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Planta de cogeneración: función y ventajas

Una planta de cogeneración produce simultáneamente energía eléctrica y calor. Descubre sus aplicaciones, ventajas y limitaciones

La cogeneración es un sistema eficiente y sostenible para producir simultáneamente dos formas de energía, electricidad y calor. Este proceso es posible gracias al uso de una planta llamada cogenerador, diseñada para aprovechar al máximo la energía contenida en el combustible, reduciendo al mínimo los desperdicios.

La elección de una planta de cogeneración, para ser técnica y económicamente viable, debe ser evaluada cuidadosamente con un análisis profundo de los consumos (evolución en el tiempo de las cargas de energía eléctrica y térmica) y de los sistemas motores disponibles (cada consumo puede adaptarse mejor a una tecnología que a otra).

Además, la cogeneración puede aumentar considerablemente la eficiencia en el uso de los combustibles fósiles. Por un lado, esto permite reducir los costes de la factura energética. Por otro lado, ayuda a determinar menores emisiones de sustancias contaminantes y de gases de efecto invernadero.

Para identificar el cogenerador adecuado para las cargas del edificio, y aumentar su eficiencia energética, puede resultarte útil un software termotécnico de vanguardia desde el punto de vista de la actualización tecnológica.

Posicionamiento de un cogenerador en TerMus PLUS

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Cogeneración: significado

Antes de analizar en detalle qué es una planta de cogeneración, debemos comenzar por el significado de cogeneración. La cogeneración es un proceso que permite producir simultáneamente energía térmica (calor) y energía eléctrica utilizando una sola fuente de energía.

Este enfoque permite maximizar la eficiencia energética, aprovechando al máximo el calor residual que, de otra manera, se perdería en otras formas de producción de energía.

¿Qué es una planta de cogeneración?

La planta de cogeneración, también conocida como CHP por sus siglas en inglés Combined Heat and Power, es un sistema que aprovecha al máximo el potencial energético de una sola fuente. Esta reduce los desperdicios y contribuye a la optimización de los costes. De hecho, esta planta surge en un intento de aprovechar el calor residual de una planta de producción de energía eléctrica.

En una central eléctrica, a través de un ciclo termodinámico, el calor se convierte primero en energía mecánica y, posteriormente, en energía eléctrica. Durante este proceso, una parte significativa del calor (30-45%) se dispersa en el ambiente.

Con una planta de cogeneración, en cambio, el calor residual producido se recupera y se utiliza para fines de calefacción o alimentación.

Es importante recordar que no todo el calor disperso puede recuperarse de manera efectiva. Una parte inevitablemente permanece dispersa incluso en el contexto del ciclo de cogeneración.

¿Cómo funciona una planta de cogeneración?

Para comprender el funcionamiento de una planta de cogeneración es necesario conocer primero cómo se produce tradicionalmente la energía eléctrica. El funcionamiento de una planta termoeléctrica convencional implica 4 fases:

  • suministro de un combustible;
  • uso dentro de la planta;
  • generación de energía eléctrica;
  • eliminación del calor disperso.

Cuando se utilizan fuentes fósiles como el petróleo o el gas, el calor disipado se libera en la atmósfera, causando un daño ambiental considerable. Esto contribuye al aumento del efecto invernadero. En cambio, con la cogeneración el calor disipado se recupera.

Funcionamiento de una planta de cogeneración

El funcionamiento de una planta de cogeneración se basa en los siguientes elementos:

  • motor primario que puede ser alimentado de diferentes maneras;
  • generador eléctrico que, accionado por el motor, es capaz de producir electricidad;
  • intercambiadores de calor que permiten la recuperación del calor producido.

Motores primarios

En cuanto a los motores primarios, las principales variantes de las plantas de cogeneración se distinguen precisamente por el tipo de motor primario utilizado. Las tecnologías básicas más empleadas en la actualidad son:

  • turbinas de gas (utilizadas en ciclo simple con recuperación de calor para la cogeneración directamente de los gases de escape, o en ciclo combinado, recuperación de calor para la cogeneración después de haber utilizado los gases de escape también para la producción de vapor de alimentación para una turbina de vapor);
  • turbinas de vapor (pueden ser de contrapresión, si el calor se recupera del vapor liberado por la turbina, o de desviación, si el calor se obtiene del vapor extraído en una etapa intermedia de la turbina);
  • motores de combustión interna (ciclo Diesel, el calor proviene principalmente de los gases de escape y del líquido de refrigeración del motor);
  • plantas de ciclo combinado de turbinas de gas/vapor.

Las turbinas de vapor y las plantas de ciclo combinado de turbinas de gas/vapor se utilizan principalmente para aplicaciones industriales de alta potencia. Mientras que los motores de combustión interna y las turbinas de gas se utilizan tanto en plantas de gran potencia como en sistemas de micro-cogeneración.

Además de estas, se pueden agregar algunas tecnologías innovadoras, o aún no completamente establecidas a nivel comercial, como:

  • microturbinas;
  • motores Stirling;
  • celdas de combustible.

Fases del proceso de cogeneración

Por lo tanto, el proceso de cogeneración se divide en 4 fases principales:

  • generación de energía: una turbina produce fuerza mecánica mediante el uso de un combustible;
  • producción de energía eléctrica: se transforma la energía mecánica en eléctrica a través de un generador. El producto final estará listo para ser utilizado en las redes domésticas;
  • recuperación del calor residual: la turbina produce una cantidad considerable de calor residual. Este puede ser recuperado utilizando un intercambiador de calor, que transfiere el calor del sistema de generación al uso deseado;
  • uso de la energía térmica recuperada: el calor recuperado se utiliza para satisfacer las necesidades térmicas de la estructura. Por ejemplo, se puede utilizar para calentar el agua de los servicios domésticos.

Esquema de una planta de cogeneración

A continuación, mostramos un esquema de una planta de cogeneración.

Esquema planta de cogeneración

Esquema planta de cogeneración

¿Cómo se alimenta una planta de cogeneración?

En los sistemas de cogeneración se pueden utilizar una variedad de tipos de combustibles, conocidos como energía primaria. Estas plantas pueden ser alimentadas tanto por combustibles tradicionales de origen fósil, como carbón, gas natural, gasóleo y fuel oil, como por fuentes renovables como la biomasa:

  • cogeneración a gas natural: es el tipo más común de planta de cogeneración. Utiliza gas natural como fuente de energía primaria para alimentar un motor de combustión interna o una turbina de gas que genera energía eléctrica. El calor residual producido se captura y se utiliza para la calefacción de edificios, la producción de agua caliente u otros fines térmicos;
  • cogeneración a biomasa: en este caso, la biomasa, como madera, residuos agrícolas o desechos orgánicos, se quema para generar calor. Este se utiliza principalmente para alimentar una turbina de vapor o un motor de combustión interna para la producción de energía eléctrica;
  • cogeneración de alto rendimiento: este tipo de planta de cogeneración utiliza tecnologías avanzadas, como celdas de combustible o motores de ciclo combinado, para alcanzar niveles de eficiencia elevados. Estas plantas son capaces de utilizar de manera más eficiente la energía primaria y generar tanto calor como energía eléctrica con desperdicios limitados.

Planta de cogeneración de alto rendimiento

Las plantas de cogeneración de alto rendimiento (CAR) están diseñadas para optimizar el uso de los recursos energéticos primarios. Además, garantizan una conversión considerablemente más eficiente en energía útil en comparación con los sistemas tradicionales. Por lo general, la eficiencia de estas plantas supera el 90%, en marcado contraste con el 30-40% de los sistemas convencionales.

Las plantas de alto rendimiento a menudo integran tecnologías avanzadas, como turbinas de gas de alta eficiencia, motores de combustión interna de última generación o celdas de combustible. Estas soluciones tecnológicas permiten maximizar la conversión de energía primaria en electricidad y calor.

De hecho, este tipo de plantas está ganando popularidad no solo en el sector industrial, sino también en otros sectores como el comercial, hotelero, hospitalario. En general, en todas las estructuras que requieren energía eléctrica y térmica.

¿Cuándo es conveniente la cogeneración?: los beneficios

Las plantas de cogeneración, como se mencionó anteriormente, están diseñadas para optimizar la eficiencia de los procesos de generación de energía eléctrica. En definitiva, los beneficios son de 3 tipos: energéticos, ambientales y económicos.

  • Una mejora en la eficiencia energética se traduce en ahorros significativos en los costes energéticos para las empresas. Al utilizar la energía térmica producida por la cogeneración para calentar edificios o alimentar procesos industriales, las empresas pueden reducir de manera sustancial sus facturas energéticas. Estas empresas incluso podrían volverse parcial o completamente autosuficientes en comparación con la red eléctrica pública. El enfoque de la cogeneración puede adaptarse para satisfacer las necesidades específicas de cada empresa, garantizando así una flexibilidad de uso que la hace adecuada para una amplia gama de aplicaciones.
  • Desde el punto de vista de la sostenibilidad ambiental, la cogeneración se considera una fuente de energía limpia, ya que aprovecha de manera más eficiente el uso de la fuente primaria de energía. Como resultado, se produce una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y de la huella de carbono total de la empresa.
  • Por último, los menores consumos de energía primaria representan un importante beneficio económico. Este beneficio puede ser reforzado por los incentivos de los que se puede beneficiar al invertir en un sistema de cogeneración.

Cuáles son los límites de una planta de cogeneración

Es importante destacar también los principales límites a tener en cuenta en la evaluación de una planta de cogeneración. El principio de la cogeneración, aunque válido en general, a veces no puede aplicarse de manera energética y económicamente conveniente si no se cumplen las siguientes condiciones:

1. Presencia y cercanía de la demanda térmica

Para que una planta de cogeneración pueda ser realizada, es necesario que cerca de ella haya una demanda térmica, industrial o civil. Esta necesidad choca de hecho con la tendencia de ubicar las plantas termoeléctricas lejos de los centros urbanos o de trabajo para limitar la exposición de la población a las emisiones en la atmósfera.

2. Simultaneidad de las demandas

Otra condición para que una planta de cogeneración pueda ser utilizada de manera adecuada es que la demanda de energía térmica y eléctrica sea simultánea. Una planta de cogeneración típicamente puede proporcionar calor y energía eléctrica simultáneamente, por lo tanto, es necesario que las demandas absorban simultáneamente esa energía. Por esta razón, a menudo las plantas de cogeneración están conectadas a la red eléctrica nacional cediendo a esta la energía eléctrica producida en exceso y la planta se hace funcionar siguiendo las demandas de energía térmica de las demandas.

3. Compatibilidad de las temperaturas

No todas las plantas de cogeneración ponen a disposición calor a la misma temperatura. Por lo tanto, puede suceder que un sistema de cogeneración no sea adecuado para servir una demanda térmica porque esta requiere calor a temperaturas demasiado altas.

4. Flexibilidad de la planta

Aunque la demanda de calor y energía eléctrica por parte de una demanda esté presente de manera simultánea, a veces la relación entre la energía requerida en las dos formas puede variar. Puede suceder entonces que en ciertos momentos la demanda de energía eléctrica sea proporcionalmente mayor que la térmica o viceversa.

Plantas de cogeneración: ¿En qué sectores se pueden aplicar?

Las plantas de cogeneración son adecuadas tanto para aplicaciones residenciales como industriales. La cogeneración es muy conveniente especialmente en contextos caracterizados por una alta y constante demanda de electricidad o calor como:

  • hospitales y clínicas;
  • piscinas y centros deportivos;
  • centros comerciales;
  • obras de construcción;
  • industrias alimentarias;
  • refinerías de petróleo;
  • industrias químicas y farmacéuticas;
  • industrias cerámicas;
  • industria textil;
  • industria de producción de materiales plásticos.

Cogeneración, microcogeneración, cogeneración doméstica

Los sistemas de cogeneración se distinguen tanto por el tamaño (potencia) como por las características del motor primario de combustión. En cuanto al tamaño, se habla de:

  • microcogeneración: potencia eléctrica < 50 kW;
  • pequeña cogeneración: potencia eléctrica < 1 MW;
  • cogeneración: potencia eléctrica > 1 MW.

El concepto de microcogeneración (o pequeña cogeneración) se refiere a sistemas en los que las potencias eléctricas varían desde kilovatios hasta megavatios, con instalaciones diseñadas para uso doméstico/residencial (también conocidas como cogeneración doméstica) y para pequeñas/medianas empresas.

La distinción principal, entonces, entre cogeneración y microcogeneración radica precisamente en el destino de uso: en la cogeneración doméstica, el objetivo principal es la producción de calor, mientras que el componente eléctrico tiende a ser excedentario en relación con las necesidades inmediatas y puede ser vendido a la compañía eléctrica.

Diferencia entre cogeneración y trigeneración

La distinción entre trigeneración y cogeneración se basa en las funciones realizadas por los respectivos sistemas. La trigeneración puede ser definida como una extensión de la cogeneración y permite su uso incluso durante los períodos más cálidos.

De hecho, mientras que la cogeneración se enfoca en la producción combinada de calor y electricidad a partir de una sola fuente energética (como el gas natural), la trigeneración va más allá y permite generar no solo calor y electricidad, sino también aire o agua fría para los sistemas de aire acondicionado, aprovechando al máximo la energía térmica disponible.

Basta con conectar al sistema de cogeneración un grupo frigorífico de absorción, que puede añadir a la producción de electricidad y calor también la de agua fría. Esta agua fría puede ser utilizada tanto para actividades de proceso como para la refrigeración de los espacios.

Coste de un sistema de cogeneración

El coste de un sistema de cogeneración puede variar según diversos aspectos, como:

  • tamaño del sistema;
  • tecnología utilizada;
  • potencia instalada;
  • configuración del sistema;
  • disponibilidad de combustible;
  • precios de mercado.
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