Medición de variables para la certificación de plantas de cogeneración como cogenerador eficiente

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1 Boletín IIE, 2015 julio-septiembre Medición de variables para la certificación de plantas de cogeneración como cogenerador eficiente Gaudencio Ramos Niembro Abstract Energy, in any of its forms, has become the engine for the development of humanity, so its availability, proper use and especially its generation with minimum emissions is a key element to care for the planet and for the success or failure of the economies. The new paradigm of power is the distributed generation, through the use of renewable energy or energy that optimizes the use of fossil fuels, such as cogeneration, where from the same fuel electrical and thermal energy can be obtained. 132 Antecedentes El revertir o, al menos, reducir a límites aceptables los efectos del calentamiento global, es el reto más importante que tiene la humanidad para continuar viviendo en el planeta Tierra. El incremento en el uso de combustibles fósiles en todos los ámbitos (electricidad, transporte, etc.) ha provocado el aumento de las emisiones de CO 2 a la atmósfera, lo cual ha roto su equilibrio natural y para ello es necesario cambiar el paradigma de la energía. Existen varias alternativas, donde las dos principales son: incrementar la eficiencia en el uso de la energía y cambiar los combustibles fósiles por energías renovables. La Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética (LAERFTE), publicada el 28 de noviembre del 2008 (DOF, 2008), puede considerarse como la primera regulación en materia de sustentabilidad, la cual proporciona el marco legal para la sustentabilidad energética en México.

2 Artículos técnicos La LAERFTE tiene por objeto regular el aprovechamiento de fuentes de energía renovables y las tecnologías limpias para generar electricidad con fines distintos a la prestación del servicio público de energía eléctrica, así como establecer la estrategia nacional y los instrumentos para el financiamiento de la transición energética. El artículo 20 de la LAERFTE destaca que: Las atribuciones de la Comisión (Comisión Reguladora de Energía, CRE), referidas en el artículo 7º de la presente Ley, se aplicarán a los sistemas de cogeneración de electricidad aunque no utilicen energías renovables, de acuerdo a las definiciones establecidas en el artículo 36, fracción II, de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica, siempre y cuando dichos sistemas cumplan con el criterio de eficiencia que establezca la propia Comisión. La fracción I del artículo séptimo dice: Expedir las normas, directivas, metodologías y demás disposiciones de carácter administrativo que regulen la generación de electricidad a partir de energías renovables. En este sentido, la CRE expidió dos resoluciones: la RES/003/2011 (DOF, 2011), la cual contiene la metodología para el cálculo de la eficiencia de los sistemas de cogeneración de energía eléctrica y los criterios para determinar la cogeneración eficiente, y la RES/291/2012 (DOF, 2012), que describe las disposiciones generales para acreditar sistemas de cogeneración como de cogenerador eficiente. El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) solicitó a la CRE, la autorización para realizar la medición de variables a los sistemas de cogeneración, para la posterior certificación del permisionario como cogenerador eficiente. Bajo la resolución RES/055/2013 (DOF, 2013), el IIE fue acreditado. Cogeneración eficiente El índice de eficiencia de un sistema de cogeneración eficiente puede calcularse de la siguiente forma: η = AEP/Fe Donde: η = Índice de eficiencia. 133

3 Boletín IIE, 2015 julio-septiembre AEP = Ahorro de energía primaria, obtenida del análisis por separado del comportamiento del proceso de generación de energía eléctrica y del proceso térmico del sistema de cogeneración. Fe = Combustible utilizado en el sistema de cogeneración, atribuible a la generación de energía eléctrica. La figura 1 muestra el diagrama general de la metodología de cogeneración eficiente (Granados). Medición de variables Para que un permisionario pueda acreditar su sistema de cogeneración como cogeneración eficiente es necesario llevar a cabo la medición de las tres variables que permiten determinar el índice de eficiencia de una central: F = El combustible fósil empleado en un sistema de cogeneración (anualizado). E = La energía eléctrica neta, la cual se obtiene restándole a la energía bruta el consumo por usos propios del sistema de cogeneración (anualizado). H = La energía térmica neta o el calor útil generado, el cual se obtiene restándole al calor producido y enviado al proceso de producción industrial, el retorno de condensados al sistema de cogeneración (anualizado). Si bien la metodología emitida por la CRE para la medición de las variables es clara y precisa, con objeto de certificar a las plantas cogeneradoras de energía como eficientes, las actividades a realizar en cada caso pueden ser diferentes. En Figura 1. Representación gráfica de valores para el cálculo de η. 134

4 Artículos técnicos efecto, las acciones son función de condiciones diversas como: nivel y tipo de instrumentación de la planta, naturaleza del proceso, uso de la energía térmica, entre otros. Para ello, el IIE elaboró una guía que le permite, bajo una secuencia estructurada, recabar la información y llevar a cabo las mediciones que solicita la CRE, para elaborar el informe técnico respectivo. La figura 2 muestra el diagrama de flujo de las actividades. (A) Cuando el permisionario solicita llevar a cabo la medición de variables, el IIE le proporciona tanto la guía, como un documento-resumen de las resoluciones de la CRE, donde se resaltan las actividades y la información que deben recabar, tanto el permisionario como el IIE, para llevar a cabo la medición de variables. (B) El permisionario recolecta los certificados (vigentes) de los instrumentos con los cuales se miden las variables E, F y H, así como los documentos descriptivos de la planta de cogeneración. (C) y (D) Dicha información la revisan conjuntamente el permisionario y el IIE: definen los límites del sistema de cogeneración, analizan si es necesario hacer alguna adecuación para colocar algún instrumento adicional y las acciones para preparar la documentación que se entrega a la CRE con el informe técnico. (E) Se elabora un plan de trabajo donde se detallan las acciones que el permisionario y el IIE deben realizar el día de la medición de las variables. (F) Se lleva a cabo la medición de variables durante el tiempo establecido por la CRE, en función del tipo de proceso, registrando la información cada minuto, tanto en el sistema de adquisición de datos de la planta como de forma manual, a partir de los instrumentos instalados en el proceso. (G) El IIE elabora el informe técnico, el cual contiene la narrativa de las actividades realizadas y los resultados obtenidos durante la prueba, así como el formato CRE-CGEER-013. Esta información la entrega el permisionario a la CRE, solicitándole ser certificado como cogenerador eficiente. Análisis del índice de eficiencia Figura 2. Diagrama de flujo de las actividades para la medición de variables. La figura 3 muestra un ejemplo de cálculo del índice de eficiencia de una central de cogeneración, a partir de las variables medidas en campo (F, E y H), y de los valores que caracterizan a la planta (factor de pérdidas por transmisión y rendimiento de referencia térmico). Si bien esta central de cogeneración cumple (o supera) el índice de eficiencia solicitado por la CRE, que es del 20%, la pregunta sería: 135

5 Boletín IIE, 2015 julio-septiembre Figura 3. Cálculo de la eficiencia de un sistema de cogeneración. con qué valores ya no se cumple?, o bajo qué condiciones no se cumple? Si se analizan las tres variables medidas en campo se puede deducir lo siguiente: a) La energía del combustible (F) está dada por las propiedades del gas que el suministrador proporciona. En otras palabras, no depende de la operación de la central. b) La energía eléctrica neta (E) está dada por las características de diseño del equipo, esto es, no depende de la operación de la central. c) La energía térmica neta (H) está dada por la diferencia entre la energía térmica que se proporciona al proceso productivo, menos la energía térmica que regresa el proceso a la central. En este caso, si la energía térmica no se utiliza de forma eficiente en el proceso industrial al que está asociada la central de cogeneración, el resultado será que el índice no superará los valores solicitados por la CRE. 136

6 Artículos técnicos En efecto, es muy importante que al diseñar una planta de cogeneración se maximice el uso de la energía térmica y, con base en este cálculo, se defina la capacidad del generador eléctrico. Esto significa que si el permisionario no hace un uso eficiente de la energía térmica que produce, su planta no superará el índice de eficiencia que estipula la CRE para ser considerado como cogenerador eficiente. Conclusiones Gaudencio Ramos Niembro Currículum vítae Doctor y Maestro en Ciencias en Sistemas de Control por la Universidad de Grenoble, Francia. Ingeniero Mecánico Electricista por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en Su área de especialidad se relaciona con ahorro y uso eficiente de energía y cogeneración. Actualmente trabaja en el tema de cogeneración eficiente en la Gerencia de Turbomaquinaria. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y de la Academia de Ingeniería. La cogeneración eficiente es una estrategia que debe motivar a los industriales que requieren el uso simultáneo de vapor y energía eléctrica en sus procesos, a instalar una planta de cogeneración. Los beneficios que recibe su empresa son muy importantes, pues reducen sus costos de operación de forma considerable, al utilizar de forma más eficiente el combustible primario, además de incrementar la confiabilidad de sus procesos. Asimismo, el permisionario puede utilizar el banco de energía y portear sus excedentes a un bajo costo (porteo tipo estampilla). La opinión de los permisionarios que cuentan con plantas de cogeneración eficiente es que, además de las ventajas operativas, las ganancias económicas les aportan beneficios competitivos en sus productos para participar en el mercado. 137