Cogeneracin termica

UNIVERSIDAD SANTO TOMASDIVISIN DE INGENIERASFACULTAD DE INGENIERA MECNICAASIGNATURA: CICLOS TERMODINMICOSCamilo Suarez Snchez. edwinsuarezs@usantotomas.edu.co.

Qu es la cogeneracin?

Como tal la cogeneracin se entiende como la produccin combinada de energa elctrica/mecnica y de energa trmica (calor) obtenidas en especficas instalaciones que utilizan la misma energa primaria. [1]

Para producir slo energa elctrica generalmente se utilizan centrales termoelctricas que dispersan parte de la energa primaria en el ambiente: esta es energa trmica de escaso valor termodinmico, puesto que es de baja temperatura. Sin embargo, para producir slo energa trmica tradicionalmente se usan calderas que transforman la energa primaria contenida en los combustibles, de alto valor termodinmico, en energa trmica de reducido valor termodinmico. [1]

Fig 1. Cogeneracin frente a produccin separada.[1]

Por lo tanto, si un usuario requiere energa elctrica y energa trmica, en vez de instalar una caldera y adquirir energa elctrica de la red, se puede realizar un ciclo termodinmico para producir energa elctrica aprovechando los niveles trmicos ms altos, cediendo el calor residual, que est a una temperatura ms baja, para satisfacer las exigencias trmicas.Desde este punto de vista la cogeneracin puede ofrecer un ahorro energtico, pero no hay que darlo por descontado: habr que valorar cundo es efectivamente ventajosa y respecto a qu otras alternativas. El objetivo fundamental que se quiere conseguir con la cogeneracin es aprovechar lo mejor posible la energa del combustible: de ello se deriva un menor consumo de combustible y, por consiguiente, un menor impacto ambiental. [2]

Algunos de sus beneficios

Para el pas y la sociedad [3] Ahorro de energa primaria. Mayor eficiencia energtica global. Reporta beneficios econmicos a nivel micro y macroeconmico. Introduce tecnologas ms eficientes y competitivas. Reduce el impacto medioambiental asociado a las actividades energticas. Potencia la seguridad del abastecimiento energtico del usuario. Menor necesidad de inversiones en red. Reduce la prdida en redes (generacin distribuida). Potencia la diversificacin del consumo y, por tanto, disminuye el nivel de dependencia de suministros externos. (gas natural)

Justificacin de la Cogeneracin

Las ventajas ms importantes, proceden de las leyes termodinmicas, representan por tanto ventajas inmutables que son una justificacin de la permanencia de esta tecnologa, aquellas ventajas son:a) aprovechan varios tipos de energa, 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 dependencia de los combustibles, coste de produccin menor y menor impacto ambiental.b) produce la energa donde se consume, por lo que hay menores prdidas por transporte y aumenta la autonoma de las fbricas.

La principal razn por la cual el uso de un sistema de cogeneracin es tan til principalmente en la industria y en centrales termoelctricas, es debido a que en la trasformacin qumica de combustibles principalmente fsiles (bien sean: carbn, crudo, gasleo, gas natural), la perdida de energa es representada en calor; por ello hasta hace algn tiempo la eficiencia de un termoelctrica convencional era de 45%, posteriormente se lleg a un 60% con un ciclo combinado de turbina a gas y turbina a vapor y actualmente por medio de sistemas de cogeneracin se ha logrado obtener entre 75% y 90% de eficiencia en relacin a la energa qumica producida.[1]

Fig 2. Grafica de correlacin de ahorro. (Cap 2 conceptos)[1] Tipos de Cogeneracin

Una planta de cogeneracin es un sistema complejo, donde hay una entrada fundamental que es un combustible, y varias energas salientes. Para ello hay una serie de equipos principales y otros auxiliares. Los equipos principales definen el tipo de ciclo, los productos del mismo, el rendimiento y todas las caractersticas principales del mismo.

Los equipos auxiliares sirven para asegurar las necesidades de los equipos principales. Por ejemplo, bombean el agua a la caldera, comprimen el gas para la turbina, refrigeran el aceite o los alternadores. [4]

Cogeneracin con motor a gas o gasolinaUtilizan gas, gasleo como combustible. En general se basan en la produccin de vapor a baja presin (hasta 10 bares), aceite trmico y en el aprovechamiento del circuito de agua de refrigeracin de alta temperatura del motor. [5]

Fig 3. Sistema de cogeneracin motor a gas.[5] Cogeneracin con turbina de gasEn las plantas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador. Parte de la energa se transforma en energa mecnica, que se transformar con la ayuda del alternador en energa elctrica. Los vapores de escape son en promedio de una temperatura de 500 C, idnea para producir vapor en una caldea de recuperacin. [5]

Fig 4. Sistema de cogeneracin turbina a gas.[5] Cogeneracin turbina a vaporEn estos sistemas, la energa mecnica se produce por la expansin del vapor de alta presin procedente de una caldera convencional. El uso de este ciclo fue el primero en cogeneracin. Actualmente su aplicacin ha quedado prcticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa y residuos. [5]

Fig 5. Sistema de cogeneracin turbina vapor.[5] Cogeneracin de ciclo combinado con turbina a gasLos gases de escape de la turbina atraviesan la caldera de recuperacin, donde se produce vapor de alta presin. Este vapor se expande en una turbina de vapor produciendo una energa elctrica adicional. El escape de la turbina ser vapor de baja presin, que puede aprovecharse como tal o condensarse en un condensador presurizado, produciendo agua caliente o agua sobrecalentada, que ser utilizado en la industria asociada. [5]

Fig 6. Sistema de cogeneracin de un ciclo combinad.[5]

Anlisis MatemticoEn una plata de cogeneracin el principal objetivo es dar uso a al mayor porcentaje de calor posible, debido a que en un proceso normal de potencia siempre hay unas elevadas prdidas de calor en el condensador, por ello despus de la expansin se desva parte del vapor para su uso, en este caso el punto en el que se define como calor de proceso, es calor que se reutiliza en otro dispositivo que funcione con calor, por medio de vapor de agua a temperaturas promedio de 200C hasta 550C. Debido a esto en los sistemas de cogeneracin se requiere medir que tan efectivo es y aparece el trmino de Factor de utilizacin , dado por: [6]

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Fig 7. Una planta de cogeneracin con cargas ajustables. [6]

Donde se analiza como [6]

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Cogeneracin en Colombia

Cogeneracin en INCAUCA S.A.Esta importante empresa productora de azcar por medio de la caa inicio su proyecto de eficiencia energtica al ver las alzas constantes y elevadas del carbn el cual era su materia prima de combustin, pasando a utilizar los desechos sobrantes de la molienda de caa, teniendo dos calderas que quemaban 100.000 lb/hr, generando en una primera etapa del proyecto en el ao 2005 un total de 23.5 MW de los cuales consuma 13.5 MW y venda a la red publica un total de 10 MW.Posteriormente instalaron una caldera que quema 500.000 lb/hr, con un total producido de 41.5 MW reduciendo su consumo de carbn en un 80% y siendo el mejor constituido sistema de cogeneracin en Colombia. [7]

Fig 8. Sistema de cogeneracin INCAUCA S.A.. [7]

Cogeneracin en el edificio de la Cmara Colombiana de la Infraestructura

Fig 9. Estimados del potencial de cogeneracin en Colombia.[8]

Este tipo de sistemas se han venido utilizando principalmente en sectores como la industria de alimentos, la industria papelera, la industria de cemento, etc. [8]A pesar de que se define que la utilizacin de un sistema de cogeneracin en un edificio es poco eficiente debido a que ocupa grandes reas, exige una alta inversin en obras civiles, alto nivel de ruido y elevados costos; en Colombia se ha dado uso a esta en el edificio de la Cmara Colombia de la Infraestructura, la cual genera energa elctrica hasta una potencia total de 1.6 MW y ayuda con el funcionamiento del aire acondicionado. Funcionando de la siguiente manera: [8]

Fig 10. Sistema de cogeneracin en edificio de Colombia. [8]

Normatividad de la Cogeneracin

Si produce Energa Elctrica a partir de Energa Trmica, la Energa Elctrica producida deber ser mayor (>) al 5% de la Energa Total generada por el sistema (Trmica + Elctrica).[9] Si produce Energa Trmica a partir de un proceso de generacin de Energa Elctrica, la Energa Trmica producida deber ser mayor (>) al 15% de la Energa Total generada por el sistema (Trmica + Elctrica).[9]

Depende de:

Si cumplen las condiciones puestas por la CREG para denominarse Cogeneradores.Si pueden proveer con sus excedentes una garanta de Potencia.Si la garanta de potencia supera los 20MW Si est obligado o desea, segn el caso, participar el Despacho centralizado.El esquema que quiera utilizar para vender energa de acuerdo con las condiciones y requisitos cumplidos (CREG 039/01). [9]

Referencias

[1]F. Pastrana, Captulo II. Conceptos bsicos de Cogeneracin 15, pp. 1538, 2002.[2]F. D. L. E. D. L. C. D. M. Fenercom, Gua de la Cogeneracin, 2010.[3]Cogeneracin Beneficios de la Cogeneracin, p. 1.[4]I. Para, E. L. Fomento, and D. E. L. A. Cogeneraci, Iniciativa para el fomento de la cogeneracin. pp. 114.[5]Diego Fraile, C OGENERACIN: 2008.[6]Y. a. Cengel and M. E. Boles, Termodinamica - Cengel 7th, Termodinamica, p. 1456, 2011.[7]I. S.A., Informe 2010 - 2011, p. 93, 2011.[8]J. Duarte, Cogeneracin en Edificaciones Energticamente Eficientes, vol. 1, p. 42, 2011.[9]I. C. Dez and W. D. J. Zapata, Marco regulatorio de la autogeneracin y cogeneracin en Colombia, p. 14, 2010.