservación de energía
Cogeneración Uso eficiente de la energía Almacen de energia Edificio verde Bomba de calor Microgeneracion
Energía renovable
Bioenergía Geotermia Hidroelectricidad Solar De marea Ola Viento
Transporte sustentable
Vehículo eléctrico Vehículo verde Híbrido enchufable
Portal de energías renovables  Portal de medio ambiente
v t mi

La cogeneración o calor y energía combinados ( CHP ) es el uso de un motor térmico ^[1] o central eléctrica para generar electricidad y calor útil al mismo tiempo. La trigeneración o refrigeración, calor y energía combinados ( CCHP ) se refiere a la generación simultánea de electricidad y calefacción y refrigeración útiles a partir de la combustión de un combustible o un colector de calor solar. Los términos cogeneración y trigeneración también se pueden aplicar a los sistemas de energía que generan simultáneamente electricidad, calor y productos químicos industriales (por ejemplo, gas de síntesis).

La cogeneración es un uso más eficiente del combustible porque el calor que de otro modo se desperdicia de la generación de electricidad se destina a algún uso productivo. Las plantas combinadas de calor y electricidad (CHP) recuperan energía térmica que de otro modo se desperdiciaría para calefacción . Esto también se denomina calefacción urbana combinada de calor y electricidad. Las pequeñas plantas de cogeneración son un ejemplo de energía descentralizada . ^[2] El calor de subproducto a temperaturas moderadas (100–180 ° C, 212–356 ° F) también se puede usar en refrigeradores de absorción para enfriar.

El suministro de calor a alta temperatura impulsa primero un generador de turbina de gas o vapor . El calor residual a baja temperatura resultante se utiliza luego para calentar el agua o el espacio. A escalas más pequeñas (típicamente por debajo de 1 MW), se puede usar un motor de gas o un motor diesel . La trigeneración se diferencia de la cogeneración en que el calor residualse utiliza tanto para calentar como para enfriar, normalmente en un frigorífico de absorción. Los sistemas combinados de refrigeración, calefacción y energía pueden lograr eficiencias generales más altas que la cogeneración o las centrales eléctricas tradicionales. En los Estados Unidos, la aplicación de la trigeneración en edificios se denomina refrigeración, calefacción y energía de edificios. La salida de calefacción y refrigeración puede funcionar de forma simultánea o alternativa según la necesidad y la construcción del sistema.

La cogeneración se practicó en algunas de las primeras instalaciones de generación eléctrica. Antes de que las estaciones centrales distribuyeran energía, las industrias que generaban su propia energía usaban vapor de escape para calentar los procesos. Los grandes edificios de oficinas y apartamentos, hoteles y tiendas normalmente generaban su propia energía y utilizaban el vapor residual para calentar los edificios. Debido al alto costo de la energía comprada temprano, estas operaciones de cogeneración continuaron durante muchos años después de que se dispuso de electricidad. ^[3]

Resumen

Central eléctrica Masnedø CHP en Dinamarca . Esta estación quema paja como combustible. Los invernaderos adyacentes se calientan mediante calefacción urbana de la planta.

Muchas industrias de procesos, como plantas químicas, refinerías de petróleo y fábricas de pulpa y papel, requieren grandes cantidades de calor de proceso para operaciones tales como reactores químicos, columnas de destilación, secadores de vapor y otros usos. Este calor, que generalmente se usa en forma de vapor, se puede generar a las presiones típicamente bajas que se usan en la calefacción, o se puede generar a una presión mucho más alta y pasar primero a través de una turbina para generar electricidad. En la turbina, la presión y la temperatura del vapor se reducen a medida que la energía interna del vapor se convierte en trabajo. El vapor de menor presión que sale de la turbina se puede utilizar para calentar el proceso.

Las turbinas de vapor en las centrales térmicas están normalmente diseñadas para ser alimentadas con vapor a alta presión, que sale de la turbina en un condensador que funciona unos pocos grados por encima de la temperatura ambiente y a unos pocos milímetros de presión absoluta de mercurio. (Esto se llama turbina de condensación ). A todos los efectos prácticos, este vapor tiene una energía útil insignificante antes de condensarse. Las turbinas de vapor para cogeneración están diseñadas para extraer algo de vapor a presiones más bajas después de que ha pasado por varias etapas de la turbina, y el vapor no extraído pasa a través de la turbina a un condensador. En este caso, el vapor extraído provoca una pérdida de potencia mecánica.en las etapas posteriores de la turbina. O están diseñados, con o sin extracción, para el escape final a contrapresión (sin condensación). ^{[4] [5]} El vapor extraído o de escape se utiliza para calentar el proceso. El vapor en condiciones normales de calentamiento del proceso todavía tiene una cantidad considerable de entalpía que podría usarse para la generación de energía, por lo que la cogeneración tiene un costo de oportunidad.

Una turbina de generación de energía típica en una fábrica de papel puede tener presiones de extracción de 160 psig (1,103 MPa) y 60 psig (0,41 MPa). Una contrapresión típica puede ser de 0,41 MPa (60 psig). En la práctica, estas presiones se diseñan a medida para cada instalación. Por el contrario, la simple generación de vapor de proceso para fines industriales en lugar de una presión lo suficientemente alta para generar energía en el extremo superior también tiene un costo de oportunidad (Ver: condiciones de suministro y escape de vapor ). El capital y el costo operativo de las calderas, turbinas y generadores de alta presión es sustancial. Este equipo normalmente funciona de forma continua , lo que normalmente limita la energía autogenerada a operaciones a gran escala.

Una planta de cogeneración en Metz , Francia . La caldera de 45 MW utiliza biomasa de madera residual como fuente de energía, proporcionando electricidad y calor a 30.000 viviendas .

Un ciclo combinado (en el que varios ciclos termodinámicos producen electricidad) también se puede utilizar para extraer calor utilizando un sistema de calefacción como condensador del ciclo de fondo de la planta de energía . Por ejemplo, el generador RU-25 MHD en Moscú calentó una caldera para una central eléctrica de vapor convencional, cuyo condensado se utilizó luego para calentar el espacio. Un sistema más moderno podría utilizar una turbina de gas alimentada por gas natural , cuyo escape alimenta una planta de vapor, cuyo condensado proporciona calor. Las plantas de cogeneración basadas en una unidad de energía de ciclo combinado pueden tener eficiencias térmicas superiores al 80%.

La viabilidad de la cogeneración (a veces denominada factor de utilización), especialmente en instalaciones de cogeneración más pequeñas, depende de una buena carga de base de funcionamiento, tanto en términos de demanda eléctrica en el sitio (o cerca del sitio) como de demanda de calor. En la práctica, rara vez existe una coincidencia exacta entre las necesidades de calor y electricidad. Una planta de cogeneración puede satisfacer la necesidad de calor ( operación impulsada por calor ) o funcionar como una planta de energía con algún uso de su calor residual, siendo este último menos ventajoso en términos de su factor de utilización y, por lo tanto, de su eficiencia general. La viabilidad se puede incrementar enormemente donde existen oportunidades para la trigeneración. En tales casos, el calor de la planta de cogeneración también se utiliza como fuente de energía primaria para suministrar refrigeración por medio de un enfriador de absorción .

La cogeneración es más eficiente cuando el calor se puede utilizar en el sitio o muy cerca de él. La eficiencia general se reduce cuando el calor debe transportarse a distancias más largas. Esto requiere tuberías muy aisladas, que son caras e ineficaces; mientras que la electricidad se puede transmitir a través de un cable comparativamente simple y a distancias mucho más largas con la misma pérdida de energía.

El motor de un automóvil se convierte en una planta de cogeneración en invierno cuando el calor de rechazo es útil para calentar el interior del vehículo. El ejemplo ilustra el hecho de que el despliegue de la cogeneración depende del uso de calor en las proximidades del motor térmico.

Las plantas de recuperación de petróleo térmicamente mejorada (TEOR) a menudo producen una cantidad sustancial de exceso de electricidad. Después de generar electricidad, estas plantas bombean el vapor sobrante a los pozos de petróleo pesado para que el petróleo fluya con mayor facilidad y aumente la producción. Las plantas de cogeneración TEOR en el condado de Kern, California, producen tanta electricidad que no se puede usar toda localmente y se transmite a Los Ángeles ^{[ cita requerida ]} .

La cogeneración es uno de los métodos más rentables para reducir las emisiones de carbono de los sistemas de calefacción en climas fríos ^[6] y está reconocido como el método más eficiente energéticamente para transformar energía de combustibles fósiles o biomasa en energía eléctrica. ^{[7] Las} plantas de cogeneración se encuentran comúnmente en sistemas de calefacción de distrito de ciudades, sistemas de calefacción central de edificios más grandes (por ejemplo, hospitales, hoteles, prisiones) y se usan comúnmente en la industria en procesos de producción térmica para procesos de agua, refrigeración, producción de vapor o CO. 2 fertilización.

Tipos de plantas

Planta de energía de Hanasaari , una planta de energía de cogeneración de carbón en Helsinki , Finlandia

Las plantas de ciclo superior producen principalmente electricidad a partir de una turbina de vapor. A continuación, el vapor parcialmente expandido se condensa en un condensador de calefacción a un nivel de temperatura adecuado, por ejemplo , calefacción urbana o desalinización de agua .

Las plantas de ciclo de fondo producen calor a alta temperatura para procesos industriales, luego una caldera de recuperación de calor residual alimenta una planta eléctrica. Las plantas de ciclo de fondo solo se utilizan en procesos industriales que requieren temperaturas muy altas, como los hornos para la fabricación de vidrio y metal, por lo que son menos comunes.

Los grandes sistemas de cogeneración proporcionan agua para calefacción y energía para un sitio industrial o una ciudad entera. Los tipos comunes de plantas de cogeneración son:

• Plantas de cogeneración de turbinas de gas que utilizan el calor residual de los gases de combustión de las turbinas de gas. El combustible utilizado suele ser gas natural .
• Las plantas de cogeneración con motores de gas utilizan un motor de gas alternativo, que generalmente es más competitivo que una turbina de gas de hasta aproximadamente 5 MW. El combustible gaseoso utilizado es normalmente gas natural . Estas plantas generalmente se fabrican como unidades completamente empaquetadas que se pueden instalar dentro de una sala plana o un complejo de planta externo con conexiones simples al suministro de gas del sitio, la red de distribución eléctrica y los sistemas de calefacción. Rendimientos y eficiencias típicas, ver ^[8] Ejemplo típico grande, ver ^[9]
• Las plantas de cogeneración de motores de biocombustible utilizan un motor de gas alternativo adaptado o un motor diésel , según el biocombustible que se utilice, y por lo demás son muy similares en diseño a una planta de cogeneración de motores de gas. La ventaja de utilizar un biocombustible es la reducción del consumo de combustible de hidrocarburos y, por tanto, la reducción de las emisiones de carbono. Estas plantas generalmente se fabrican como unidades completamente empaquetadas que se pueden instalar dentro de una sala plana o un compuesto de planta externo con conexiones simples a los sistemas de calefacción y distribución eléctrica del sitio. Otra variante es la planta de cogeneración con gasificador de madera , mediante la cual se gasifica un biocombustible de pellets de madera o astillas de madera en un entorno de alta temperatura sin oxígeno; el gas resultante se utiliza luego para alimentar el motor de gas.
• Centrales eléctricas de ciclo combinado adaptadas para cogeneración
• Pilas de combustible de carbonato fundido y células de combustible de óxido sólido tienen un escape caliente, muy adecuado para la calefacción.
• Plantas de cogeneración de turbinas de vapor que utilizan el sistema de calefacción como condensador de vapor para la turbina de vapor
• Las plantas de energía nuclear , al igual que otras plantas de energía de turbinas de vapor, pueden equiparse con extracciones en las turbinas para purgar vapor parcialmente expandido a un sistema de calefacción. Con una temperatura del sistema de calefacción de 95 ° C, es posible extraer aproximadamente 10 MW de calor por cada MW de electricidad perdido. Con una temperatura de 130 ° C, la ganancia es ligeramente menor, alrededor de 7 MW por cada MWe perdido. ^[10] En ^{[11] se} incluye una revisión de las opciones de cogeneración ^.

Las unidades de cogeneración más pequeñas pueden utilizar un motor alternativo o un motor Stirling . El calor se elimina del escape y el radiador. Los sistemas son populares en tamaños pequeños porque los motores pequeños de gas y diesel son menos costosos que las pequeñas plantas eléctricas de vapor alimentadas con gas o petróleo.

Algunas plantas de cogeneración están disparados por la biomasa , ^[12] o industrial y de residuos sólidos urbanos (ver incineración ). Algunas plantas de cogeneración utilizan gas residual como combustible para la generación de electricidad y calor. Los gases de desecho pueden ser gas proveniente de desechos animales , gas de vertedero , gas de minas de carbón , gas residual y gas residual industrial combustible. ^[13]

Algunas plantas de cogeneración combinan generación fotovoltaica a gas y solar para mejorar aún más el desempeño técnico y ambiental. ^[14] Estos sistemas híbridos pueden reducirse al nivel del edificio ^[15] e incluso a viviendas individuales. ^[dieciséis]

MicroCHP

La micro combinación de calor y energía o "microcogeneración" es un recurso de energía distribuida (DER). La instalación suele ser inferior a 5 kW e en una casa o una pequeña empresa. En lugar de quemar combustible para simplemente calentar el espacio o el agua, algunos de la energía se convierte en electricidad además de calor. Esta electricidad se puede utilizar dentro del hogar o negocio o, si la administración de la red lo permite, se puede vender nuevamente a la red de energía eléctrica.

Los consultores de Delta-ee declararon en 2013 que con el 64% de las ventas mundiales, la energía y el calor microcombinados de celdas de combustible superaron a los sistemas convencionales en ventas en 2012. ^[17] Se vendieron 20.000 unidades en Japón en 2012 en general dentro del proyecto Ene Farm. Con una vida útil de alrededor de 60.000 horas. Para las unidades de pila de combustible PEM , que se apagan por la noche, esto equivale a una vida útil estimada de entre diez y quince años. ^[18] Por un precio de $ 22,600 antes de la instalación. ^[19] Para 2013 está en vigor una subvención estatal para 50.000 unidades. ^[18]

Las instalaciones de MicroCHP utilizan cinco tecnologías diferentes: microturbinas , motores de combustión interna , motores Stirling , motores de vapor de ciclo cerrado y pilas de combustible . Un autor indicó en 2008 que MicroCHP basado en motores Stirling es la más rentable de las llamadas tecnologías de microgeneración para reducir las emisiones de carbono. ^[20] Un informe de 2013 del Reino Unido de Ecuity Consulting indicó que MCHP es el método más rentable de utilizar gas para generar energía a nivel doméstico. ^{[21] [22]} Sin embargo, los avances en la tecnología de motores alternativos están agregando eficiencia a las plantas de cogeneración, particularmente en el campo del biogás. ^[23]Dado que se ha demostrado que tanto MiniCHP como CHP reducen las emisiones ^[24] , podrían desempeñar un papel importante en el campo de la reducción de CO ₂ de los edificios, donde más del 14% de las emisiones se pueden ahorrar utilizando CHP en edificios. ^[25] La Universidad de Cambridge informó sobre un prototipo de motor de vapor MicroCHP rentable en 2017 que tiene el potencial de ser comercialmente competitivo en las próximas décadas. ^[26] Recientemente, en algunas casas particulares, se pueden encontrar plantas de microcogeneración de células de combustible , que pueden funcionar con hidrógeno u otros combustibles como gas natural o GLP. ^{[27] [28]} Cuando funciona con gas natural, se basa en el reformado con vaporde gas natural para convertir el gas natural en hidrógeno antes de su uso en la pila de combustible. Esto, por lo tanto, todavía emite CO
2 (ver reacción) pero (temporalmente) ejecutar esto puede ser una buena solución hasta el punto en el que el hidrógeno comienza a distribuirse a través del sistema de tuberías (gas natural).

Trigeneración

Ciclo de trigeneración

Una planta que produce electricidad, calor y frío se denomina planta de trigeneración ^[29] o poligeneración. Los sistemas de cogeneración vinculados a enfriadores de absorción o enfriadores de adsorción utilizan el calor residual para la refrigeración . ^[30]

Calefacción urbana combinada de calor y electricidad

Ver también: calefacción urbana

En los Estados Unidos , Consolidated Edison distribuye 66 mil millones de kilogramos de vapor a 350 ° F (180 ° C) cada año a través de sus siete plantas de cogeneración a 100,000 edificios en Manhattan , el distrito de vapor más grande de los Estados Unidos. La entrega máxima es de 10 millones de libras por hora (o aproximadamente 2,5 GW). ^{[31] [32]}

CHP industrial

La cogeneración sigue siendo común en las plantas de celulosa y papel , refinerías y plantas químicas. En esta "cogeneración industrial / CHP", el calor se recupera típicamente a temperaturas más altas (por encima de 100 ° C) y se utiliza para procesos de vapor o tareas de secado. Esto es más valioso y flexible que el calor residual de bajo grado, pero hay una ligera pérdida de generación de energía. El mayor enfoque en la sostenibilidad ha hecho que la cogeneración industrial sea más atractiva, ya que reduce sustancialmente la huella de carbono en comparación con la generación de vapor o la quema de combustible en el lugar y la importación de energía eléctrica de la red.

Presiones de servicios públicos versus industriales autogenerados

Las plantas de cogeneración industrial normalmente operan a presiones de caldera mucho más bajas que las de los servicios públicos. Entre las razones están: 1) Las plantas de cogeneración enfrentan una posible contaminación del condensado retornado. Debido a que el agua de alimentación de la caldera de las plantas de cogeneración tiene tasas de retorno mucho más bajas que las plantas de energía de condensación al 100%, las industrias generalmente tienen que tratar proporcionalmente más agua de relleno de la caldera. El agua de alimentación de la caldera debe estar completamente libre de oxígeno y desmineralizada, y cuanto mayor sea la presión, más crítico será el nivel de pureza del agua de alimentación. ^[5]2) Las empresas de servicios públicos suelen tener una potencia de mayor escala que la industria, lo que ayuda a compensar los mayores costos de capital de la alta presión. 3) Es menos probable que las empresas de servicios públicos tengan cambios bruscos de carga que las operaciones industriales, que se ocupan de apagar o poner en marcha unidades que pueden representar un porcentaje significativo de la demanda de vapor o energía.

Generadores de vapor de recuperación de calor

Un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) es una caldera de vapor que utiliza gases de escape calientes de las turbinas de gas o motores alternativos en una planta de cogeneración para calentar agua y generar vapor . El vapor, a su vez, acciona una turbina de vapor o se utiliza en procesos industriales que requieren calor.

Los HRSG utilizados en la industria de cogeneración se distinguen de los generadores de vapor convencionales por las siguientes características principales:

• El HRSG está diseñado en función de las características específicas de la turbina de gas o del motor alternativo al que se acoplará.
• Dado que la temperatura de los gases de escape es relativamente baja, la transmisión de calor se realiza principalmente por convección .
• La velocidad del gas de escape está limitada por la necesidad de mantener bajas las pérdidas de carga. Por tanto, el coeficiente de transmisión es bajo, lo que requiere una gran superficie de calentamiento.
• Dado que la diferencia de temperatura entre los gases calientes y el fluido a calentar (vapor o agua) es baja, y con el coeficiente de transmisión de calor también bajo, el evaporador y el economizador están diseñados con intercambiadores de calor de aletas de placas.

Cogeneración con biomasa

La biomasa se perfila como una de las fuentes más importantes de energía renovable . Biomasa se refiere a cualquier materia vegetal o animal en la que se pueda reutilizar como fuente de calor o electricidad, como caña de azúcar , aceites vegetales, madera, desechos orgánicos y residuos de la industria alimentaria o agrícola. Brasil es ahora considerado una referencia mundial en términos de generación de energía a partir de biomasa. ^[33]

Un sector en crecimiento en el uso de biomasa para la generación de energía es el sector del azúcar y el alcohol, que utiliza principalmente bagazo de caña de azúcar como combustible para la generación de energía térmica y eléctrica ^[34]

Cogeneración de energía en el sector del azúcar y el alcohol

En la industria de la caña de azúcar, la cogeneración se alimenta del residuo de bagazo del refinado del azúcar, que se quema para producir vapor. Se puede enviar algo de vapor a través de una turbina que hace girar un generador y produce energía eléctrica. ^[35]

La cogeneración de energía en las industrias de la caña de azúcar ubicadas en Brasil es una práctica que ha ido creciendo en los últimos años. Con la adopción de la cogeneración energética en el sector del azúcar y el alcohol, las industrias de la caña de azúcar son capaces de abastecer la demanda de energía eléctrica necesaria para operar y generar un excedente que se puede comercializar. ^{[36] [37]}

Ventajas de la cogeneración con bagazo de caña de azúcar

En comparación con la generación de energía eléctrica mediante centrales termoeléctricas a base de combustibles fósiles , como el gas natural , la generación de energía con bagazo de caña de azúcar presenta ventajas ambientales por la reducción de emisiones de CO2 . ^[38]

Además de las ventajas ambientales, la cogeneración con bagazo de caña de azúcar presenta ventajas en términos de eficiencia frente a la generación termoeléctrica, a través del destino final de la energía producida. Mientras que en la generación termoeléctrica se pierde parte del calor producido, en la cogeneración este calor tiene la posibilidad de ser utilizado en los procesos de producción, aumentando la eficiencia global del proceso. ^[38]

Desventajas de la cogeneración con bagazo de caña de azúcar

En el cultivo de la caña de azúcar, se suele utilizar fuentes de potasio que contienen alta concentración de cloro , como el cloruro de potasio (KCl). Teniendo en cuenta que el KCl se aplica en grandes cantidades, la caña de azúcar termina absorbiendo altas concentraciones de cloro. ^[39]

Debido a esta absorción, cuando se quema el bagazo de caña de azúcar en la cogeneración de energía, se terminan emitiendo dioxinas ^[39] y cloruro de metilo ^[40] . En el caso de las dioxinas, estas sustancias se consideran muy tóxicas y cancerosas. ^{[41] [42] [43]}

En el caso del cloruro de metilo, cuando esta sustancia se emite y llega a la estratosfera , termina siendo muy dañino para la capa de ozono , ya que el cloro al combinarse con la molécula de ozono genera una reacción catalítica que conduce a la ruptura de los enlaces de ozono. ^[40]

Después de cada reacción, el cloro inicia un ciclo destructivo con otra molécula de ozono. De esta forma, un solo átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono. A medida que estas moléculas se rompen, no pueden absorber los rayos ultravioleta . Como resultado, la radiación ultravioleta es más intensa en la Tierra y hay un empeoramiento del calentamiento global . ^[40]

Comparación con una bomba de calor

Una bomba de calor se puede comparar con una unidad de cogeneración de la siguiente manera. Si, para suministrar energía térmica, el vapor de escape del turbogenerador debe tomarse a una temperatura superior a la que el sistema produciría la mayor parte de la electricidad, la generación eléctrica perdida es como si se utilizara una bomba de calor para proporcionar el mismo calor tomando energía eléctrica del generador funcionando a una temperatura de salida más baja y con una mayor eficiencia. ^[44] Normalmente, por cada unidad de energía eléctrica perdida, se ponen a disposición unas 6 unidades de calor a unos 90 ° C. Por lo tanto, la cogeneración tiene un coeficiente de rendimiento efectivo (COP) en comparación con una bomba de calor de 6. ^[45]Sin embargo, para una bomba de calor operada a distancia, sería necesario considerar pérdidas en la red de distribución eléctrica, del orden del 6%. Debido a que las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente, durante los períodos pico las pérdidas son mucho más altas que esto y es probable que la aplicación generalizada (es decir, la aplicación de bombas de calor en toda la ciudad) provoque una sobrecarga de las redes de distribución y transmisión a menos que se refuercen sustancialmente.

También es posible ejecutar una operación impulsada por calor combinada con una bomba de calor, donde el exceso de electricidad (ya que la demanda de calor es el factor que define la utilización) se usa para impulsar una bomba de calor. A medida que aumenta la demanda de calor, se genera más electricidad para impulsar la bomba de calor, y el calor residual también calienta el fluido de calefacción.

Generación distribuida

La mayoría de los países industriales generan la mayoría de sus necesidades de energía eléctrica en grandes instalaciones centralizadas con capacidad para una gran producción de energía eléctrica. Estas plantas se benefician de la economía de escala, pero es posible que necesiten transmitir electricidad a largas distancias, lo que provoca pérdidas de transmisión. La producción de cogeneración o trigeneración está sujeta a limitaciones en la demanda local y, por lo tanto, a veces puede ser necesario reducirla (por ejemplo, la producción de calor o enfriamiento para satisfacer la demanda). Un ejemplo de cogeneración con aplicaciones de trigeneración en una ciudad importante es el sistema de vapor de la ciudad de Nueva York .

Eficiencia térmica

Cada motor térmico está sujeto a los límites de eficiencia teóricos del ciclo de Carnot o subconjunto del ciclo Rankine en el caso de las centrales eléctricas de turbinas de vapor o ciclo Brayton en turbinas de gas con plantas de turbinas de vapor. La mayor parte de la pérdida de eficiencia con la generación de energía de vapor está asociada con el calor latente de vaporización.de vapor que no se recupera cuando una turbina descarga su vapor a baja temperatura y presión a un condensador. (El vapor típico al condensador estaría a unos pocos milímetros de presión absoluta y del orden de 5 ° C / 11 ° F más caliente que la temperatura del agua de enfriamiento, dependiendo de la capacidad del condensador). En la cogeneración, este vapor sale de la turbina a una temperatura más alta. donde se puede utilizar para procesos de calor, calefacción de edificios o refrigeración con un enfriador de absorción . La mayor parte de este calor proviene del calor latente de vaporización cuando el vapor se condensa.

La eficiencia térmica en un sistema de cogeneración se define como:

${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Electrical power output + Heat output}}{\text{Total heat input}}}}$

Dónde:

${\displaystyle \eta _{th}}$ = Eficiencia térmica

${\displaystyle W_{out}}$ = Producción total de trabajo de todos los sistemas

${\displaystyle Q_{in}}$ = Entrada de calor total en el sistema

La salida de calor también se puede utilizar para enfriar (por ejemplo, en verano), gracias a un enfriador de absorción. Si el enfriamiento se logra al mismo tiempo, la eficiencia térmica en un sistema de trigeneración se define como:

${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Electrical power output + Heat output + Cooling output}}{\text{Total heat input}}}}$

Dónde:

${\displaystyle \eta _{th}}$ = Eficiencia térmica

${\displaystyle W_{out}}$ = Producción total de trabajo de todos los sistemas

${\displaystyle Q_{in}}$ = Entrada de calor total en el sistema

Los modelos de cogeneración típicos tienen pérdidas como en cualquier sistema. La distribución de energía a continuación se representa como un porcentaje de la energía total de entrada: ^[46]

Electricidad = 45%

Calor + Enfriamiento = 40%

Pérdidas de calor = 13%

Pérdidas de línea eléctrica = 2%

Las centrales eléctricas convencionales de carbón o de energía nuclear convierten alrededor del 33-45% de su calor de entrada en electricidad. ^{[47] [5] Las} plantas de energía de ciclo Brayton operan con una eficiencia de hasta el 60%. En el caso de las centrales eléctricas convencionales, aproximadamente un 10-15% de este calor se pierde en la chimenea de la caldera. La mayor parte del calor restante surge de las turbinas como calor residual de bajo grado sin usos locales significativos, por lo que generalmente se rechaza al medio ambiente, generalmente al agua de enfriamiento que pasa a través de un condensador. ^[5] Debido a que los gases de escape de la turbina normalmente están justo por encima de la temperatura ambiente, se sacrifica parte de la generación de energía potencial al rechazar el vapor de alta temperatura de la turbina con fines de cogeneración. ^[48]

Para que la cogeneración sea práctica, la generación de energía y el uso final del calor deben estar relativamente cerca (por lo general, <2 km). Aunque la eficiencia de un pequeño generador eléctrico distribuido puede ser menor que la de una gran central eléctrica, el uso de su calor residual para calefacción y refrigeración local puede resultar en un uso general del suministro de combustible primario de hasta un 80%. ^[47] Esto proporciona importantes beneficios económicos y medioambientales.

Costos

Ver también: Costo de la electricidad por fuente

Por lo general, para una planta de gas, el costo de instalación total por kW eléctrico es de alrededor de £ 400 / kW (US $ 577), que es comparable con las grandes centrales eléctricas. ^[49]

Historia

Cogeneración en Europa

Una central térmica de cogeneración en Ferrera Erbognone ( PV ), Italia

La UE ha incorporado activamente la cogeneración en su política energética a través de la Directiva CHP . En septiembre de 2008, en una audiencia del Intergrupo de Alojamiento Urbano del Parlamento Europeo, se cita al Comisario de Energía Andris Piebalgs diciendo: "La seguridad del suministro realmente comienza con la eficiencia energética". ^[50] La eficiencia energética y la cogeneración se reconocen en los párrafos iniciales de la Directiva 2004/08 / CE de cogeneración de la Unión Europea. Esta directiva pretende apoyar la cogeneración y establecer un método para calcular las capacidades de cogeneración por país. El desarrollo de la cogeneración ha sido muy desigual a lo largo de los años y ha estado dominado a lo largo de las últimas décadas por las circunstancias nacionales.

La Unión Europea genera el 11% de su electricidad mediante cogeneración. ^[51] Sin embargo, existe una gran diferencia entre los Estados miembros con variaciones del ahorro de energía entre el 2% y el 60%. Europa tiene los tres países con las economías de cogeneración más intensivas del mundo: Dinamarca, Holanda y Finlandia. ^[52] De los 28,46 TWh de energía eléctrica generados por las centrales térmicas convencionales en Finlandia en 2012, el 81,80% fue cogeneración. ^[53]

Otros países europeos también están haciendo grandes esfuerzos para aumentar la eficiencia. Alemania informó que, en la actualidad, más del 50% de la demanda total de electricidad del país podría proporcionarse mediante cogeneración. Hasta ahora, Alemania se ha fijado el objetivo de duplicar su cogeneración de electricidad del 12,5% de la electricidad del país al 25% de la electricidad del país para 2020 y ha aprobado la legislación de apoyo en consecuencia. ^[54] El Reino Unido también está apoyando activamente el calor y la energía combinados. A la luz del objetivo del Reino Unido de lograr una reducción del 60% en las emisiones de dióxido de carbono para 2050, el gobierno ha establecido el objetivo de obtener al menos el 15% de su consumo de electricidad del gobierno de la cogeneración para 2010. ^[55] Otras medidas del Reino Unido para fomentar el crecimiento de la cogeneración son incentivos financieros, subvenciones, un marco regulatorio más amplio y liderazgo y asociación del gobierno.

Según el modelo de expansión de la cogeneración de la IEA 2008 para los países del G8, la expansión de la cogeneración en Francia, Alemania, Italia y el Reino Unido por sí sola duplicaría efectivamente el ahorro de combustible primario existente para 2030. Esto aumentaría los ahorros de Europa de las 155,69 Twh actuales a 465. Dos veces en 2030. También resultaría en un aumento del 16% al 29% en la electricidad cogenerada total de cada país para 2030.

Los gobiernos están recibiendo asistencia en sus esfuerzos de CHP por organizaciones como COGEN Europe, que sirven como un centro de información para las actualizaciones más recientes dentro de la política energética de Europa. COGEN es la organización paraguas de Europa que representa los intereses de la industria de la cogeneración.

El proyecto del Séptimo Programa Marco de la Empresa Común de Pilas de Combustible e Hidrógeno, asociación público-privada europea, ene.field despliega en 2017 ^[56] hasta 1.000 instalaciones de energía y calor combinadas ( micro-CHP ) de pilas de combustible residenciales en 12 estados. Para 2012 se han realizado las 2 primeras instalaciones. ^{[57] [58] [59]}

Cogeneración en el Reino Unido

En el Reino Unido , el esquema de garantía de calidad combinada de calor y energía regula la producción combinada de calor y energía. Se introdujo en 1996. Define, mediante el cálculo de entradas y salidas, "CHP de buena calidad" en términos de la consecución de ahorros de energía primaria frente a la generación convencional separada de calor y electricidad. Se requiere el cumplimiento de la Garantía de calidad combinada de calor y energía para que las instalaciones de cogeneración sean elegibles para subsidios gubernamentales e incentivos fiscales. ^[60]

Cogeneración en Estados Unidos

La planta de la estación de cogeneración Kendall de 250 MW en Cambridge, Massachusetts

Quizás el primer uso moderno del reciclaje de energía fue realizado por Thomas Edison . Su Pearl Street Station de 1882 , la primera planta de energía comercial del mundo, era una planta combinada de calor y energía, que producía electricidad y energía térmica mientras utilizaba el calor residual para calentar los edificios vecinos. ^{[61] El} reciclaje permitió que la planta de Edison alcanzara aproximadamente el 50 por ciento de eficiencia.

A principios de la década de 1900, surgieron regulaciones para promover la electrificación rural a través de la construcción de plantas centralizadas administradas por empresas de servicios públicos regionales. Estas regulaciones no solo promovieron la electrificación en todo el campo, sino que también desalentaron la generación de energía descentralizada, como la cogeneración.

Para 1978, el Congreso reconoció que la eficiencia en las centrales eléctricas se había estancado y trató de fomentar una mayor eficiencia con la Ley de Políticas Reguladoras de Servicios Públicos (PURPA), que alentaba a los servicios públicos a comprar energía de otros productores de energía.

Proliferaron las plantas de cogeneración, que pronto produjeron alrededor del 8% de toda la energía en los Estados Unidos. ^[62] Sin embargo, el proyecto de ley dejó la implementación y el cumplimiento en manos de los estados individuales, lo que resultó en que se hiciera poco o nada en muchas partes del país. ^{[ cita requerida ]}

El Departamento de Energía de los Estados Unidos tiene un objetivo agresivo de que la cogeneración constituya el 20% de la capacidad de generación para el año 2030. Se han establecido ocho centros de aplicación de energía limpia ^{[63] en} todo el país. Su misión es desarrollar el conocimiento de aplicación de tecnología requerido y la infraestructura educativa necesaria para liderar tecnologías de "energía limpia" (calor y energía combinados, recuperación de calor residual y energía del distrito) como opciones de energía viables y reducir cualquier riesgo percibido asociado con su implementación. El enfoque de los centros de aplicaciones es proporcionar un programa de divulgación y despliegue de tecnología para usuarios finales, legisladores, servicios públicos y partes interesadas de la industria.

Las altas tarifas eléctricas en Nueva Inglaterra y el Atlántico medio hacen que estas áreas de los Estados Unidos sean las más beneficiosas para la cogeneración. ^{[64] [65]}

Aplicaciones en sistemas de generación de energía

No renovable

Cualquiera de las siguientes centrales eléctricas convencionales puede convertirse en un sistema combinado de refrigeración, calefacción y energía: ^[66]

• Carbón
• Microturbina
• Gas natural
• La energía nuclear
• Petróleo
• Turbina de gas pequeña

Renovable

• Solar térmica
• Biomasa
• Pila de combustible de hidrógeno
• Cualquier tipo de compresor o turboexpansor , como en el almacenamiento de energía de aire comprimido
• Geotermia

Ver también

• Separación de aire
• Ciclo de Carnot
• Método de Carnot
• Directiva CHP
• Costo de la electricidad por fuente
• Generación distribuida (término más general que abarca CHP)
• Calefacción urbana
• Generación eléctrica
• Electrificación
• Política energética de la Unión Europea
• Impacto ambiental de la generación de electricidad
• Asociación Europea de Biomasa
• Gas industrial
• Micro calor y energía combinados
• Sistema de vapor de la ciudad de Nueva York
• Ciclo de Rankine
• Refrigerador de absorción
• Caldera

Lectura adicional

• Steam, su generación y uso (35 ed.). Compañía Babcock & Wilson. 1913.

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