1. INTRODUCCIÓN Y OBJETO Criterios utilizados en la actualidad.

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Victoria San Martín Castilla
hace 5 años
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1 TRIGENERACIÓN: EL CALOR ÚTIL EN LA PRODUCCIÓN DE FRÍO J.M.ª Roqueta (Noviembre 2004) 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETO. La eficiencia de las plantas de cogeneración medida a través del REE (Rendimiento Eléctrico Equivalente), cuando producen frío, (trigeneración) se evalúan en forma distinta en diversas comunidades autónomas debido a diferencias de criterio en la transformación del frío en energía primaria. El propósito de este documento es establecer una metodología de evaluación en base al concepto de calor útil propugnado por la Directiva Europea de Cogeneración 1.1. Criterios utilizados en la actualidad. La forma de evaluación más simple es considerar que el frío obtenido se ha realizado en una máquina de absorción que utiliza el calor producido en la planta de cogeneración. Este método, utilizado en la mayoría de las CCAA es simple, pero puede dar lugar a situaciones no acordes con la eficiencia energética. Efectivamente, las plantas que utilizan máquinas de absorción con el COP más bajo (simple efecto), permiten aprovechar más calor que si se utilizaran plantas de doble efecto (que consumen la mitad del calor aproximadamente) y esto favorece la instalación de las plantas menos eficientes. Para resolver este problema, algunas Comunidades Autónomas aplican el criterio de utilizar el frío generado en lugar del calor empleado en su producción, lo que equivale a considerar un COP de frío a calor de 1/0,9. Esto crea situaciones discriminatorias, ya que tiene igual consideración un frío de 6ºC para climatización que uno a 40ºC (para túneles de congelación), cuando en realidad ambos requieren energías muy diferentes, tanto en cantidad, como en calidad. Otro criterio podría ser el de la electricidad evitada en un sistema de compresión para producir el mismo frío. Esta electricidad evitada se transformaría en energía primaria a través del rendimiento de referencia (Ref E) de producción de electricidad. Este método debería tener en consideración para cada nivel de frío producido, el COP de la planta de referencia (fundamentalmente de compresión), así como el Ref E que se debería considerar en función del combustible consumido, la edad de la planta, etc. Todo ello, hace que sea complejo de aplicar y, sobre todo, no tiene en consideración que, en lugar de usar energía primaria, (combustible) se utiliza calor a temperaturas relativamente bajas y de difícil valorización en muchos casos. 1

2 2. ES ÚTIL EL CALOR EMPLEADO EN PRODUCIR FRÍO? La Directiva Europea de cogeneración sólo considera como productos de la cogeneración la electricidad producida (E) y el calor útil (V), por lo tanto, debemos preguntarnos: Se puede considerar como útil el calor generado en una planta de cogeneración si se emplea en producir frío por absorción?. La Directiva nos indica que es calor útil aquel que es económicamente justificable (tiene un precio justo) y que de no realizarse con esta planta debería usarse un sistema alternativo, que en el caso de producción de frío sería fundamentalmente el chiller de compresión. Por todo ello, consideramos que el frío producido debería tener un precio igual o menor que el producido en una máquina alternativa de compresión y que el calor a emplear en la producción de frío no debería tener una utilización más eficiente (por ejemplo, producir más electricidad, como en el ciclo combinado). Por todo ello, consideramos que el calor utilizado en la máquina de absorción es útil si permite producir más frío que el que se podría obtener en una máquina de compresión con la electricidad producida a partir del mismo calor. Si el calor es ÚTIL a efectos de la Directiva Europea, la planta de Trigeneración podrá evaluarse como una de cogeneración, considerando la totalidad del calor empleado en producir frío y su evaluación se realizará a través de los Anexos II y III de la Directiva. 3. LA CALIDAD DEL CALOR Y SU UTILIDAD. En la discusión anterior es esencial considerar la calidad del calor utilizado. Efectivamente, el calor o energía térmica tiene diferente calidad según su temperatura. Aunque en la evaluación de las plantas de cogeneración no se considera este concepto es preciso tenerlo en cuenta en el caso de la producción frigorífica. Ello es debido a que si el calor (V) se equiparase a combustible evitado, la electricidad que se podría producir con este combustible permitiría hacer más frío que en una máquina de absorción y sería difícilmente justificable su utilidad. Para determinar los consumos energéticos útiles hemos realizado la tabla I que define la electricidad y el calor necesario (y su temperatura) para producir frío a diferentes niveles frigoríficos. Los datos se han extraído del manual de Borsig para los consumos del compresor en el caso de compresión mecánica y del evaporador en caso de absorción. 2

3 Tabla I. Frío obtenible a diferentes niveles térmicos a partir de electricidad y de energía térmica a diferentes temperaturas. Nivel frío 5-6º C COP compression kwf/kwe 6 5 3,6 2,75 2,71 1,95 COP Absorción con 1 efecto Kwf/kWc 0,65 0,65 0,61 0,54 0,48 0,42 Temperatura mínima de la energía térmica ºC COP Absorción con 2 efectos Kwf/kWc 1, Temperatura mínima de la energía térmica ºC La relación estrictamente energética de electricidad/calor es del orden del 10 en el caso de frío por encima de los cero grados y de casi 5 a niveles de ºC. Por el contrario, si se compraran las calidades de las mismas cantidades de energías (por ejemplo, electricidad y calor a 80º C) la relación podría invertirse. Efectivamente, el calor (p.e. 1 MWh) permite producir más o menos frío en función de su temperatura (de su calidad) y que también, a partir de 1 MWh de calor se puede obtener electricidad a través de un ciclo termodinámico (p.ej. de Rankine) y que la cantidad de electricidad obtenible depende también de la temperatura inicial y final del ciclo. Siguiendo el criterio termodinámico de que la calidad de una energía térmica se mide por su capacidad de convertirse en energía mecánica o eléctrica, hemos establecido la Tabla II que nos indica la electricidad obtenible a través de 1 MWh de energía térmica a diferentes temperaturas (hasta la temperatura de condensación del orden de 40ºC en turbina de vapor de alto rendimiento). Tabla II. Electricidad obtenible a través de 1 MWh de calor. Temperatura del vapor saturado Entalpía kj/kg del vapor Salto entálpico teórico hasta 40ºC (kj/kg) Salto con rendimiento 80% Eficiencia eléctrica % 7,27 10,02 13,33 15,01 17,39 19,51 Electricidad obtenible por MWh inicial, kwh 72,7 100,2 133,3 150,1 173,9 195,3 Es decir, a partir de una misma cantidad de calor (1 MWh) se puede obtener frío por absorción o electricidad, con mayor eficiencia cuando mayor es la temperatura de la energía térmica. 3

4 4. COMPARACIÓN DE FRÍO OBTENIBLE A PARTIR DE CALOR. Si se opta por producir frío a partir de calor en un chiller de absorción que requerirá las temperaturas de la Tabla I se podrá considerar que el calor empleado es calor útil si obtiene la cantidad de frío igual o superior al obtenible con un chiller de compresión con la electricidad de la Tabla II. La Tabla III indica, para cada nivel (y su temperatura) de frío, las cantidades obtenibles de frío por absorción y por compresión con la utilización como energía primaria de 1 MWh térmico a diferentes temperaturas (desde 80º C hasta 180º C). Tabla III. kwh de frío obtenibles por compresión o absorción por MWh de energía eléctrica y térmica. Temperaturas º C del frío ºC del calor ºC Por compresión COP = Por absorción con 1 efecto Por absorción con 2 efectos 160 n.a n.a n.a n.a Por compresión COP=3, Por absorción (Tmín 90) n.a Por compresión COP =2,71-30 n.a Por absorción (Tmín 120) n.a n.a Por compresión COP =1, Por absorción (Tmín 130) n.a n.a n.a Por compresión COP =1, Por absorción (Tmín > 150) n.a n.a n.a n.a CONCLUSIONES. De la tabla anterior se concluye que puede considerarse útil el calor empleado en la generación de frío si se cumplen las siguientes condiciones: En la generación de frío para climatización (5 a 6 ºC): 1.º Todo el calor empleado en máquinas de simple efecto, siempre que dicho calor tenga una temperatura inferior a 120 ºC 2.º Todo el calor empleado en máquinas de doble efecto, siempre que su temperatura sea inferior a 180º C Por lo tanto, no se considerará calor útil el utilizado para producir frío de climatizaciones si su temperatura supera los 120 ºC en máquinas de absorción de simple efecto o de 180 ºC en máquinas de doble efecto. 4

5 En la generación de frío industrial para niveles frigoríficos de hasta 50 ºC 3.º Todo el calor consumido en máquinas de absorción, siempre que su temperatura sea inferior a 180 ºC. Si se cumplen estas condiciones, el calor utilizado en generación de frío, proponemos que sea considerado calor útil y les sean aplicados los Anexos II y III de la Directiva Europea de Cogeneración. Asimismo, proponemos que la legislación Española siga estos mismos criterios en el cálculo del REE. Barcelona, 15 de noviembre de

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