La cogeneración

planta de cogeneración
BY MATTHEW F HILL

Qué es la cogeneración

La cogeneración es un procedimiento por el cual se puede obtener energía eléctrica y térmica de forma simultánea. Eso la hace una alternativa eficiente para el suministro energético en operaciones tales como el soldado.

Comparado con un simple generador de energía mecánica y calor o energía eléctrica, en un generador de cogeneración se consiguen ambas y se usa el calor producido antes de cederlo al medio ambiente. Es similar al MGU-H de un Fórmula 1, o a ciertos sistemas de recuperación de energía como el turbo, etc.

De esa forma, la energía eléctrica generada en el motor se puede aprovechar para alguna aplicación, y el calor generado durante el proceso de generación también se empleará para otras utilidades. En un motor de combustión interna o un generador, simplemente se disipa el calor sin aprovechamiento.

Ventajas e inconvenientes

Entre las ventajas de la cogeneración se encuentran:

  • Ahorro energético, pese a lo que sugieren algunos expertos. Se debe al aumento de rendimiento a aprovechar también el calor disipado para transformarlo en energía.
  • Ahorro económico. Al ser eficiente también implica un ahorro en combustibles, lo que a la larga compensa el coste de estos sistemas de cogeneración.
  • Derivado del primer punto también resulta más respetuoso con el medio ambiente. Si se tiene un sistema más eficiente, se derrocha menos energía y resulta más limpio, y al producir más con menos también se ahorra en combustibles contaminantes y emisiones. Además, se pueden emplear combustibles más eficientes y menos contaminantes, como el gas.
  • Mayor independencia y seguridad de los sistemas de suministro de energía eléctrica. Como generan la propia energía eléctrica, podrán ser más dependientes de las redes y tendido eléctrico, y en caso de que haya un corte de suministro, un microcorte, sobrecargas, y otros problemas técnicos, podrán seguir funcionando.
  • Del punto anterior también se deduce que no se dependerá tanto de las redes del tendido eléctrico, lo que reduce el consumo energético de centrales que probablemente sean de combustibles fósiles o con altas emisiones de CO2. Y por supuesto, al reducir el uso de estas lineas se generan menos caídas o fluctuaciones en el tendido.
  • Al producirse en el mismo sitio donde se va a a consumir la energía, se reduce la carga y los largos tendidos, y eso implica menos pérdidas por Efecto Joule. Así se aumenta la eficiencia aún más.

No obstante, es una tecnología bastante antigua, y se usa desde la primera mitad del siglo XX por muchas empresas para producir su propia electricidad con pequeñas turbinas de vapor o hidráulicas y así autoabastecerse de una forma más fiable que dependiendo de las redes eléctricas y tendidos poco estables de la época. Por eso y por otros motivos, como otros sistemas, suele tener también desventajas de lo contrario sería perfecto, y no es este el caso:

  • Uno de los mayores problemas de esta tecnología es que es costosa y compleja. Por tanto, eso significa una mayor inversión, aunque el ahorro energético tiende a compensar ese gasto inicial a la larga.
  • Los costes de mantenimiento y reparación también podrían ser mayores, debido al punto anterior.
  • Además, producir energía a menor escala, frente a las grandes centrales, resulta más costos en igualdad de condiciones.

Como ves, todo sistema tiene sus ventajas e inconvenientes que se deben evaluar antes de tomar una decisión.

Clasificación

Las centrales de cogeneración se pueden clasificar según varios criterios

Según el motor térmico utilizado

Por lo general, siempre qu se intenta meter a una central de cogeneración dentro de alguna categoría, siempre se toma como referencia el tipo de motor térmico que se usa como fuente de energía.

Turbina de vapor

El motor térmico más empleado para las centrales térmicas suelen ser las turbinas de vapor, es decir, un generador convencional de energía eléctrica que moverá su rotor gracias al impulso que genera la presión del vapor obtenido desde alguna fuente de calor (caldera de carbón, quema de gas o combustibles, biomasa, reactor nuclear,…).

No obstante, este tipo de turbina no es tan frecuente para la cogeneración. Este tipo de turbinas también se pueden usar cuando hay calor residual de otra fuente de producción o motor, aprovechándolo para generar el movimiento de la turbina.

Con este tipo de alternadores, las potencias instaladas son elevadas, de varios MW (Megavatios) y su coste de instalación también va en función de la potencia instalada, aunque es menor en comparación con otros motores alternativos o de ciclo combinado. Por contra tienen que las instalaciones son algo complejas.

Dentro de los generadores por turbina de vapor, se pueden distinguir varios ciclos durante el procedimiento:

  1. Instalaciones de turbina de vapor de contrapresión. El vapor que se produce en una caldera se expansiona en una turbina hasta la presión de trabajo del usuario y el vapor de escape de la turbina es el calor útil del sistema de cogeneración.
  2. Instalaciones de turbina de vapor de condensación con extracción. El vapor se expande en la turbina hasta una presión por debajo de la atmosférica mediante un condensador. Así se aumenta el salto entálpico en la turbina y su potencia.

Turbina de gas

En este tipo de turbinas, en vez de usar vapor de agua como en el caso anterior, se emplea un gas. Normalmente es un gas de escape de turbinas que estaban a mayor termperatura o de motores de combustión. Por hacer una analogía, es como el turbo de los coches o MGU-H de los Fórmula 1, que aprovechan los gases de alta energía de los escapes para mover el turbocompresor antes de dejar que se libere a la atmósfera. Eso no ocurre en los motores atmosféricos, donde una vez se produce la combustión, los gases son liberados sin mayor aprovechamiento…

Ciclo combinado

esquema ciclo combinado de cogeneración

En una central de ciclo combinado se combinan dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema de producción energética. Por un lado se emplea el vapor de agua y por otro el trabajo de un gas producto de la combustión. Por ejemplo, se puede usar una caldera de carbón para calentar agua y generar el vapor a alta presión que mueva la turbina del generador eléctrico y por otro lado el gas de la chimenea producto de la combustión para aprovecharlo en generar más energía.

Eso obtiene una mayor eficiencia y aprovechamiento el combustible primario. Ya que en una central de cogeneración típica se puede aprovechar en torno al 25 o 35% (rendimiento) del combustible quemado (los de gasolina tienen menos eficiencia que los de diésel). El resto se pierde en forma de calor por el rozamiento de las partes y demás pérdidas.

Al cogenerar las cifras se pueden elevar por encima del 50% e incluso llegar a rendimientos del 85%. Eso es mucho, teniendo en cuenta que la máquina perfecta tiene un rendimiento del 100%, pero es algo teórico que no existe en la realidad, toda máquina tiene una pérdida por pequeña que sea.

Por poner un ejemplo más práctico, si te fijas en los motores de gasolina de un F1 de ciclo Otto y atmosféricos, se conseguía un aprovechamiento del 30% en el mejor de los casos. Eso quiere decir que el 70% de la energía de la gasolina se pierde en forma de calor por rozamiento y solo el 30% se transmite en forma de potencia a las tracción para impulsar el coche. Con la llegada del motor híbrido con sistemas como el MGU-H y MGU-K se ha conseguido llegar al 50% de eficiencia mediante motores turbo combinados con eléctricos…

Si los combustibles que se usan en la cogeneración son más eficientes que los tradicionales, como algunos gases, o más respetuosos con el medio, como la biomasa (desechos que de otra manera no tendrían aprovechamiento), se puede generar energía con un impacto ambiental más reducido.

Y obtener un rendimiento mayor quiere decir que tienes un sistema más eficiente, por tanto, produciendo más energía con menos emisiones de CO2, algo que en los tiempos de emergencia climática que corren es vital.

Motor de combustión interna alternativo

Por último, dentro de los tipos según el tipo de motor, también tienes los típicos motores de combustión interna alternativos, como los de los coches o motos. Se denominan así porque emplean un combustible líquido que se inyecta en sus cilindros para generar una explosión o combustión interna que generará un movimiento alternativo de un pistón que irá unido a un cigüeñal para transformar dicho movimiento alternativo a rotatorio a través de un eje.

Estos motores pueden ser de diversos tipos, como los de ciclo Otto (gasolina), o los de ciclo Diesel (gasoil). Usen el combustible que usen, y tengan el tipo de ángulo de bancada que tengan, el movimiento siempre será alternativo. Eso los diferencia de los rotativos, como los reactores de los aviones, o los motores Wankel.

Según la secuencia de generación y consumo

Atendiendo a la secuencia de generación y consumo de energía, se tienen:

  • Sistemas de cabecera o topping: son aquellos ciclos en los que un motor de combustión interna será el que aporta la energía al sistema de cogeneración para obtener el calor y la electricidad usados por el usuario. Es decir, es el sistema convencional.
  • Sistemas de cola o bottoming: se usa el calor o combustible residual para obtener el calor útil y electricidad, es decir, es una especie de sistema de recuperación de energía. Así se consigue generar la energía mediante los residuos que en cualquier otro motor se desperdiciaría.

Según la conexión del alternador

Según la conexión del alternador se pueden tener:

  • Sistemas aislados o en isla: el sistema de cogeneración no estará conectado a la red eléctrica pública, sino que debe tener su propio regulador de potencia generada y de frecuencia para la energía eléctrica producida. Esto es como un generador aislado.
  • Sistemas integrados o interconectados: el sistema de cogeneración tiene conexión en paralelo a la red eléctrica pública, por lo que el usuario podrá obtener tanto suministro de la red como del generador. Eso agrega una doble seguridad para garantizar el suministro en caso de que uno de los dos sistemas falle.

Planta de cogeneración

Una planta de cogeneración, ahora que ya has podido comprobar los tipos de motores y sistemas de funcionamiento, constará de los siguientes elementos básicos para su funcionamiento:

  • Fuente de energía primaria: eso es el combustible primario, como fuel, gasóleo, gas natural, biomasa, carbón, etc.
  • Motor o caldera: en caso de ser un combustible fósil se necesita un motor donde realizar la combustión. Pueden ser alternativos. Y si se usa gas, carbón o biomasa, una caldera donde se quema el combustible empleado.
  • Turbina o generador (sistema de aprovechamiento de energía mecánica): la energía obtenida en el elemento anterior debe se trasmitida desde un eje a una turbina o mediante un gas que circule por unas tuberías y mueva las paletas en forma de noria del generador o turbina. Con el movimiento generado se obtiene la energía eléctrica en el alternador o bobinado de la turbina o generador.
  • Sistema de aprovechamiento de calor: se puede canalizar los gases de la combustión de los escapes o los de la caldera mediante intercambiadores de calor haciéndolos pasar por un serpentín que pueda calentar agua u otro gas para conseguir nuevamente aprovechar esa fuerza mecánica en un nuevo ciclo para generar energía eléctrica en otras turbinas secundarias.
  • Sistema de refrigeración: los intercambiadores o sistemas de aprovechamiento de calor pueden servir a su vez de refrigeradores para el motor. No obstante, puede haber otros sistemas como torres de refrigeración para enfriar aún más el gas o vapor antes de liberarlo a la atmósfera.
  • Sistemas auxiliares: puede haber otros sistemas auxiliares en una planta o central de cogeneración, como sistemas de tratamiento del agua, control de presión para el vapor, etc. Normalmente controlados mediante sistemas informáticos con un software específico para automatizar la tarea.
  • Suministro eléctrico: por último, la energía eléctrica producida irá directa al usuario o consumidor. Puede que tenga que pasar por una fuente de alimentación para tratarla o por un transformador para adaptar el voltaje. Si no existe un consumidor, podría haber un sistema de almacenamiento, como una gran batería.

Así es como funciona una central de cogeneración desde el inicio hasta que se consigue la energía eléctrica, pasando por todas esas etapas.

La cogeneración en España

la cogeneración en españa un proceso industrial

La cogeneración es bastante usada en la Unión Europea, y por tanto, también en España se ha fomentado este tipo de plantas generadoras de energía de alta eficiencia. Se han implantado planes para ir aumentando poco a poco este tipo de plantas para que lleguen casi al 20% de la producción eléctrica nacional en 2020.

Es una buena forma de generar electricidad efectiva y sostenible dentro de países que aún tienen una gran dependencia de combustibles fósiles y no tienen tantas centrales nucleares o renovables. Producir energía así, no solo es bueno para el medio ambiente, también será energía barata para reducir los costes de producción y el precio energético final.

Además, si se sitúan estas plantas cerca de los grandes núcleos industriales o urbanos donde se consume la energía, se evitan las grandes pérdidas por Efecto Joule de las largas líneas de tendido eléctrico, y eso que en la AC es un efecto mucho menor que en la DC. Y si se suministra a más corta distancia también se reducen los posibles cortes en el suministro o apagones causados por problemas en el tendido eléctrico, o red, debido a factores meteorológicos y de otros tipos.

Todo eso aporta al tejido industrial español más ventajas que lo hacen ser más competitivo a nivel internacional. De los 353MW de cogeneración producidos en 1990 hemos pasado en diez años (2000) a casi 5000MW y en 2008 hasta superar los 6000MW, pero la retirada de algunas plantas que han llegado al fin de su vida o estaban pendientes de renovación han conseguido que esa cifra haya caído a unos 4500MW en la actualidad.

No obstante, aún hay mucho por hacer, ya que se ha dado un paso por no es suficiente… Y eso que en Europa ronda los 125.000MW actuales a partir de cogeneración, frente a los 82.400MW de Estados Unidos. Los países a la cabeza de la UE son Alemania, con 37.000MW, seguidos de Italia, Holanda, Polonia, Filandia y España.

Cogeneración de alta eficiencia

Ten en cuenta que la cogeneración hace que el precio del MWh (Megavatio por hora) sea entre 5.5 y 8€ menor que usando otras fuentes de producción. Y esas fluctuaciones se deben a la eficiencia de la planta de cogeneración. Si tienes una de mayor eficiencia, el ahorro será mayor y las emisiones menores.

Para conseguir una alta eficiencia en la cogeneración se emplean ciclos combinados en vez de separados, como ya has podido leer en apartados anteriores. De esa forma, se consigue extraer mayor rendimiento del combustible primario usado.

Cogeneración y residuos

cenizas. Residuos de la cogeneración

La cogeneración de alta eficiencia también reducirá las emisiones de CO2 y los residuos producidos en igualdad de condiciones comparado con las centrales térmicas que usan combustibles fósiles. Además, si en vez de combustibles tradicionales se emplea biomasa, también se está contribuyendo a destruir residuos de otras industrias (pieles, cáscaras o huesos de la industria alimentaria, residuos sólidos secos de depuradoras de agua, etc.).

En cuanto a los residuos de la propia planta cogeneradora, suelen ser similares a cualquier otra planta térmica, aunque en menor proporción por cada MW producido. Estos residuos pasan por cenizas de la combustión y gases. Incluso algunas cenizas se pueden reutilizar para otras industrias. Por ejemplo, algunos cementos ecológicos pueden usar cenizas de otras industrias como materia prima.

Cogeneración con biomasa

cogeneración y biomasa, un combsutible y reciclaje

La biomasa es un tipo de combustible que cada vez se emplea más para centrales térmicas. Es materia que se acumula por la actividad humana o desechos de industrias que pueden aprovecharse para obtener energía cuando antes simplemente se desechaba en vertederos. Esos desechos se pueden quemar directamente para obtener una fuente de calor y generar energía o ser transformados en combustible mediante ciertos procedimientos para usar igualmente para su quema y posterior producción de energía.

Ejemplos de biomasa son:

  • Restos de podas de árboles y plantas, hojas secas, rastrojos, etc.
  • Biomasa residual o subproductos de la industria, como el alpechín derivado de la obtención
  • de aceite, cáscaras de frutas y frutos secos pelados en las fabricas, restos de carpinterías y aserraderos, restos de fábricas de papel, muebles, etc.
  • Restos sólidos como resultado de la depuración de las aguas residuales. Incluso los gases de la fermentación de la fermentación de los desechos de depuradoras o los excrementos de la ganadería pueden producir gases como el metano.
  • Reciclado de aceites.
  • Cultivos especialmente recolectados para obtener biocombustibles (cereales y semillas), como el biodiesel, bioetanol, etc.

Excepto en el último caso, en todos los anteriores no se necesita producir un combustible concreto, simplemente aprovechar subproductos que de otra manera terminarían tirados, y muy probablemente contaminando.

Cogeneración con gas natural

turbina de gas para cogeneración

En vez de usar otros combustibles fósiles o biomasa, la cogeneración también se puede hacer mediante gas natural como combustible. La Unión Europea tiene como objetivo reducir los gases de efecto invernadero (GEI) entre un 80% y un 95% en 2050 con respecto a 1990, y para ello está explorando muchas alternativa, entre ellas el gas natural.

Un primer paso es elevar las renovables hasta el 27% de la producción en el territorio de la CE para reducir un 40% en la reducción de los GEI en 2030. Y eso implica también sustituir otros combustibles por gas natural debido a:

  • Emite menos CO2 que otros combustibles, por lo que ayuda a reducir el efecto invernadero, y mejora la calidad del aire.
  • No emite partículas en su combustión.
  • Reduce las emisiones de monóxido de carbono en un 80%.
  • El ahorro económico sería también un factor clave, ya que reduciría el coste en un 50% frente a la gasolina y un 30% frente al diésel.
  • La combustión de gas emite menor contaminación acústica que otros motores de combustión interna alternativos.

Para que te hagas una idea, usar gas natural solo por las redes de Nedgia Cegas permitió emitir 1.800.000 toneladas de CO2 menos.

Cogeneración ciclo combinado

Ya has podido estudiar lo que es el ciclo combinado, que hace a la cogeneración aún más eficiente y se obtiene un mayor rendimiento del combustible principal. Como ya comenté, eso permite reducir también las emisiones y obtener más energía de forma más barata. Y todo gracias a usar ciclos combinados para un mejor aprovechamiento del calor.

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