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Cogeneración

Cogeneración

La cogeneración es el proceso de producción simultánea de energía mecánica (por lo general transformado en energía eléctrica) y calor. El calor se puede utilizar para calentar edificios y / o para procesos industriales de producción.

El espectro del rendimiento eléctrico y térmico con respecto a las plantas de cogeneración varía de unos pocos a cientos de kilovatios. Desde el año 2000 más o menos están disponibles para cada vez más en el mercado de la planta del tamaño de una lavadora, los llamados mini y micro centrales eléctricas con producción combinada de las viviendas unifamiliares, pequeñas empresas y hoteles. En 2009, VW lanzó un proyecto que prevé la instalación de 100.000 pequeñas plantas de cogeneración, con un rendimiento total de alrededor de 2 GW.

Por lo general, una planta de cogeneración se compone de:

  • Primer motor;
  • Generador electrico;
  • Sistema de motor;
  • Unidades de recuperación de calor;

Si se dividieran por motores principales, podríamos distinguir:

  • Plantas de turbogas;
  • Plantas de turbo vapor;
  • Motores alternativos a combustión interna.

Ejemplo de cogeneración

La operación de un automóvil da un ejemplo : la potencia tomada del cigüeñal se usa para la tracción y la producción de electricidad, el calor que se sustrae de los cilindros para calentar el habitáculo y la presión de los gases de escape para mover el cigüeñal. turbina de sobrealimentación. El calor y la presión explotación no implica un aumento en el consumo, ya que son restos de del proceso de conversión de energía química a energía mecánica aplicada por el motor.

Su explotación permite transformar la energía primaria introducida (el combustible suministra energía química) en diferentes formas de energía secundaria producida (movimiento, calor). Un sistema que opera de cogeneración se dice co-generador.

Usos CHP

L ' energía térmica se puede utilizar para uso industrial o medioambiental acondicionado (calefacción, refrigeración).

La cogeneración se lleva a cabo en plantas termoeléctricas particulares, donde se recupera agua caliente o vapor y / o humos de proceso, producidos por un motor primario alimentado por combustible fósil (gas natural, aceite combustible, etc.) o combustibles no orgánicos. fósiles (biomasa, biogás, gas de síntesis u otro): esto genera un ahorro energético significativo en comparación con la producción separada de electricidad (a través de la generación en la central eléctrica) y energía térmica (a través de la central térmica tradicional).

 

Un campo particular de los sistemas de cogeneración es el de la trigeneración.

Definición de la eficiencia

La eficiencia se puede expresar de diferentes maneras, que no siempre conducen a una comparación correcta entre las diversas plantas. A continuación, se ilustran las definiciones adoptadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA).

La eficiencia de un proceso simple es la relación entre la energía conservada, al final del proceso, y la energía de entrada.

Dado que los sistemas de cogeneración producen electricidad y calor, su eficiencia total viene dada por la suma de la eficiencia eléctrica y la eficiencia térmica. Por ejemplo, una planta que usa 100 MWh de metano para producir 40 MWh eléctricos y 40 MWh térmicos tiene una eficiencia eléctrica y térmica del 40% y una eficiencia general del 80%.

La EPA utiliza preferiblemente otra definición de eficiencia conocida como "eficiencia del combustible", la relación entre la producción eléctrica neta y el consumo neto de combustible (que no tiene en cuenta el combustible utilizado para producir energía térmica utilizable, calculada suponiendo una eficiencia específica de la caldera del 80%). El recíproco de esta relación es la cantidad neta de calor.

También hay otros índices de evaluación del desempeño de una planta de cogeneración: el primero es el llamado IRE, índice de ahorro de energía. Este índice se define como la relación entre la diferencia de potencias absorbidas por las plantas individuales para la producción de electricidad y energía térmica por separado, menos la absorbida por la planta de cogeneración, dada la potencia absorbida por las plantas separadas siendo esta potencia evaluada en términos de combustible en igual potencia eléctrica y térmica producida por las plantas respectivas. Este índice da la idea de cuánta energía se puede ahorrar con estos sistemas; Es posible, mediante cálculos analíticos simples, demostrar que este índice depende de los rendimientos de referencia de las plantas individuales definidas como las relaciones respectivas entre la potencia eléctrica en la potencia absorbida y la potencia térmica en la potencia absorbida.

Otros índices importantes son el índice eléctrico definido como la relación entre la energía eléctrica suministrada y la energía térmica producida por la misma planta de cogeneración, el coeficiente de utilización previsto como la suma de las relaciones entre la energía eléctrica y la energía absorbida y la energía térmica y que introducido.

Sin embargo, todos estos coeficientes se relacionan con un instante específico al intervenir en sus poderes, y por esta razón estos índices son útiles para determinar los valores de placa del sistema, es decir, los valores máximos de rendimiento del sistema.

Muy a menudo es conveniente referirse a un período de tiempo finito y evaluar los índices en ese período: esto es equivalente a evaluar los índices en términos de relaciones de energía en lugar de potencias, estas evaluaciones son importantes porque le permiten establecer dónde es más conveniente llevar a cabo un proyecto determinado Planta de cogeneración, según el consumo energético que se obtiene en estas zonas.

Finalmente, el índice de ahorro económico que se define como la relación entre los costos que se obtendrían al comprar energía del exterior menos los costos que tiene al comprar combustible para alimentar la planta de cogeneración que desea construir y que produce una cantidad igual de energía que desea comprar, fracción del costo de la energía que desea comprar. Este índice permite evaluar la conveniencia económica que conlleva dicho proyecto, por supuesto, una evaluación económica correcta y completa implica un cálculo de gastos para el mantenimiento de la planta y las inversiones relacionadas.

La eficiencia energética de la cogeneración

La cogeneración es una tecnología que le permite aumentar la eficiencia energética general de un sistema de conversión de energía. Pero para explicar por qué, necesitamos analizar los retornos.

El coeficiente de eficiencia es característico para cada tipo de motor y representa la relación entre el rendimiento energético resultante y el combustible introducido. En el motor de un automóvil, indica la relación entre los kilómetros recorridos y la cantidad de hidrocarburos introducidos; En motores grandes para la producción de electricidad, el coeficiente indica la relación entre kilovatios-hora producidos y el combustible consumido.

Estas relaciones son características para cada tipo de motor. Por ejemplo, los motores de automóviles a gasolina tienen rendimientos que oscilan entre 20 y 30 por ciento; automóviles con motores diésel entre 25 y 35 por ciento, el resto se convierte en calor residual.

Los motores grandes tienen una mayor eficiencia y, aunque se generalizan mucho, se puede decir que para los motores termoeléctricos, el coeficiente de eficiencia es bastante alto y puede alcanzar el 55%. Pero el mismo motor cuando se produce en cogeneración tiene coeficientes que alcanzan el 85%, porque el valor calorífico del combustible se utiliza mejor, con una optimización efectiva del proceso.

Por supuesto, las inversiones para adaptar los motores de una central termoeléctrica a la cogeneración son considerables, pero si es posible crear una red de calefacción urbana, los resultados son siempre ventajosos. De hecho, debe considerarse el período de uso de estas máquinas, que alcanza incluso 30-40 años.

Tipos de plantas de cogeneración

La central termoeléctrica de cogeneración de Ferrera Erbognone (PV)

El ejemplo más común de una planta de cogeneración es la construida con turbina de gas / motor alternativo y caldera de recuperación. Los humos de la turbina de gas o del motor alternativo se transportan a través de un conducto de humo a la caldera de recuperación. La recuperación puede ser simple, si no hay postquemador, o recuperación con postcombustión de lo contrario. Los humos en la caldera permiten producir agua caliente, vapor saturado o vapor sobrecalentado. Por lo general, el agua caliente se usa para calefacción, vapor saturado para usuarios industriales y vapor sobrecalentado para turbinas de vapor y usuarios.

Finalmente, la electricidad se obtiene a través del alternador acoplado a la turbina de gas y posiblemente a través del alternador acoplado al turbo vapor, y la producción de energía térmica en forma de vapor, que luego es explotada por los usuarios conectados.

En presencia de vapor turbo, se obtiene un ciclo combinado en el que la dispersión de energía es mínima y consiste principalmente en el calor introducido en la atmósfera por los humos que salen de la caldera de recuperación.

En cuanto al fluido en evolución, este suele ser el agua que, en muchos casos, alcanza el estado de vapor sobrecalentado, pero en otros puede alcanzar temperaturas que no son lo suficientemente altas. Por esta razón, necesitará intercambiadores de calor intermedios para aumentar la temperatura.

Más raramente, el fluido en evolución es aire, que sin embargo tiene el defecto de tener un coeficiente de transferencia de calor convectivo demasiado bajo y, por lo tanto, se requieren superficies de intercambio de calor mucho más altas.

En cuanto a los motores de combustión interna, generalmente solo el 33% de la energía total disponible se transforma en energía mecánica, el resto se pierde en parte debido a la irreversibilidad presente en el motor igual a otro 33% de la energía total y finalmente el último 33% se emite al ambiente externo en forma de energía térmica que finalmente se pierde.

Para recuperar este calor perdido, se utilizan diferentes intercambiadores de calor: un primer intercambiador que permite el enfriamiento del aceite lubricante, está disponible a baja temperatura (no superior a 80 ° C), otro intercambiador para enfriar el agua destinada a refrigere el motor en sí, y finalmente un último intercambiador ubicado en el escape del motor que permita elevar considerablemente la temperatura del fluido de intercambio de calor, generalmente, como se ha dicho, agua, que para este intercambio de calor adicional puede alcanzar el estado de vapor sobrecalentado. A través de estas plantas es posible producir electricidad y calor. Excepto por el costo de los intercambiadores. esto no constituye una complicación excesiva del sistema porque tales motores deben funcionar en cualquier caso con un sistema de enfriamiento, de lo contrario existe el riesgo de sobrecalentamiento del motor.

Finalmente, los fluidos evolutivos particularmente utilizados son los aceites diatérmicos derivados del petróleo, que tienen la característica de permanecer líquidos a presión atmosférica hasta temperaturas de 300 ° C, y tienen un punto de solidificación mucho más bajo que el agua, lo que evita que se congelen. en las tuberías

Pequeña cogeneración (y microcogeneración)

La cogeneración con energía eléctrica de menos de 1 MW se define como cogeneración a pequeña escala, una con una potencia de menos de 50 kW micro-cogeneración, y se lleva a cabo por motores alternativos, de combustión interna, turbinas de micro de gas o motores de ciclo Stirling. La principal diferencia entre la pequeña cogeneración y la microcogeneración consiste en el hecho de que en la pequeña cogeneración la energía térmica es un producto secundario, mientras que la microcogeneración se dirige principalmente a la producción de calor y secundariamente de electricidad.

Las ventajas de la pequeña cogeneración

En pocas palabras, las ventajas de la pequeña cogeneración son:

  • Uso de energía térmica no utilizada, con el consiguiente ahorro de combustible.
  • Menos contaminación del aire.
  • Cadena de distribución eléctrica significativamente más corta, con una reducción neta en las pérdidas de línea
  • Reducción de infraestructura (centrales eléctricas y líneas eléctricas)

La trigeneración

La trigeneración implica la producción simultánea de energía mecánica (electricidad), calor y frío utilizando un solo combustible, de hecho, una planta de trigeneración es "capaz de producir electricidad, calor y enfriamiento de forma combinada... garantizando una reducción significativa en uso de combustibles fósiles y emisiones equivalentes de CO2". Esto se logra porque las centrales térmicas tradicionales convierten solo 1/3 de la energía del combustible en electricidad, mientras que el resto se pierde en forma de calor.. Sigue la necesidad de aumentar la eficiencia de la producción de electricidad. Un método que va en esta dirección es la producción combinada de calor y electricidad (también conocido con el acrónimo inglés CHP, de calor y energía combinados) donde más de 4/5 de la energía del combustible se convierte en energía utilizable, con beneficios tanto financiera como económica.

Los sistemas de trigeneración

Los sistemas de co-trigeneración pueden estudiarse y producirse para trabajar con cualquier fuente primaria de calor. Estos sistemas son técnicamente maduros y económicamente convenientes hoy para ser ampliamente adoptados, entre las muchas configuraciones posibles que mencionamos:

  • sistemas de cogeneración con combustibles fósiles;
  • sistemas de trigeneración con combustibles fósiles;
  • cotigenación con sistemas termosolares;
  • cotigenación con biogás;
  • sistemas híbridos de cogeneración y trigeneración.

Calor combinado con pilas de combustible

Actualmente es posible producir hidrógeno gaseoso desde el metano a la red pública o de biogás (después de la desulfuración, porque los H 2 "venenos" S las membranas de intercambio de protones) con un proceso de reforma que emplea vapor de agua. El hidrógeno se hace reaccionar con oxígeno atmosférico en una membrana de intercambio de protones para producir corriente eléctrica directa. El calor se puede recuperar para calefacción de espacios, agua corriente, desinfección por chorro de vapor, etc.

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Última revisión: 10 de enero de 2020

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