La cogeneración o calor y energía combinados (CHP) es la generación combinada de calor y energía. No se trata de una tecnología única, sino de un sistema energético integrado. La cogeneración implica en primer lugar producir energía a partir de una fuente de combustible específica, como gas natural, biomasa, carbón o petróleo. Durante la combustión de combustible, la cogeneración captura el exceso de calor que de otro modo se habría desperdiciado.
El calor capturado se puede utilizar para hervir agua, crear vapor, calentar edificios, etc. Por ejemplo, en las arenas bituminosas se necesita vapor para producir betún. Mediante el uso de la cogeneración, las empresas energéticas pueden producir simultáneamente vapor para la producción y electricidad in situ. Al minimizar el desperdicio, las plantas de cogeneración generalmente convierten entre el 75 y el 80 % de la fuente de combustible en energía utilizable, en comparación con los sistemas convencionales que solo cubren alrededor del 45 %.
Cuando el calor capturado se utiliza para producir electricidad, el proceso se denomina ciclo combinado.
La cogeneración se practicó en algunas de las primeras instalaciones de generación eléctrica. Antes de que las estaciones centrales distribuyeran energía, las industrias que generaban su propia energía utilizaban el vapor de escape para calentar sus procesos. Los grandes edificios de oficinas y apartamentos, hoteles y tiendas a menudo generaban su propia energía y utilizaban el vapor residual para calentar los edificios. Debido al alto costo de la energía inicial, estas operaciones de cogeneración continuaron durante muchos años después de que la electricidad estuvo disponible.
Tipos de Cogeneración :
Hay dos categorías amplias de cogeneración:
1. El ciclo de cobertura:
En este tipo, el calor primario en el extremo de mayor temperatura del ciclo Rankine se utiliza para generar vapor y electricidad a alta presión y alta temperatura de la forma habitual.
Luego, el vapor del proceso a baja presión y temperatura se elimina de las turbinas de acuerdo con los requisitos del proceso. Hay dos formas de utilizar el vapor.
Son los siguientes:
(a) Uso de vapor en el escape de la turbina: en este caso, la turbina de vapor se denomina turbina de contrapresión. Se retira el condensador y los gases de escape de la turbina se transportan a la planta de proceso. Debido a que el condensador está ausente, la presión de escape de la turbina es mayor (de ahí el nombre de turbina de contrapresión) y su eficiencia es menor.
(b) Extraer vapor de la turbina en estado intermedio; así como para calentar el agua de alimentación. Una turbina de este tipo se conoce como turbina de extracción o turbina de paso. Al utilizar un condensador, la eficiencia del ciclo es mayor; y el vapor extraído tiene una presión y temperatura mucho más altas.
La principal ventaja de este ciclo es su capacidad para utilizar una amplia gama de combustibles, incluidos madera, carbón, petróleo, coque, residuos, etc. y, por lo tanto, se utiliza donde se encuentran disponibles combustibles residuales y subproductos de baja calidad.
Este tipo, sin embargo, rara vez se utiliza debido a su alto costo inicial y su baja relación potencia/calor; especialmente a altas presiones de vapor de proceso.
2. Ciclo de fondo:
Aquí, el primer calor primario a alta temperatura se utiliza directamente para cumplir con los requisitos del proceso. El calor residual de baja calidad (baja temperatura y disponibilidad) de la planta de proceso se utiliza para generar electricidad. La eficiencia del ciclo es obviamente baja, –10% para aplicaciones de baja temperatura y hasta 20% para aplicaciones de alta temperatura. Dado que el calor residual es gratuito, la economía del ciclo puede ser favorable.
Las principales aplicaciones de los ciclos de fondo se encuentran en las industrias químicas y de procesamiento de materiales, como el cemento, la piedra caliza y el acero.
sistema de cogeneración de ciclo inferiorDebido a que la temperatura del calor residual es baja, a menudo se utilizan fluidos de hidrocarburos como medio de trabajo.
Tipos de ciclo de cobertura :
Debido a que el ciclo de fondo tiene una eficiencia combinada muy baja, tiene poco interés termodinámico o económico y, por lo tanto, sólo el ciclo de tope puede proporcionar ahorros reales en energía primaria. Además, la mayoría de las aplicaciones de proceso requieren un vapor de baja calidad (baja temperatura y disponibilidad) que pueda producirse convenientemente en un ciclo de cobertura.
Algunas de las modalidades de cogeneración en el ciclo de cobertura son las siguientes:
(a) Planta de turbina de vapor con turbina de contrapresión.
(b) Central eléctrica de turbina de vapor con extracción de vapor de turbina de condensación.
c) Central eléctrica de turbina de gas con caldera de recuperación de calor: utiliza los gases de escape de la turbina de gas para generar vapor.
(d) Central eléctrica de turbina de gas de vapor combinada: la turbina de vapor es del tipo de contrapresión (a) o del tipo de extracción-condensación (b) mencionados anteriormente.
La planta de turbina de vapor de contrapresión (a) es más adecuada sólo cuando la demanda de electricidad es baja en comparación con la demanda de calor. La planta de ciclo combinado (d) anterior es más adecuada sólo cuando la demanda eléctrica es alta, aproximadamente comparable a la demanda de calor o superior. El ciclo de la turbina de gas (c) se sitúa en el medio. Sólo la planta de extracción y condensación (b) anterior es adecuada en una amplia gama de proporciones.
Planta de cogeneración con turbina de gas :
Las turbinas de gas se utilizan solas en una amplia gama de servicios.
Algunos de ellos son:
1. Como unidad de propulsión para todo tipo de aeronaves.
2. Para accionar equipos mecánicos como bombas y compresores en plantas industriales.
3. Como unidad de potencia para ferrocarriles y coches de carreras.
4. Para accionar generadores eléctricos en centrales eléctricas – Para producir energía para cargas punta.
También existe un creciente interés en el uso de turbinas de gas para plantas de cogeneración y ciclo combinado. Las temperaturas de trabajo de la turbina de gas son bastante altas (temperatura máxima alrededor de 1200 – 1300°C) y los gases de escape calientes que salen de la turbina a alrededor de 500°C todavía contienen una gran cantidad de energía térmica almacenada.
Esta energía térmica se puede utilizar para diversos fines, como por ejemplo:
1. Secado y calentamiento directo – En la industria alimentaria.
2. Calentamiento de fluidos en industrias de procesos: para calentar aire, aceite y agua, que es un medio de trabajo en una planta de proceso.
3. Producción de vapor mediante una caldera de recuperación de residuos: el vapor producido se puede utilizar para aplicaciones de procesos o para generar electricidad mediante turbinas de vapor. Esto se conoce como “cogeneración” para los primeros y “ciclo combinado” para los segundos.
Se utiliza un ciclo de turbina de gas simple compuesto por un compresor de aire (AC), una cámara de combustión (CC) y una turbina de gas (GT). Los gases de escape de la turbina pasan a través de una caldera de recuperación de calor (HRB) para generar vapor de proceso que luego se lleva a la planta de proceso. Se proporcionan quemadores de combustible suplementarios para quemar combustible adicional y aumentar el caudal másico de vapor del proceso durante un período corto si es necesario.
