Cogeneración

La cogeneración, o producción combinada de calor y electricidad (CHP), es "el proceso de producir electricidad y energía térmica utilizable (calor y/o refrigeración) con alta eficiencia y cerca del punto de uso" [1].

Incorpora así cuatro elementos: 1) la producción simultánea de electricidad y calor; 2) un criterio de rendimiento de alta eficiencia; 3) la reducción de emisiones de GEI; y 4) un criterio de localización relativo a la proximidad de la unidad de conversión de energía a un usuario o un cliente [2].

La cogeneración eficiente de acuerdo con la Ley de Transición Energética, artículo 3, fracción VI, publicada en el diario oficial de la federación el 24 de diciembre de 2015 se define como:

I. Producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambas.
II. Producción directa o indirecta de energía eléctrica a partir de energía térmica no aprovechada en los procesos de que se trate.
III. Producción directa o indirecta de energía eléctrica utilizando combustibles producidos en los procesos de que se trate.

Se tiene la certeza que el rendimiento de las instalaciones de cogeneración está alrededor del 75% y hasta el 85% [3]

Sistema convencional

En la siguiente imágen se muestra un diagrama esquemático de un sistema de generación de energía eléctrica y térmica de manera convencional y en la siguiente imágen se muestra su respectivo diagrama de Sankey. Se observa que las pérdidas y el consumo de combustible es elevado respecto a la cantidad de energía útil generada. Se pueden alcanzar eficiencias en promedio del 60%.

Diagrama esquemático de un sistema de generación convencional.
Diagrama de Sankey de un sistema convencional

Sistema cogeneración

En la siguiente imágen se muestra un diagrama esquemático de un sistema de cogeneración y en la siguiente imágen se muestra su respectivo diagrama de Sankey. Se observa que esta configuración permite mejorar la eficiencia de conversión de energía primaria a otras formas de energía como son el calor y electricidad. El objetivo de la cogeneración es lograr un mejor aprovechamiento de los combustibles primarios. Se alcanzan eficiencias en promedio del 87%, razón por la cual se considera en los programas de ahorro de energía como alternativa fundamental para la transición energética.

Diagrama esquemático de un Sistema de cogeneración
Diagrama de Sankey de un Sistema de cogeneración

[1] WADE, “Guide to Decentralized Energy Technologies,” 2003.

[2] M. Pehnt, M. Cames, C. Fischer, B. Praetorius, L. Schneider, and K. Schumacher, Micro Cogeneration Towards Decentralized Energy Systems. 2006.

[3] H. I. Onovwiona and V. I. Ugursal, “Residential cogeneration systems: review of the current technology,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 10, no. 5, pp. 389–431, Oct. 2006.

Ventajas y beneficios

  • Los sistemas de cogeneración se pueden implementar prácticamente en cualquier escala.
  • Disminución de los consumos de energía primaria.
  • Disminución de las importaciones de combustible (ahorros en la balanza de pagos del país)
  • Reducción de emisiones de gases efecto invernadero (GEI).
  • Menor consumo de agua comparado con la operación de una planta convencional.
  • Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en transporte y distribución.
  • Aumento de la garantía de potencia y calidad del servicio eléctrico.
  • Aumento de la competitividad industrial y de la competencia en el sistema eléctrico.
  • Promoción de pequeñas y medianas empresas de construcción y operación de plantas de cogeneración.
  • Adaptabilidad en zonas aisladas o ultraperiféricas.
  • Motivación por la investigación y desarrollo de sistemas energéticos eficientes.

Potencial

La SENER en 2017 elaboro una prospectiva para el crecimiento de las energías renovables al año 2031 y prevé que la cogeneración eficiente aportará un 5.1% [1] , sin embargo, este porcentaje puede ser aún mayor al impulsar la micro-cogeneración (MCHP). El intervalo de potencia para decir que se trata de MCHP varía según el autor; Murugan (2016) [2] considera un el intervalo de 20-300 kW, mientras que Onovwiona (2006) [3] menciona que es de 30-100 kW y Pilavachi (2002) [4] de 30-150 kW. Como no hay un acuerdo preciso, se considera un intervalo de 30-200 kW.

Actualmente no existe registro del potencial que pudiera llegar a tener el uso de la MCHP en México, sin embargo, en otros países si se han implementado estos sistemas teniendo grandes beneficios. Un estudio de GIZ México (2013) reporta que en países como Reino Unido, Alemania, España y U.S.A. se tienen sistemas de MCHP y micro-trigeneración [5].

Prospectiva de la generación de energía al año 2031 [2]

En la siguiente imágen se muestra la evolución histórica de la capacidad instalada de cogeneración en México según la Comisión Reguladora de Energía (CRE) que tiene registrados en el período de 1994 a 2017 [6]. Se observa que en el año 2015 se otorgaron un gran número de permisos para instalaciones con esta tecnología, esto debido a la reforma energética, la cual impulso este tipo de tecnologías para la mitigación de los GEI. Para el año 2017 ya se tiene un potencial instalado de casi 7,000 MW. Sin embargo, de acuerdo con un estudio realizado por la SENER/CONUEE/GIZ en el 2009, el país puede tener un mayor potencial de generación de energía limpia a través de la cogeneración [7].

Evolución histórica de la capacidad instalada de cogeneración en México [6]

Este estudio muestra que el potencial total nacional de cogeneración se encuentra dividido en tres sectores importantes: azucarero, de Pemex y de la industria en general. Dicho estudio distingue entre la potencia máximo teórico, el potencial técnicamente y económicamente factible, así como el potencial máximo con excedentes. Por lo tanto, el potencial nacional máximo, y que es económicamente factible de explotar, considerando excedentes al SEN, se calculó en 10,164 MW.

Sector Máximo teórico (MW) Técnicamente factible (MW) Económicamente factible (MW) Potencial máximo con excedentes en la industria(MW)
Industrial 2,630 2,286 1,989 6,085
Azucarero 979 979 979 979
PEMEX 3,100 3,100 3,100 3,100
Total 6,710 6,365 6,069 10.164

Sin embargo, para realizar el estimado de los beneficios derivados de la cogeneración, se parte de la premisa de que no es posible desarrollar todo el potencial de cogeneración, por lo que se consideraron cuatro escenarios presentados en la tabla siguiente:

Sector Escenario 1 (Mínimo) Escenario 2 (Bajo) Escenario 3 (Medio) Escenario 4 (Máximo)
Industrial % 10 25 60 80
Azucarero % - - 30 50
Industrial MW 199 497 3,651 4,868
PEMEX MW 650 650 3,100 3,100
Azucarero MW - - 294 490
Total MW 849 1,147 7,045 8,457

Estos escenarios consideran un potencial nacional de cogeneración que podría desarrollarse en México desde un mínimo de 849 MW a un máximo de 8,457 MW para los sectores estudiados. El desarrollo de este potencial nacional dependerá de la eliminación de barreras, así como de la creación de incentivos y de la motivación del sector industrial para realizarlo.

  • Escenario "Mínimo": Bajo este escenario, PEMEX desarrollaría sus proyectos para satisfacer requerimientos internos, sin excedentes al SEN; los ingenios no desarrollarían su potencial; así como el desarrollo en la industria se haría sin excedentes en diez (10) por ciento de su potencial máximo.
  • Escenario "Bajo": Al igual que en el escenario anterior, se asume que PEMEX desarrollaría sus proyectos para satisfacer requerimientos internos, sin excedentes al SEN; los Ingenios no desarrollarían su potencial, así como el desarrollo en la industria se haría sin excedentes, pero explotando veinticinco (25) por ciento del su potencial máximo.
  • Escenario "Medio": En este escenario se estima un desarrollo en la industria de sesenta por ciento (60) de su potencial máximo, mientras que los ingenios desarrollarían treinta por ciento (30) de su potencial. Por otro lado, se asume que PEMEX desarrollaría su potencial planeado de 3,100 MW.
  • Escenario "Máximo": Por último, este escenario asume que el desarrollo en la industria sería de ochenta por ciento (80) de su potencial máximo; los ingenios y PEMEX desarrollarían su potencial en cincuenta por ciento (50) y 3,100 MW, respectivamente.

[1] H. I. Onovwiona and V. I. Ugursal, “Residential cogeneration systems: review of the current technology,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 10, no. 5, pp. 389–431, Oct. 2006.

[2] SENER, “Prospectiva del Sector Eléctrico 2017-2031,” 2017.

[3] S. Murugan and B. Horák, “A review of micro combined heat and power systems for residential applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 64, pp. 144–162, Oct. 2016.

[4] P. A. Pilavachi, “Mini- and micro-gas turbines for combined heat and power,” Appl. Therm. Eng., vol. 22, no. 18, pp. 2003–2014, 2002.

[5] GIZ México, “Micro y Pequeña Cogeneración y Trigeneración en México,” 2013.

[6] A. Llamas and O. Probst, “On the role of e ffi cient cogeneration for meeting Mexico ’ s clean energy goals,” Energy Policy, vol. 112, no. October 2017, pp. 173–183, 2018.

[7] CONUEE, CRE, and GIZ México, “Estudio sobre Cogeneración en el Sector Industrial en México,” Conuee, Com. Nac. Para el Uso Efic. la Energ., pp. 1–156, 2009.

Sistemas

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.

Los equipos y configuraciones más empleados para la cogeneración son:
  • Motor reciprocante
  • Turbina de gas
  • Turbina de vapor
De acuerdo con el orden de producción de electricidad y energía térmica, los sistemas de cogeneración pueden clasificarse en:
  • Sistemas superiores
  • Sistemas inferiores
Clasificación de los sistemas de cogeneración

En los sistemas superiores la generación de energía eléctrica constituye el producto primario de la combustión. El calor residual existente en los gases de escape se aprovecha en el proceso productivo (por ejemplo, en una turbina de gas, motor reciprocante y el vapor extraído de una turbina de vapor). Estos sistemas se utilizan ampliamente en diversos procesos industriales, tales como los utilizados en la industria de la celulosa y papel, química, textil, cervecera, azucarera, agroindustria, alimentos, así como otras que requieren vapor o agua caliente para realizar tales procesos.

En los sistemas inferiores generan la electricidad a partir de la energía térmica no utilizada en los procesos industriales, como los gases calientes de escape de hornos o los gases combustibles (por ejemplo, una turbina de gas o una turbina de vapor). Estos sistemas tienen su principal aplicación en la industria del cemento, del acero, del vidrio y en algunas industrias petroquímicas y químicas.

El aprovechamiento de la energía térmica de gases calientes de escape de hornos, secadores o equipos de fuego directo puede ser una fuente importante de recuperación de calor residual ya que en procesos no optimizados se pueden emitir gases de combustión con temperaturas de 300 a 1200 °C y volúmenes mucho mayores a los que emiten los generadores de vapor, por tener excesos de aire considerables.

Temperatura de gases de escape representativa de diversas industrias. Fuente: CHP Glass Industries, (Brinkmann K., 2008)

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