La tecnología micro-CHP y sus perspectivas de mercado

La generación distribuida representa una gran oportunidad para obtener las necesidades de energía de una forma alternativa a la convencional y gran eficacia. Este tipo de proyectos consiguen reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, y proporcionan calor y energía a un coste inferior para el consumidor, mejorando asimismo la robustez del sistema de distribución de energía. En lugares donde hay problemas de sobrecarga en las redes de distribución, la generación distribuida supone un auténtico alivio que si se implanta de forma efectiva puede incluso ser beneficioso para la seguridad en el suministro energético de toda una nación. Los beneficios de la generación distribuida son enormes también para los gobiernos, puesto que hacen innecesaria la construcción de grandes instalaciones energéticas. En el actual debate energético, la generación distribuida a pequeña escala puede paliar problemas en muchas áreas geográficas, por lo cual los gobiernos están empezando a fomentar el uso de este tipo de energías, y su desarrollo futuro parece muy prometedor. Por otra parte, el alcance potencial de estas energías no es pequeño; y aunque su implantación si puede ser compleja en el entorno industrial; lo cierto es que estudios llevados en el Reino Unido han demostrado que el potencial de suministro de electricidad utilizando productos de microgeneración es del 30-40 %.

El gran desarrollo de los sistemas de generación distribuido que hemos vivido en los últimos cinco años ha propiciado que sean muchas las tecnologías que ya están accesibles para trabajar a escala de microgeneración. Y como siempre decimos, hay que advertir en este punto que la generación distribuida es una solución óptima; pero siempre que se actúe con rigor, es decir, en instalaciones energéticas es fácil derrochar mucha energía, y perder mucho dinero, si no se analizan en detalle las soluciones técnicas que requiere cada aplicación. Varias tecnologías se vienen lanzando al mercado para permitir la microgeneración a nivel de pequeñas y medianas instalaciones. Algunas son renovables, como la energía solar térmica, y otras producen solamente calor (p. ej., bombas de calor para aprovechamiento de la energía geotérmica) y otras generan solamente energía eléctrica (p. ej., microgeneradores eólicos). Sin embargo, hay actualmente consenso de que la utilización de la tecnología micro-CHP es la que más opciones tiene de captar una importante cuota de mercado, y por lo tanto tener un impacto significativo en la producción global de energía. Dada la importancia de esta tecnología, y la actual sensibilidad ante los problemas de suministro energético, vamos a abordar en este artículo con cierto detalle la tecnología micro-CHP, los múltiples sectores de mercado y ambientes geográficos donde puede utilizarse, y los factores críticos que deben tenerse en cuenta para su implantación a gran escala.

DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍA MICRO-CHP

La tecnología micro-CHP se usa para proporcionar de manera simultánea calor, agua caliente, energía eléctrica, aire acondicionado y agua fría a cualquier tipo de edificio, ya sea residencial o industrial. El ahorro energético que puede conseguirse es realmente espectacular si adaptamos la producción de energía distribuida a las necesidades de consumo energético del establecimiento industrial o residencial. Por otra parte, la flexibilidad de este sistema de producción de energía es tal que permite ejecutar proyectos adaptados a las necesidades de consumo, con lo cual nos evitamos el derroche de la transformación de energía, es decir, podemos producir la energía que realmente necesitamos y en la cantidad justa para cada consumo. Si se trata por ejemplo de una industria de procesos en la que se requiera mucho vapor, podremos producirlo en el momento que lo necesitemos, y de una forma más efectiva que con las tecnologías convencionales. La instalación de los microgeneradores CHP es sencilla, pues no hay más que conectarlos en paralelo a la acometida eléctrica, y acoplarlos a los servicios del establecimiento industrial o residencial sobre el que estamos actuando. Los productos micro-CHP que actualmente están desarrollando distintos fabricantes utilizan las siguientes tecnologías.

1. SISTEMAS BASADOS EN MOTORES: Estos sistemas se basan en motores con ciclo de combustión externa (motores Stirling) o motores con ciclo de combustión interna convencional.
2. CICLO DE RANKINE ORGÁNICO (ORC). Este proceso se usa convencionalmente en frigoríficos, congeladores y acondicionadores de aire, per operando a la inversa.
3. CÉLULAS DE COMBUSTIBLE: Las células de combustible son motores electroquímicos de estado sólido que convierten combustible y aire en electricidad y calor.

Las células de combustible pueden implementarse de varias formas diferentes, pero la operación básica es similar. Un ánodo (donde reacciona el combustible) está separado de un cátodo (donde reacciona el aire) por un electrolito (que permite el paso de ciertos componentes reactivos). La célula de combustible Ceres es una combinación química basada en óxido de gadolinium de cerio depositado en un sustrato de acero inoxidable. Las células Ceres pueden utilizarse en módulos para obtener el rendimiento de potencia necesario en cada aplicación. Las células de combustible pueden ser alimentadas por diferentes combustibles, gas, GLP, y en el futuro biodiesel e incluso hidrógeno. El módulo es posteriormente combinado con los componentes convencionales de una caldera para formar un aparato integrado que es capaz de generar energía eléctrica y calor para diferentes usos. El uso de esta tecnología en diferentes edificios ha mostrado varios criterios de éxito importantes:

• El equipo es amortizable en un periodo de tiempo razonable, que es variable en función de la aplicación.
• El tamaño y peso del producto son aceptables, lo cual permite su uso en todo tipo de edificios residenciales.
• El equipo es compatible con cualquier ciclo de utilización, y se adapta a los requerimientos variables de la demanda.
• El producto es silencioso y genera muy pocas vibraciones.
• Su instalación es sencilla, y requiere mínimas intervenciones.

En la práctica, uno de estos equipos sustituyendo por ejemplo una pequeña caldera de agua caliente tiene un periodo de amortización inferior a cinco años, y su operación es esencialmente automática.

DIFERENCIAS ENTRE TECNOLOGÍAS

Las tres tecnologías micro CHP descritas anteriormente difieren entres si, aunque sus diferencias no son fácilmente perceptibles. La principal diferencia entre ellas es el ratio calor/energía eléctrica que puede obtenerse con cada una de ellas. Al realizar un proyecto de micro-CHP, lo primero que debemos averiguar es si existen en el establecimiento diferencias estacionales importantes en las necesidades de calor y energía eléctrica. El motivo es que en la práctica los micro-CHP dirigen el calor que co-generan a un sistema de acumulación térmica, por lo que debemos verificar que el calor obtenido a lo largo de todo el año será consumido por el establecimiento en el que vamos a instalar un sistema micro-CHP. En las diferentes tecnologías de micro-CHP, tales como los motores de combustión interna, los motores Stirling y ORC, co-generan cantidades de calor relativamente grandes. El ratio de calor/energía eléctrica producida puede ser 5:1 o incluso 10:1, lo cual implica una eficiencia eléctrica del 15 % o inferior, significativamente más baja que la generada por la mayoría de los sistemas de generación distribuida conectados a la red. Como consecuencia de ello, estas tecnologías micro-CHP son rentables únicamente en aquellos establecimientos en los que exista un consumo de calor apreciable y a lo largo de todo el año. En este tipo de establecimientos podremos obtener un beneficio adicional importante con la producción de energía eléctrica generada por los equipos, pero siempre debemos tener presente que la rentabilidad de la instalación pasa por aprovechar el calor generado.

La tecnología de la célula de combustible tiene un ratio calor/energía eléctrica mucho más bajo. Esta tecnología puede por tanto aplicarse en establecimientos en los que los requerimientos de calor sean mucho menores. Otra ventaja que tiene esta tecnología es que su funcionamiento es muy flexible, y en función de las necesidades podremos aumentar o reducir la energía generada, o incluso desconectarla si no se requiere energía en algún periodo de tiempo.

Para saber la potencia del sistema micro-CHP que necesitamos en un establecimiento, analizaremos el consumo durante todo el año. Se dimensionará un equipo tal que produzca la energía que necesitamos exceptuando los consumos pico, es decir, es más barato seleccionar un equipo de menor capacidad y adquirir los picos a la compañía eléctrica a un precio mayor, pero de esta forma reduciremos la inversión.

BENEFICIOS

El beneficio que obtenemos con esta tecnología es una reducción significativa en el consumo de combustibles y electricidad. Utilizando la tecnología de las células de combustible Ceres puede obtenerse un ahorro del 25 % de los costes totales de energía.

Bibliografía: Residential-scale fuel cell CHP. Cogeneration & On-Site Power Production may-june 2008

Palabras clave: Organic Rankine cycle, Stirling engines, solid state electrochemical engine, Power fuel cell, cerium gadolinium oxide