Plantas de cogeneracion
Cogeneración significa
producción simultánea de dos o más tipos de energía. Normalmente las
energías
generadas son electricidad y calor, aunque puede ser también energía
mecánica y
calor (y/o frío). La producción simultánea supone que puede ser
utilizada
simultáneamente, lo que implica proximidad de la planta generadora a
los
consumos, en contraposición al sistema convencional de producción de
electricidad en centrales termoeléctricas independientes, donde también
se
desprende calor, pero éste no es aprovechado y ha de ser eliminado al
ambiente.
Hay que recordar que la termodinámica obliga a la evacuación de una cierta
cantidad
de calor en todo proceso térmico de producción de electricidad, ya que
todo el
calor absorbido no puede transformarse en trabajo. El objetivo de la
cogeneración es que no se pierda esta gran cantidad de energía.
Analizando lo que antecede podemos señalar las principales
características
diferenciales de la cogeneración, es decir:
a) Se aprovechan varios tipos de energía, por lo que tiene un
potencial de
rendimiento mayor que una central convencional. A su vez este mayor
rendimiento da origen a tres de sus mayores ventajas: menor consumo de
combustible, coste de producción menor y menor impacto ambiental.
b) Se produce la energía donde se consume, por lo que hay
menores
pérdidas por transporte y aumenta la autonomía de las fábricas
EL ELEMENTO PRIMARIO: MOTOR DE GAS O
TURBINA
Cuando
se escribe o se habla de
cogeneración y sus aplicaciones, ya sea en una instalación concreta o
en
general, siempre se suele comenzar por el elemento primario; esto es,
el motor,
la turbina de gas o de vapor. Por el contrario cuando se estudia,
cuando se
gesta el proyecto, cuando se analizan las diferentes posibilidades, ha
de
hacerse al revés: debe comenzarse por las necesidades de calor del
proceso,
tanto en cantidades como en el tipo (nivel de temperatura, fluido
caloportador,
etc.) para a partir de ahí determinar el tipo de máquinas y su tamaño,
que
pueden proporcionarnos esta energía térmica. Como resultado tendremos
una o
varias instalaciones que para esa energía térmica, producen diferentes
cantidades de electricidad y con diferente rendimiento y que por tanto
tendrán
diferente rentabilidad económica.
Es interesante destacar que el análisis de las necesidades de proceso
no se
debe restringir a la situación actual sino que hay que investigar si
hay
posibilidades de cambio en el aprovechamiento del calor que permitan la
instalación de una planta de cogeneración más eficiente y por ende más
rentable. Es importante resaltar nuevamente que la base de la
cogeneración es
el aprovechamiento del calor.
Una central termoeléctrica tradicional transforma la energía química
contenida
en un combustible fósil en energía eléctrica. Normalmente se quema un
combustible fósil (carbón, fuelóleo, gasóleo, gas natural) para
producir una
energía térmica, energía térmica que es convertida en energía mecánica,
que
mediante un alternador se transforma en energía eléctrica, de alta
calidad.
Tradicionalmente la energía térmica se transformaba en mecánica
mediante un
ciclo de vapor o mediante una turbina de gas ((plantas llamadas de
punta o de
picos, por su facilidad para suministrar energía con rapidez en los
momentos de
mayor demanda). En las plantas más eficientes de este tipo el
rendimiento en la
producción de electricidad no supera el 45%; el resto se tira a
la
atmósfera en forma de gases de escape, a través de chimeneas y en los
sistemas
de condensación y enfriamiento del ciclo termodinámico.
 La
proporción de energía química convertida en energía
eléctrica es baja porque la mayoría del calor se pierde al ser el calor
desechado
de baja temperatura, o en otras palabras, tiene poca capacidad para
desarrollar
un trabajo útil en una central eléctrica (baja exergía).
Recientemente se ha dado un paso muy importante en el aumento del
rendimiento
de las centrales eléctricas con la introducción del ciclo combinado con
gas
natural, que consiste en el aprovechamiento del calor en dos niveles,
con dos
ciclos uno de gas (con turbina de gas) y otro de vapor (con turbina de
vapor).
El resultado es que el rendimiento eléctrico conjunto llega al 60 %.
Pero la mayoría de los procesos industriales, comerciales o de
servicios
requieren calor a una temperatura relativamente baja, de forma que
estos
procesos sí que pueden aprovechar ese calor que de otra forma se
desecharía: de
esta manera, estos procesos pueden simultanear la producción de
electricidad y
el aprovechamiento de ese calor residual. Este diferente concepto de
aprovechamiento energético es el que realizan las plantas de
cogeneración,
llegando a un rendimiento global que pueden oscilar entre el 75% y el
90% de la
energía química contenida en el combustible.
ELEMENTOS DE UNA PLANTA DE COGENERACIÓN
Los
elementos comunes a cualquier planta de
cogeneración son los siguientes:
1. Fuente de energía primaria. Suele ser gas natural, gasóleo o
fuelóleo.
2. El elemento motor. Es el elemento encargado de convertir energía
térmica o
química en mecánica. Dependiendo del tipo de planta, puede tratarse de
turbinas
de gas, turbinas de vapor o motores alternativos.
3. El sistema de aprovechamiento de energía mecánica. En general suele
estar
formado por un alternador que la transforma en eléctrica, muy versátil
y fácil
de aprovechar, pero también puede tratarse de compresores, bombas, etc,
donde
la energía mecánica se aprovecha directamente.
4. El sistema de aprovechamiento de calor. Puede tratarse de calderas
recuperadoras de calor de gases de escape, secaderos o intercambiadores
de
calor, o incluso unidades de absorción que producen frío a partir de
este calor
de bajo rango.
5. Sistemas de refrigeración. Al final, siempre una parte de la energía
térmica
contenida en el combustible no será aprovechada en la planta y debe ser
evacuada. Las torres de refrigeración. Los aerocondensadores o los
intercambiadores suelen ser elementos habituales de estos sistemas. Un
objetivo
muy importante del diseño de una planta de cogeneración es minimizar
esta
cantidad de calor desaprovechada y evacuada a la atmósfera.
6. Sistema de tratamiento de agua. Tanto el sistema de refrigeración
como el de
aprovechamiento de calor requieren unas especificaciones en las
características
físico-químicas del fluido que utilizan (generalmente agua) que
requiere de una
serie de sistemas para su tratamiento y control.
7. Sistema de control, que se encarga del gobierno de las
instalaciones,
normalmente muy automatizadas.
8. Sistema eléctrico, que permite tanto la alimentación de los equipos
auxiliares de la planta, como la exportación/importación de energía
eléctrica
necesaria para cumplir el balance. La fiabilidad de esta instalación es
muy
importante, así como la posibilidad de trabajo en isla, lo que permite
alimentar la fábrica en situación de deficiencia de la red externa y
estar
disponible inmediatamente en el momento que se restablezcan las
condiciones del
servicio.
TIPOS DE PLANTAS DE COGENERACIÓN
A)
COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS
Utilizan
gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son
muy eficientes eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente.
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 (hasta
10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta
temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también adecuadas
la
producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con
los
gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor
del agua
de refrigeración en máquinas de simple efecto.
Este
tipo de instalaciones es conveniente para
potencias bajas (hasta 15 MW) en las que la generación eléctrica es muy
importante en el peso del plan de negocio. Los motores son la máquina
térmica
que más rendimiento tiene, pues es capaz de convertir actualmente hasta
el 45%
de la energía química contenida en el combustible en energía eléctrica,
y se
espera que en los próximos años este rendimiento aumente.
B)
COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS
En
los sistemas con turbina de gas se quema
combustible en un turbogenerador. Parte de la energía se transforma en
energía
mecánica, que se transformará con la ayuda del alternador en energía
eléctrica. Su rendimiento eléctrico es inferior al de los motores
alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una
recuperación fácil
del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus
gases
de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para
producir vapor
en una caldea de recuperación
Cuando
se presenta en el denominado ciclo simple, el sistema consta de una
turbina de gas y una caldera de recuperación, generándose vapor
directamente a
la presión de utilización en la planta de proceso asociada a la
cogeneración.
Su aplicación es adecuada cuando los requisitos de vapor son
importantes
(>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas
industrias
(alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y
económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación
determinada.
El
diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su
economía está directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las
plantas
con motores alternativos el precio del calor recuperado es esencial en
un ciclo
simple de turbina de gas.
C)
COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR
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
subproductos
residuales que se generan en la industria principal a la que está
asociada la
planta de cogeneración.
Dependiendo
de
la presión de salida del vapor de la turbina se clasifican en turbinas
a
contrapresión, en donde esta presión está por encima de la atmosférica,
y las
turbinas a condensación, en las cuales ésta esta por debajo de la
atmosférica y
han de estar provistas de un condensador. En ambos caso se puede
disponer de
salidas intermedias, extracciones, haciendo posible la utilización en
proceso a
diferentes niveles de presión.
D)
COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS
Y VAPOR
La
aplicación conjunta de una turbina de gas y una
turbina de vapor es lo que se denomina " Ciclo Combinado".
En
el gráfico adjunto puede verse que los gases de
escape de la turbina pueden tirarse a la atmósfera si no se requiere
aprovechamiento térmico, a través del bypass, o pueden atravesar la
caldera de
recuperación, donde se produce vapor de alta presión. Este vapor puede
descomprimirse en una turbina de vapor produciendo una energía
eléctrica
adicional. La salida de la turbina será vapor de baja presión, que
puede
aprovecharse como tal o condensarse en un condensador presurizado,
produciendo
agua caliente o agua sobrecalentada, que será utilizado en la industria
asociada. Si la demanda de vapor es mayor que la que pueden
proporcionar los
gases de escape, puede producirse una cantidad de vapor adicional
utilizando un
quemador de postcombustión, introduciendo una cantidad adicional de
combustible
(gas natural) directamente a un quemador especial con el que cuenta la
caldera.
Esto puede hacerse porque los gases de escape son aún suficientemente
ricos en
oxígeno (en un ciclo combinado con motor alternativo no podría hacerse,
ya que
los gases de escape son pobres en oxígeno)
En
un
ciclo combinado con turbina de gas el proceso de vapor es esencial para
lograr
la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura
del vapor
vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas,
selección
que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se
requiere una ingeniería apropiada capaz de crear procesos adaptados al
consumo
de la planta industrial asociada a la cogeneración, que al mismo tiempo
dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en
situaciones alejadas del punto de diseño.
Una
variante del ciclo combinado expuesto, en el que
la turbina de vapor trabaja a contrapresión (esto es, descomprime el
vapor
entre una presión elevada y una presión inferior, siempre superior a la
atmosférica) es el ciclo combinado a condensación, en el que el
aprovechamiento
del calor se realiza antes de la turbina de vapor, quedando ésta como
elemento
final del proceso. El vapor de salida se condensa en un condensador que
trabaja
a presión inferior a la atmosférica, para que el salto térmico sea el
mayor
posible.
E)
COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS Y TURBINA DE VAPOR
En
este tipo de plantas, el calor contenido en los
humos de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación,
produciendo vapor que es utilizado en una turbina de vapor para
producir más
energía eléctrica o energía mecánica. El circuito de refrigeración de
alta
temperatura del motor se recupera en intercambiadores, y el calor
recuperado se
utiliza directamente en la industria asociada a la planta de
cogeneración. El
rendimiento eléctrico en esta planta es alto, mientras que el térmico
disminuye
considerablemente. Es interesante para plantas con demandas de calor
bajas que
rentabilizan la
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plantas de cogeneración, con todas sus variantes posibles:
- Plantas de cogeneración con motores de gas
- Plantas de cogeneración con turbinas de gas
- Plantas de cogeneración de ciclo combinado
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equipos, sus principios de funcionamiento, el mantenimiento y la
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