Por Qué Cogeneración. Sistemas Típicos de Cogeneración: ARTÍCULO TÉCNICO COGENERACIÓN

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1 Por Qué Cogeneración Como ocurre en la mayor parte del mundo y Chile no es la excepción, la manera más usada o convencional de satisfacer los requerimientos de energía de una instalación industrial, es comprar la Energía Eléctrica directamente de la red e instalar una caldera u horno, desde donde se satisfacen los requerimientos de Energía Térmica del proceso. Sin embargo existe una alternativa a los sistemas convencionales de generación de energía, llamado cogeneración siendo una forma mucho más eficiente de tranformar las fuentes de energía primaria. Por cogeneración se entiende la producción de 2 o mas formas de energía útil a partir de una fuente primaria, sin embargo en la literatura muchas veces se habla de cogeneración cuando se consigue la producción combinada de energía eléctrica y energía térmica, generada desde la misma fuente primaria. También se le llama ciclo potencia calor o su sigla en ingles CHP (Combined Heat and Power) Utilizando la cogeneración se pueden alcanzar eficiencias térmicas globales entre 80 y 90 %, en cambio las centrales térmicas convencionales sólo llegan a eficiencias de entre 30 y 55 %. La diferencia se explica por el hecho de que en un ciclo convencional, parte importante de la energía es entregada a la atmósfera para condensar el vapor de salida de la turbina a vapor. En cambio en un ciclo de cogeneración se utiliza la mayor parte de esta energía para satisfacer los requerimientos del proceso. Sistemas Típicos de Cogeneración: Existen numerosas formas de cogenerar y la más adecuada para cada aplicación en particular, dependerá de distintos factores. Entre los más relevantes se encuentran el combustible disponible o fuente primaria, la relación Energía Eléctrica Vs Energía Térmica o razón Potencia a Calor o PHR (Power to Heat Ratio) y por supuesto el tamaño. A la hora de evaluar un proyecto de cogeneración el tamaño es una de la variables más relevantes, pues no sólo impactará fuertemente los costos específicos de operación y las inversiones asociadas a la instalación del planta, si no que también definirá el factor de utilización de la central, que determina que tanto provecho obtengo de la inversión a lo largo de la vida útil del proyecto. Además el tamaño de la planta de cogeneración es fundamental al momento de escoger la tecnología a utilizar, existiendo sistemas desde tamaños que van de las decenas kw hasta cientos de MW de potencia eléctrica. Hoy en día existen soluciones para aplicaciones tan diversas, como una micro-turbina, de una potencia de decenas de kw, adecuada para una aplicación domiciliaria, una central de Trigeneración (Electricidad /Frio y Calor) con motor de combustión interna, de algunos MW de capacidad, para un hospital, o una central de cogeneración con turbina a gas de mas de 100 MW para un gran complejo industrial.

2 Cogeneración Con Turbina Vapor Los sistemas de Cogeneración con turbina a vapor son ampliamente utilizados en el mundo, y van desde 1 MW hasta más de 100 MW de potencia eléctrica. Estos sistemas fueron ampliamente utilizados en la industria de la celulosa y papel, la industria azucarera, las refinerías de petróleo y en general en la industria pesada. En la actualidad han ido perdiendo terreno frente a otros sistemas de cogeneración más modernos, salvo en procesos como el de la celulosa donde se cuenta con combustibles que son subproductos de los procesos forestales, los que son aprovechados para la cogeneración. Un sistema de cogeneración con turbina vapor comprende una fuente de calor, típicamente una caldera, la que transforma la energía primaria del combustible en vapor, este a su vez mueve una turbina conectada a un generador eléctrico, este ciclo se conoce como ciclo Rankine. Como productos de la turbina se obtienen electricidad y vapor de baja presión cuya energía es aprovechada en cualquier proceso que requiera calor y devuelta al sistema como condensado. Las eficiencias térmicas del ciclo están determinadas principalmente por la fuente primaria de calor y están en el rango de que va de 60 a 85%. La razón Potencia Calor es relativamente baja con eficiencias eléctricas que no superan el 20%. Figura # 1 Diagrama típico de Sistema de Cogeneración Con Turbina a Vapor

3 Figura # 2 Diagrama de Sankey Típico para Cogeneración Con Turbina a Vapor Cogeneración Con Turbina A Gas El funcionamiento de una sistema de cogeneración con turbina a gas, permite transformar la energía contenida en el combustible, en energía mecánica a través de una Turbina a Gas, usualmente a través del ciclo conocido como ciclo Brayton, la que a su vez es transformada mediante un generador eléctrico en energía eléctrica. Hoy en día esta es una de las tecnologías más utilizadas para cogenerar, por su alta eficiencia y el amplio rango de tamaños que pueden ser utilizados, que además requieren una inversión inicial relativamente baja. Típicamente una Turbina a Gas transforma entre 25 y 35 % de la energía contenida en el combustible en energía eléctrica y la mayor parte de la diferencia es perdida en los productos de combustión descargados a la atmósfera. De aproximadamente el 70 %, perdido a la atmósfera un 50 % de la energía entregada por el combustible puede ser recuperado de los productos de combustión, para ser utilizado en el proceso. Usualmente el calor a la descarga de la turbina es transformado en vapor, a través de un HRSG (Heat Recovery Steam Generator) o caldera recuperadora de calor, el que puede ser utilizado como medio de calentamiento en el proceso. Otra aplicación que cada día es más utilizada es la recuperación de calor para refrigeración o la combinación de ambas llamada trigeneración. Estos sistemas utilizan los productos de combustión calientes ya sea de una turbina a gas o un motor de combustión interna, para generar agua helada a través de un enfriador de agua de absorción.

4 Fig #3 Esquema Típico Sistema de Cogeneración Con Turbina a Gas Fig. # 4 Diagrama Sankey Sistema de Cogeneración con turbina a Gas

5 Cogeneración Con Motores de Combustión Interna Estas aplicaciones van desde capacidades de 75 kw hasta 50 MW en instalaciones con varios motores. Dentro de las ventajas de la tecnología podemos comentar que utilizan una gran variedad de combustibles líquidos y gaseosos, siendo hoy por hoy la primera elección para la cogeneración comercial e institucional. En este caso la energía del combustible es transformada en energía mecánica a través del motor (Ciclos Otto o Diesel) el que esta conectado a un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. La eficiencia eléctrica de los motores típicamente se encuentra en el rango 35 a 45 %. Si se recupera la energía entregada a la atmósfera por el escape la eficiencia térmica del ciclo se puede llegar a valores dentro del rango 70 y 85 %. Fig #5 Esquema Típico Sistema de Cogeneración con Motores de CI

6 Fig. # 6 Diagrama Sankey Sistema de Cogeneración con Motores de CI Cogeneración con Ciclo Combinado Los sistemas de ciclo combinado más utilizados corresponden a Sistemas de Turbina a Gas, los que utilizan los gases de escape de esta para la instalación de un ciclo Rankine. Esta tecnología has sido ampliamente difundida en las últimas décadas, como una manera eficiente y limpia de generar energía eléctrica con gas natural. La cogeneración con ciclo combinado consiste en utilizar una turbina de vapor de contrapresión para usar el vapor de baja presión o de descarga de la turbina en el proceso. La tecnología no es muy usada por requerir una inversión inicial más elevada que un sistema simple con turbina a gas, siendo su principal ventaja una razón Potencia Calor más alta.. La eficiencia eléctrica de este ciclo llega a valores entre 35 y 45 % y una eficiencia térmica global entre 70 y 85%. Fig #7 Esquema Típico Sistema de Cogeneración con Ciclo Combinado

7 Fig. # 8 Diagrama Sankey Sistema de Cogeneración con Ciclo Combinado

8 La Cogeneración en los Países Desarrollados Con la suscripción del protocolo de Kyoto, los países que componen la Comunidad Europea han adquirido compromisos de reducción de emisión de gases efecto invernadero, lo que ha motivado una serie de iniciativas, tendientes a promover la eficiencia energética, el uso de energías renovables y también la cogeneración. Si bien es cierto, las aplicaciones más generalizadas de la cogeneración utilizan combustibles fósiles, si se compara con sistemas convencionales, su utilización masiva implicará un impacto ambiental positivo, tanto términos de emisiones atmosféricas, como por la reducción en el uso fuentes de energía no renovables,. Al comparar las emisiones de CO2, de una planta de cogeneración con turbina a gas con sistemas convencionales de generación de energía, se puede llegar a reducciones del orden de 80% de las que se obtendrían si se compara con una central térmica convencional que utiliza carbón. Al comparar las emisiones de material particulado, NOx y SOx, las reducciones son incluso más importantes. Las reducción de las emisiones de CO2, que se generan con respecto a las fuentes convencionales, permite en algunos casos a optar a la venta de Creditos Carbono, generando un ingreso adicional al proyecto que puede llegar a significar más del 25 % de la inversión inicial. Con el propósito de ilustrar los beneficios de la cogeneración en relación a las emisiones de CO2, incluimos un gráfico con distintas alternativas de generación eléctrica. Emisiones de CO2 en la Generación Eléctrica g CO2 / kw h Electricidad Central Convencional; Carbón Cogeneracion Carbón Turbina a Gas Convencional, Gas Natural Ciclo Combinado, Gas Natural Cogeneración, Gas natural Tipo de Central

9 Cuando Cogenerar Dejando de lado consideraciones de tipo estratégicas, la factibilidad de cogeneración, esta determinada principalmente por variables económicas, las que definirán que tan interesante puede llegar a ser un proyecto de cogeneración. A priori es difícil de determinar y debe ser analizado en detalle caso a caso. Para ello es fundamental contar con los perfiles de demanda de energía eléctrica y de energía térmica (Frio o Calor), estacionalidad, proyecciones de crecimiento, precios de la energía eléctrica, precios del combustible. Es importante comentar que las conclusiones de este tipo de estudios esta fuertemente influenciadas por los precios de los combustibles y de la energía eléctrica, ambas variables difíciles de proyectar en el mediano plazo. Además existen nichos en los cuales las ventajas de la cogeneración son especialmente claras, tales como los sistemas de cogeneración con biomasa, en los que la biomasa es un subproducto de los procesos. Un par de casos que revisten condiciones muy ventajosas, son las plantas de tratamiento de aguas servidas con digestión de lodos y los rellenos sanitarios. En ambos casos podrían abastecerse de su propia energía eléctrica o incluso vender excedentes con una planta de cogeneración que utilice el Biogas que se produce como excedente de sus procesos. Este tipo de soluciones podría significar importantes beneficios económicos y ambientales. Cogeneración en Chile La cogeneración puede ser aplicada prácticamente en todo tipo de industria o consumidor simultaneo de Energías Eléctrica y Térmica. Sin embargo, su aplicación en nuestro país es bastante limitada y se remite a nichos tales como la industria forestal y un par de proyectos en la Región Metropolitana y la V Región. Las principales razones de esta tímida aplicación de la tecnología, radican en la elevada inversión inicial requeridas para este tipo de plantas, bajos precios de la energía eléctrica y dificultades para la venta de excedentes al sistema interconectado. A pesar de que la eficiencia de un sistema de cogeneración con turbina a gas, puede llegar a ser de un 20 % más eficiente que una gran central de Ciclo Combinado, no es raro que los costos de generación de energía eléctrica sean mayores. Esto ocurre principalmente por las economías de escala relativas a los costos de inversión y operación asociados, particularmente a las diferencias en el precio del combustible. Esta brecha se va acortando con el tamaño de la central de cogeneración. A modo ilustrativo una central de cogeneración con turbina a gas puede implicar inversiones que van desde los USD por MW instalado para una gran central de cogeneración hasta unos USD por MW para un sistema basado en microturbinas No debemos dejar de comentar los beneficios que contempla la nueva ley corta, para los sistemas de cogeneración, tales como la exención del pago de peajes de transmisión, para instalaciones cuya capacidad este por debajo de los 9MW eléctrico, y el pago progresivo de los peajes de transmisión para centrales de hasta 20 MW las que pagan un 100% de este peaje. Además la nueva ley contempla de la obligatoriedad de conexión de parte de las empresas concesionarias, el derecho a venta a costo marginal y el traspaso de los beneficios económicos para el concesionario de la red, asociados a la instalación de la central. Todos estos temas, estarán sujetos a los términos en que se redacte el nuevo reglamento eléctrico, lo que sin duda se traducirá en un escenario mas propicio para este tipo de proyectos abriendo la oportunidades a un número significativo de proyectos que hoy día no son económicamente interesantes. Si bien es cierto tanto los precios del petróleo como de los del gas natural reflejan un escenario especialmente difícil de proyectar, si podemos estar seguros que los riegos asociados a partir de los problemas de suministro de gas natural desde Argentina deberán ser traspasados a

10 precios, de manera de no distorsionar el mercado de los combustibles. Este hecho ya ha impactado los precios de nudo al alza, por la utilización de combustibles sustitutos de mayor de precio que el gas natural, por lo que creemos que difícilmente se puede prever una tendencia distinta en el corto plazo. La situación, sin duda abrirá el campo a algunos proyectos que en el pasado no fueron suficientemente interesantes, en especial a aquellos proyectos que consideran la utilización de combustibles alternativos tales como la biomasa. Las innegables ventajas de la cogeneración desde el punto de vista ambiental y los cambios en el escenario energético nacional, sin duda se traducirán en un nuevo y propicio ambiente para el desarrollo de esta tecnología, permitiendo un uso más eficiente de nuestros recursos energéticos y en muchos casos incluso con ventajas económicas frente a los sistemas convencionales. Juan Pablo Bancalari THERMAL ENGINEERING Ltda.

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