COGENERACIÓN MICRO-COGENERACIÓN Y TRIGENERACIÓN

Índice Qué es la Cogeneración? Objetivos y ventajas de la Cogeneración Sistemas de Cogeneración - Plantas con motores alternativos - Plantas con turbinas de vapor - Plantas con turbinas de gas Micro-cogeneración Unidades de Micro-cogeneración - Motor de explosión - Micro-turbinas - Motor Stirling - Pila de combustible Qué es la Trigeneración? Esquemas de Trigeneración Conclusión 5 7 9 9 11 13 15 19 19 21 23 25 27 29 31 3

Cogeneración Qué es la Cogeneración? La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil (vapor, agua caliente sanitaria, hielo, agua fría, aire frío, por ejemplo). La gran ventaja de la cogeneración es la eficiencia energética que se puede obtener, entendiendo por tal la energía útil que se obtiene sobre la energía química primaria teórica del combustible utilizado. Al generar electricidad mediante una dinamo o alternador, movidos por un motor térmico o una turbina, el aprovechamiento de la energía química del combustible es del 25% al 40% solamente, y el resto debe disiparse en forma de calor. Con la cogeneración se aprovecha una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía en la atmósfera. Mediante la cogeneración se obtiene energía eléctrica y energía térmica Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares en los que el calor puede emplearse para calefacción, para refrigeración (mediante sistemas de absorción) y preparación de agua caliente sanitaria como por ejemplo grandes superficies de ventas, ciudades universitarias, hospitales, etc. El aprovechamiento del calor residual que en otro tipo de instalaciones sólo se emplea parcialmente, hace que el rendimiento de las instalaciones de cogeneración sea notablemente superior; razón por la que actualmente se están fomentando este tipo de instalaciones. 5

Objetivos y ventajas Objetivos La reducción de los costos de operación a través de una mejor transformación y uso de los materiales energéticos primarios, utilizando sistemas con diseños eficientes, económicos y que al mismo tiempo garanticen la continuidad y calidad en los servicios eléctrico y térmico. Ventajas Las ventajas de la cogeneración son las siguientes: Alta eficacia, lo que significa menor consumo de combustible y menores emisiones de CO2 o de otro tipo y por ende, una contribución al desarrollo sostenible. Significa menos pérdidas en la red eléctrica, debido a que las instalaciones suelen estar más cerca del punto de consumo, facilitando así una generación mas distribuida. Significa menos pérdidas en la red eléctrica y menor consumo de combustible Mayor competencia entre productores de electricidad, debido a que la tecnología de la cogeneración permite que entren en el mercado nuevos competidores. Oportunidades de creación de nuevas empresas. Fundamentalmente PYME, empresas en colaboración y otras fórmulas de cooperación entre partes interesadas.(de la industria, la electricidad, la tecnología) 7

8 Motor alternativo

Sistemas de cogeneración Plantas con motores alternativos Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto. 9

10 Turbina de Vapor

Sistemas de cogeneración Plantas con turbinas de vapor En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera convencional. El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su aplicación ha quedado prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se incineran. La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se denomina " Ciclo Combinado". 11

12 Turbina de Gas

Sistemas de cogeneración Plantas con turbinas de gas En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en un generador de recuperación. 13

Micro-cogeneración Micro-cogeneración La cogeneración ha sido aplicada con éxito en medias (>100 kwe) y grandes potencias (> 1.000 kwe). La tecnología permite ahora ofrecer soluciones a los pequeños consumidores (<100 kwe), lo que abre interesantes oportunidades en los sectores terciario y residencial. Qué necesitan los pequeños consumidores? Facilidad de integración: adaptación al edificio y a sus instalaciones. Facilidad de uso: sencillez en operación, gestión y mantenimiento. Seguridad: combustible, emisiones, electricidad. Fiabilidad: operación libre de incidencias y duradera. Rentabilidad razonable, pero garantizada y fácil de obtener. 15

Micro-cogeneración Características generales Equipos de pequeña potencia que integran: planta de potencia + generador eléctrico + sistema de recuperación de calor residual. Proporcionan electricidad en paralelo con la red o en isla y también proporcionan calor en forma de agua caliente (tsalida=50-95ºc). Suelen presentarse en un encapsulado preparado para absorber los ruidos y las vibraciones producidas. Incorporan un sistema de supervisión y control electrónico que garantiza una operación segura, fiable y eficiente sin intervención del usuario. Tecnologías: * Motor de explosión (motor alternativo de combustión interna, MCIA). * Micro-turbinas * Motor Stirling * Pila de combustible Se presentan en un encapsulado preparado para absorber los ruidos * Turbinas de vapor 17

Unidades de Micro-cogeneración Motores de explosión Motor de Combustión Interna, Alternativo (MCIA), de ciclo Otto (gas) o Diesel (gasoil - biodiesel). Origen: * Motores de automoción * Motores industriales / marinos * Desarrollos ad hoc Generadores AC síncronos / asíncronos. Recuperación de calor (tip. 70-90ºC): * Agua refrigeración * Gases escape * Generador * Aceite lubricante Potencias desde 5 kwe. Amplia gama. Rendimientos globales entre el 85 y el 95% (27-33% eléctrico y resto térmico). Pueden integrar catalizador 3 vías / FAP. Motor de combustión interna, alternativo, de ciclo Otto o diesel 19

Unidades de Micro-cogeneración Microturbinas Microturbinas derivadas de generadores auxiliares de aviación. Modificadas para maximizar trabajo en el eje: * Etapas turbina * Recuperador de calor Combustibles: GN, propano, biogas, gas residual, gasoil, jet fuel. Generadores AC + electrónica potencia. Refrigeración por aire. Recuperación de calor de los gases de escape (hasta 300ºC), incorporada o externa. Potencias desde 30 kwe. Rendimiento eléctrico 27%. Rendimiento global dependiente de T de recuperación de calor. Bajas emisiones de NOx. Microturbinas derivadas de generadores auxiliares de aviación 21

22 Motores Stirling

Unidades de Micro-cogeneración Motores Stirling Motor alternativo de Combustión Externa. Adaptable a cualquier combustible o fuente de calor de alta temperatura. El fluido de trabajo es un gas que efectúa un ciclo Stirling (es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento). Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante) Existen distintas configuraciones y disposiciones constructivas. Silenciosos y fiables. Motor alternativo de Combustión Externa. Adaptable a cualquier combustible 23

Unidades de Micro-cogeneración Pilas de combustibles Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía, está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno. Conversión electroquímica directa: Einterna -> Electricidad Alta eficiencia teórica y emisiones potencialmente nulas. El proceso es exotérmico y necesita refrigeración: es posible cogenerar. Requiere H2 que debe ser producido interna o externamente. Tecnologías consideradas para micro-cogeneración: PEMFC - SOFC Dispositivo electroquímico de conversión de energía 25

Trigeneración Qué es la Trigeneración? Procedimiento similar a la cogeneración en el que se produce frío, además de energía eléctrica y calor, típicos de la cogeneración. La combinación de la cogeneración con la absorción da lugar a la trigeneración. La absorción es un proceso por el que se puede obtener frío a partir de una fuente de calor. El calor residual que se obtiene, es la suma del producido por la generación de electricidad, más el sustraído del proceso de refrigeración. Con lo que se consigue más cantidad de calor aunque a menor temperatura. En la época estival, la demanda de calor baja considerablemente, por lo que el calor producido en los equipos de cogeneración puede aprovecharse para generar frío para el aira acondicionado necesario en esta época. De esta forma se consigue a partir de una energía primaria (gas natural) tres tipos de energía, junto con un importante ahorro económico y una buena alternativa para el medio ambiente. Combinando la cogeneración con la absorción da lugar a la trigeneración 27

Trigeneración Consiste en la combinación de la Energía Solar Fotovoltaica, Solar Térmica y otros tipos de energía para generar entornos autoabastecidos en cuanto a Agua Caliente Sanitaria (ACS), Climatización (Frío/Calor) y electricidad para su consumo en general. 28

Trigeneración Esquemas de Trigeneración En el siguiente esquema se muestra el principio de la trigeneración, se observa que la refrigeración puede obtenerse de dos maneras distintas: a través de un sistema de absorción (Fig. 1a), el cual requiere de una fuente externa de calor para producir las bajas temperaturas, o a través de un sistema de compresión de vapor (Fig. 1b), el cual requiere de energía eléctrica para el mismo fin. Figura 1 Figura 2 29

Conclusiones Conclusiones La Cogeneración supone la producción simultánea de energía mecánica y de energía térmica, partiendo de una fuente primaria de energía. La Cogeneración no disminuye la demanda de energía directa de un proceso, sino la cantidad de energía primaria para satisfacerla, por su elevado rendimiento energético global. La Cogeneración modifica la estructura de costes energéticos del proceso productivo. Ventajas para el cogenerador: * Elevado rendimiento energético global (70% - 90%). * Reporta beneficios económicos por reducción de factura energética, y aporta ingresos adicionales, por venta de excedentes eléctricos. * Incrementa la competitividad. Menor coste específico por unidad de producto. La Cogeneración modifica la estructura de costes energéticos * Independencia total o parcial del suministro eléctrico exterior. Garantía de suministro y Fiabilidad del sistema. * Posibilidad de empleo de combustibles residuales o energías alternativas. * Aporta beneficios financieros y fiscales. Altas rentabilidades. 31

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