La mayor parte de la energía consumida por los edificios se produce en forma de electricidad y calor. Normalmente estos insumos se producen de forma independiente, lo que resulta en una eficiencia del 45-55% según el Departamento de Energía de EE.UU. Sin embargo, cuando el calor y la electricidad se producen a partir del mismo insumo, la eficiencia aumenta hasta el 65-85%. Este concepto se denomina combinación de calor y energía (CHP) o cogeneración.
Como todos los demás sistemas de generación y calefacción, las instalaciones de cogeneración pueden diseñarse para una amplia gama de cargas según las necesidades del edificio. Este artículo describe los principales beneficios de CHP, así como las principales configuraciones del sistema disponibles.
Calor y electricidad combinados: ¿cuándo será viable?
Como se describió anteriormente, los sistemas CHP funcionan de manera más eficiente que los equipos de generación y calefacción separados, lo que reduce los gastos de energía del edificio. Sin embargo, la cogeneración no es rentable si sólo requiere uno de los productos; la mayor eficiencia sólo se puede lograr utilizando ambos.
Un sistema CHP también hace que la instalación dependa menos de la red eléctrica y al mismo tiempo elimina las pérdidas de transmisión y distribución. También puede esperar gastos de electricidad más predecibles, ya que el impacto de los cambios en los precios de los kWh se reduce o se elimina por completo.
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Cuando los grandes consumidores de energía implementan la cogeneración, también hay un beneficio para los operadores de redes energéticas: la red se descongestiona. Esto ayuda a la empresa de servicios públicos a brindar un mejor servicio a otros clientes que no generan su propia electricidad, al tiempo que retrasa costosas actualizaciones de la infraestructura de transmisión y distribución.
Los sistemas CHP también se pueden combinar con un enfriador de absorción, un tipo especial de enfriador que funciona con entrada de calor en lugar de un compresor eléctrico. En este caso tienes un sistema de trigeneración, que añade refrigeración a la cogeneración. Los enfriadores de absorción tienen aplicaciones en refrigeración de espacios, refrigeración de procesos industriales y refrigeración.
Configuración del sistema de cogeneración
CHP es un concepto general y existen muchas configuraciones de sistemas viables. Todos tienen el objetivo común de proporcionar calor y energía eléctrica, pero los equipos utilizados varían significativamente. La mayoría de los sistemas CHP utilizan uno de los siguientes tipos de equipos:
- Motores alternativos
- turbinas de gas
- turbinas de vapor
- Microturbinas
- celdas de combustible
Según el Departamento de Energía de EE. UU., los motores alternativos son la configuración de sistema CHP más común y se encuentran en más del 50% de los diseños. Sin embargo, las turbinas de gas ganan en capacidad instalada, representando más del 60%.
Motores alternativos
Rango de capacidad típico: 10 kW a 10 MW
Eficiencia únicamente eléctrica: 30-42%
Eficiencia de cogeneración: 77-83%
Los motores alternativos se basan en el mismo principio que los motores de los automóviles, pero se utilizan a mayor escala. La rotación del eje se consigue con una serie de pistones que siguen un movimiento de cuatro tiempos: admisión, compresión, potencia y escape.
Cuando un motor alternativo genera electricidad, el calor se puede recuperar de tres fuentes: directamente del escape del motor, agua de refrigeración o aceite lubricante. Los motores ofrecen un funcionamiento flexible, ya que pueden funcionar con carga parcial sin una caída significativa de la eficiencia.
Como tecnología, los motores alternativos están muy maduros y su cadena de suministro está bien establecida. A nivel mundial, cada año se fabrican y despliegan más de 200 millones de unidades.
Turbinas de gas
Rango de capacidad típico: 1 a 300 MW
Eficiencia únicamente eléctrica: 24-36%
Eficiencia de cogeneración: 65-71%
Las turbinas de gas se vuelven viables para aplicaciones de cogeneración cuando el proyecto es lo suficientemente grande como para justificar unos pocos megavatios de capacidad. Son particularmente útiles cuando los procesos industriales requieren grandes cantidades de calor, ya que el escape a alta temperatura de la turbina se puede aprovechar directamente. Idealmente, debería haber una demanda constante de calor y electricidad, ya que la eficiencia de una turbina de gas disminuye drásticamente en condiciones de carga parcial.
Aunque las turbinas de gas normalmente se asocian con la generación de electricidad, también se utilizan para propulsar vehículos y equipos como compresores y bombas.
turbinas de vapor
Rango de capacidad típico: 100 kW a 250 MW
Eficiencia únicamente eléctrica: 5-7%
Eficiencia de cogeneración: 80%
Las turbinas de vapor son las más adecuadas para aplicaciones de cogeneración donde la carga de calefacción es significativamente mayor que la carga eléctrica. A diferencia de los motores alternativos y las turbinas de gas, las turbinas de vapor no están expuestas directamente a la combustión del combustible: ocurre por separado en una caldera.
Los sistemas de cogeneración con turbinas de vapor se utilizan habitualmente cuando existe una fuente de combustible barato, como astillas de madera y otras formas de biomasa. Estas turbinas no sufren una pérdida drástica de eficiencia con carga parcial, lo que ofrece un funcionamiento flexible.
Microturbinas
Rango de capacidad típico: 30 a 330 kW
Eficiencia únicamente eléctrica: 25-29%
Eficiencia de cogeneración: 64-72%
Las microturbinas están destinadas a aplicaciones de menor escala que las turbinas de gas y vapor convencionales. Presentan un diseño modular ideal para edificios con ampliaciones planificadas, sistemas de energía distribuida y microrredes . Al igual que las turbinas de gas convencionales, las microturbinas están destinadas a aplicaciones en las que se puede utilizar toda su potencia de forma continua, ya que su eficiencia de carga parcial es pobre.
Celdas de combustible
Rango de capacidad típico: 5 kW a 2,8 MW
Eficiencia únicamente eléctrica: 38-42%
Eficiencia de cogeneración: 62-75%
Las pilas de combustible tienen una diferencia fundamental con las tecnologías CHP mencionadas anteriormente: no hay combustión y el combustible sufre una reacción química directa para producir calor y electricidad. Como resultado, el escape de las pilas de combustible es principalmente dióxido de carbono, libre de compuestos más dañinos como óxidos de nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles y el letal monóxido de carbono.
Las pilas de combustible ofrecen un funcionamiento flexible y experimentan sólo una pequeña pérdida de eficiencia bajo carga parcial. También son más silenciosos que otras opciones de cogeneración ya que no tienen máquinas rotativas.
Observaciones finales
Las grandes propiedades con una demanda constante de electricidad y calor pueden reducir sus gastos de energía mediante el uso de calor y energía combinados (CHP). Sin embargo, el primer paso debería ser una auditoría energética, que proporcione una imagen clara del consumo energético del edificio. A partir de estos datos es posible determinar si la cogeneración es viable, seleccionando la configuración del sistema más adecuada, si procede.
