¿Quieres evaluar las posibilidades de la cogeneración en tu propia una planta industrial?

La cogeneración en la industria –

Hemos hablado en el blog en un buen número de ocasiones de las ventajas de utilizar la cogeneración como técnica para obtener un destacable ahorro energético, pero hasta ahora no hemos abordado en detalle la utilización de esta tecnología en plantas industriales. En este artículo vamos a analizar con precisión cómo valorar las opciones de una industria de asumir su re-acondicionamiento para aprovechar el ahorro energético obtenido con una estrategia de cogeneración. Con este documento, más extenso que lo habitual, vamos a intentar que ingenieros y gestores de plantas de proceso tengan elementos de juicio objetivos para plantearse un proyecto de ahorro energético mediante una estrategia de cogeneración. La cogeneración es la producción combinada de energía eléctrica y calor/frío, estrategia con la que conseguimos un aumento relevante en la eficiencia de los sistemas de generación de energía a escala industrial. El uso de los subproductos generados en la producción de energía eléctrica, normalmente calor, no es un nuevo concepto. Los beneficios de la cogeneración a escala industrial son sobradamente conocidos. Es una estrategia probada que se ha usado durante más de un siglo en instalaciones institucionales, residenciales multi-familiares, industriales y comerciales. De hecho, en 1920, más de la mitad de la electricidad usada en los Estados Unidos era producido por alguna forma de cogeneración. La cogeneración, tiene otra ventaja fundamental, y es que sustituye a los métodos convencionales de adquirir energía en plantas industriales que requieren mucha producción de calor o vapor. Además de disminuir la cantidad de energía eléctrica adquirida, tampoco es necesario producir calor o vapor, por lo que eliminando calderas y hornos (gas, fuel-oil o gas-oil) evitamos el principal punto de consumo energético en una planta industrial (Ver “Eficiencia energética en los procesos térmicos industriales”). Pero la estrategia de cogeneración industrial no es sencilla, el ahorro energético obtenido puede ser importante, pero es necesario comparar las distintas opciones y hacer un estudio económico detallado de las diferentes opciones disponibles. Si se dispone de datos precisos de las variables del proceso, los cálculos pueden darnos con precisión todas las claves que necesitamos conocer antes de tomar una decisión.

Los datos –

Para hacernos una idea cuantitativa de las diferentes eficiencias entre los procesos convencionales y la cogeneración, con la que reemplazamos métodos convencionales de producir energía, es importante conocer la eficiencia de cada uno de los procesos implicados. Si bien es necesario comparar los costes reales de la electricidad y combustibles en el lugar donde se estudia el proyecto, unos datos de los rendimientos de cada proceso nos permiten hacernos una idea clara de la situación de partida. Si bien el método convencional de adquirir energía eléctrica a las compañías distribuidoras es conveniente en muchos casos, realmente es muy ineficiente porque casi el 75 % de la energía del combustible original se pierde debido a las pérdidas de producción y transporte. Por el contrario, los sistemas de generación directamente en planta convierten en energía útil, eléctrica o calor, el 70-90 % de la energía del combustible. Consecuentemente, en la industria de procesos que a la vez consume ingentes cantidades de calor, la cogeneración en planta siempre va a resultar rentable. Los rendimientos obtenidos varían según las características específicas de cada aplicación, pero en general, la integración de la producción de calor/frío y electricidad en un sistema de cogeneración industrial puede producir un ahorro energético de hasta el 35 % del gasto total de energía. Pero lo mejor de todo es que si tu planta consume ingentes cantidades de energía, la inversión de instalar un sistema de cogeneración puede recuperarse en tan solo dos-tres años.

La tecnología –

Los principios de la cogeneración son bien conocidos, esta tecnología se ha utilizado desde la primera planta de generación eléctrica en 1882 a las modernas instalaciones de proceso químico. Pero en los últimos años el desarrollo de turbinas y motores recíprocos ha sido impresionante (ver “Los motores recíprocos continúan su desarrollo”, “Algunos detalles interesantes sobre el rendimiento de las turbinas de gas CHP”, “La turbina de gas más grande y más eficiente del mundo”, , “Llegan nuevas y eficientes turbinas de gas” y “Sistemas de generación de energía de alta eficiencia”). En el pasado, tan solo las plantas de gran dimensión eran rentables, pero hoy en día la tecnología de motores recíprocos de gas con mezcla pobre (lean-burn), los intercambiadores de calor y los controles de sistemas digitales hacen que sean rentables aplicaciones tan pequeñas como de 300 kw (ver “La tecnología micro-CHP y sus perspectivas de mercado”). Estos avances tecnológicos han propiciado la aparición de un enorme nicho de aplicación para la cogeneración como una forma de conseguir mejorar la eficiencia energética, recortar las emisiones de gases de efecto invernadero y reducir costes de explotación. Un sistema de cogeneración normalmente consiste en un generador de fuerza motriz que hace girar un alternador para producir electricidad, un sistema de recuperación del calor generado en el proceso y una camisa de agua para enfriar el motor. El generador de fuerza motriz puede ser un motor recíproco de gas natural de mezcla pobre, un motor recíproco diesel, una turbina de gas, una micro-turbina o una célula de combustible. El ratio en la producción de calor/electricidad difiere entre los sistemas de motores recíprocos y sistemas de turbina de gas, pero en total, el 90 % de la energía del combustible original se pone en uso productivo en un sistema de cogeneración.

¿Es rentable proponer un sistema de cogeneración en mi industria?

Para averiguarlo debemos primero tratar de responder a las siguientes preguntas, y si todas son afirmativas es recomendable un análisis más detallado:

• ¿Cómo fase previa a cualquier planteamiento sobre cogeneración, has realizado en la industria todas las acciones recomendables para reducir el consumo de electricidad y calor? El tamaño del sistema de cogeneración puede reducirse significativamente si antes se han realizado todas las mejoras posibles (ver “Ahorro energético en la industria”).
• ¿La potencia contratada en tu industria es superior a 1.000 kW? Si bien la cogeneración de sistemas más pequeños es también posible, las industrias con necesidades energéticas más grandes pueden conseguir mayor ahorro y reducir el periodo de retorno de la inversión. El sistema de cogeneración más efectivo en costes opera con full output 24/7. Para estar seguro que tu sistema de cogeneración funciona a plena capacidad la mayor parte del tiempo, solamente debe planificarse la generación de una parte de las necesidades térmicas totales – aproximadamente el 50 – 80 %. Es necesaria conexión a la red de distribución de energía eléctrica para obtener el resto de la carga y una caldera que pueda suministrar calor en los picos de demanda térmica.
• ¿La carga térmica de tu industria es constante y equivalente a 252.000 kilocalorías por hora o superior? La carga térmica puede tomar forma de agua caliente, carga de refrigerador de absorción, vapor de baja presión – o una combinación de estas tres. El exceso de energía eléctrica producida puede ser vendida a la compañía eléctrica y por tanto se obtiene un beneficio adicional. La producción de calor por el contrario está restringida a la planta donde se realiza el proyecto o a unas instalaciones próximas. Si no es posible aprovechar este calor, disminuirá la eficiencia total en proporción a la cantidad de calor no reutilizado.
• ¿La duración de tus necesidades simultáneas de calor/frío y energía eléctrica son superiores a 4000 horas por año? Si bien algunas aplicaciones son factibles cuando la demanda simultánea eléctrica y térmica es de alrededor de 2000 horas al año, estos sistemas favorecen económicamente a las instalaciones que operan al menos la mitad del año. Las cargas de los procesos térmicos en las instalaciones industriales tienen a ser bastante constantes, mientras que las cargas de calentamiento o enfriamiento de espacios suelen ser más estacionales. Aquellas industrias que tienen importantes necesidades de calor en invierno y enfriamiento en verano son generalmente buenos candidatos para los sistemas de cogeneración.
• ¿Las tarifas eléctricas son altas en relación a los costes y disponibilidad de gas natural? Cuando el diferencial entre el precio de la electricidad y el del gas natural es alto (comparándolos energéticamente), es más probable que un sistema de cogeneración proporcione ahorros sustanciales.
• ¿Es la ubicación de la planta conveniente para instalar un sistema de cogeneración? Es necesario disponer de suficiente espacio para albergar generadores, intercambiadores de calor, aparamenta eléctrica y sistemas de control. Los sistemas pequeños pueden localizarse en el exterior, en pequeñas casetas, pero los grandes sistemas de cogeneración necesitan su propia edificación. También debe considerarse que es necesario suministrar gas natural.
• ¿Es muy importante en la planta la fiabilidad del servicio eléctrico? En muchos establecimientos industriales, los cortes en el fluido eléctrico o las fluctuaciones de tensión pueden provocar graves problemas, o cuanto menos, pérdidas importantes de dinero si se obliga a parar la producción. Por el contrario, los sistemas de cogeneración – si se diseñan son suficiente redundancia, y sistemas UPS – ofrecen una fiabilidad suficientemente mejor que la que dan las compañías de distribución convencionales (hablamos de países con buenas red de distribución). Los sistemas de cogeneración son mucho menos vulnerables a daños por tormentas o fallos en transformadores y sistemas de transmisión. De hecho, si el mantenimiento es apropiado, la operación es fiable durante décadas.

Análisis de costes y payback –

Contestar afirmativamente a las cuestiones anteriores te hace un candidato firme a plantear seriamente un proyecto de cogeneración en una planta industrial. El siguiente paso es un análisis de viabilidad simple, para calcular cuántos años tardará el sistema en pagarse a sí mismo. Para analizar los costes del sistema lo primero que debemos hacer es recabar información de varios fabricantes de sistemas de generación, que nos suministrarán la información relativa al rendimiento de los equipos. Otros datos que debemos recabar son los siguientes:

• Costes de la electricidad por kWh.
• Cargas de demanda de electricidad.
• Costes del gas natural por unidad de producción de energía.
• Número anticipado de horas de operación por año.
• Utilización del calor recuperado.
• Coste instalado del sistema de cogeneración.

Esta información es suficiente para calcular el payback de la actividad prevista. Factores ambientales – La cogeneración es una tecnología que ofrece ventajas tanto comerciales como ambientales. Un aumento en el uso del gas natural en sistemas de cogeneración tiene un gran efecto beneficioso y es que evita consumir electricidad de la red, que como hemos visto es mucho más costosa en términos de “balance energético”. Por otra parte, el uso del gas natural consigue reducir el uso de carbón en centrales térmicas, lo cual aporta también beneficios ambientales. El balance de estos proyectos es muy positivo al conseguir reducir las emisiones de dióxido de carbono, óxidos nitrógeno, dióxido de azufre, partículas, y otras emisiones nocivas. En términos de emisiones de CO2 solamente, quemar gas natural en generadores de motores recíprocos consigue reducir las emisiones de este gas en un 50 % respecto al generado por la misma energía producida en una central térmica de carbón. Los proyectos de cogeneración en países en vías de desarrollo tienen otra ventaja adicional, y es que pueden generar créditos para proyectos CDM (ver “El mecanismo CDM como medio para invertir en países en vías de desarrollo” y “Mecanismos de financiación de proyectos de lucha contra el cambio climático”). Candidatos firmes a proyectos de cogeneración – A partir de los criterios anteriores, un buen número de actividades empresariales son susceptibles de conseguir un ahorro energético eficaz mediante un proyecto de cogeneración de tamaño pequeño o medio. Son muchos los factores que en cada caso harán que la rentabilidad aumente o baje, pero en general, merece la pena estudiar esta opción en actividades similares a las siguientes:

• Hospitales.
• Invernaderos.
• Hoteles.
• Plantas químicas.
• Plantas de procesado de alimentos.
• Edificios públicos.
• Colegios y universidades.
• Balnearios, etc.

Enlaces recomendados:

• The Association of Energy Engineers
• Buildings Cooling, Heating, and Power (BCHP) Initiative
• Electric Power Research Institute (EPRI)
• Midwest Cogeneration Association
• U.S. Clean Heat & Power Association
• U.S. Department of Energy (DOE)
• LEED Rating System, U.S. Green Building Council
• United States Environmental Protection Agency

Bibliografía: Evaluating cogeneration for your facility: A look at the potencial energy efficiency, economic and environmental. Palabras clave: Combined Heat and Power (CHP), lean-burn gas reciprocating engine technology, standby generators and uninterruptible power supply (UPS) systems