El aumento
en los precios de la energía propicia que puedan replantearse muchos proyectos
que buscan solucionar el problema de un alto consumo energético que conlleva un
aumento en los costes operacionales. Cada vez son más las tipologías de
actuaciones que resultan rentables en el escenario actual. Pero conocer con
exactitud cuál es la opción más rentable en cada situación y qué variables
influyen en la rentabilidad de un proyecto no es una cuestión nada sencilla.
Más complicado aún es el estudio de proyectos en los que aparecen dos tipos de
energías, la energía eléctrica y la energía térmica. Muchas posibilidades
aparecen en cada proyecto y ello conlleva la aparición de muy diferentes
opciones, unas buenas y otras no tanto. De manera particular hablamos hoy de
los sistemas de cogeneración o CHP y de los métodos existentes para calcular la
rentabilidad de estos sistemas de generación.
En los
sistemas de cogeneración se produce de forma simultánea calor y energía
eléctrica y no resulta fácil estudiar la rentabilidad de estos proyectos. En el
artículo de hoy nos centraremos en los métodos para calcular la eficiencia
energética en estos sistemas.
Cada
aplicación CHP implica la recuperación de la energía térmica que se derrocha en
los procesos para producir energía térmica útil o energía eléctrica adicional
de una forma eficiente, reduciendo las emisiones de los contaminantes de aire
tradicionales y dióxido de carbono. En este artículo hablamos de los métodos
existentes para determinar la eficiencia de un sistema CHP, concretamente de la
eficiencia del sistema total y la eficiencia eléctrica efectiva.
En la
siguiente figura vemos cómo aumenta la eficiencia cuando pasamos de un sistema
de generación convencional a un sistema de generación de ciclo combinado (ver siguiente figura).
En este
ejemplo de sistema CHP típico, producimos 75 unidades de energía útil, la
generación convencional de calor y energía eléctrica requiere para el mismo
proceso 154 unidades de energía – 98 para producir electricidad y 56 para
producir calor – dando como resultado una eficiencia del 49 %. Sin embargo, los
sistemas CHP necesitan solamente 100 unidades de energía para producir 75
unidades de energía útil de una única fuente de energía, dando como resultado
una eficiencia del sistema total del 75 %.
Conceptos claves para calcular la eficiencia de un
sistema CHP
El cálculo
de la eficiencia de los sistemas CHP requiere comprender varios términos clave
que describimos a continuación.
· Sistema CHP:
El sistema CHP incluye la unidad en la que se consume el combustible (turbina,
caldera, motor), el generador eléctrico, y la unidad de recuperación de calor
que transforma la energía derrochada en energía térmica útil.
· Entrada de
energía de combustible total (Total fuel
energy input) (QFuel): Es la energía térmica asociada
con la entrada de energía total. La entrada de energía de combustible total es
la suma de todos los combustibles usados por el sistema CHP. La entrada de
combustible total a menudo viene determinada multiplicando la cantidad de
combustible consumida por el poder calorífico del combustible.
Los valores
aceptados comúnmente aceptados para el poder calorífico de los combustibles más
comunes son:
-
1020 Btu/ft3 para el gas natural.
-
10158 Btu/pound de carbón.
-
138.000 Btu por galón de combustible diesel
·
Producción de
energía eléctrica útil neta (Net useful
power output) (Wε): La producción de energía
eléctrica neta útil es la producción bruta del generador eléctrica menos las
pérdidas eléctricas parásitas, en otras palabras, la potencia eléctrica usada
para soportar al sistema CHP. (Un ejemplo de pérdidas eléctricas parásitas son
la electricidad que puede usarse para comprimir el gas natural antes de que el
gas entre en ignición en una turbina).
·
Producción
térmica útil neta (Net useful termal
output) (ΣQTH): La producción térmica neta es igual a
la producción térmica útil bruta del sistema CHP menos la entrada térmica.
La
producción térmica bruta representa la energía térmica de un sistema CHP
utilizado por la instalación de acogida o host
facility. El término utilizado es importante aquí. Cualquier producción
térmica que no se use debe ser considerada. Tengamos en cuenta, por ejemplo, un
sistema CHP que produzca 10.000 libras de vapor por hora, con un 90 % de vapor
usado para calentamiento del espacio y el 10 % restante se disipa en una torre
de enfriamiento. El contenido de energía de 9000 libras de vapor por hora es la
producción térmica útil bruta.
Cálculo de eficiencia del sistema total
La
aproximación más común usada para determinar la eficiencia del sistema CHP es
calcular la eficiencia del sistema total. También conocido como eficiencia
térmica, la eficiencia del sistema total (ηo)
de un sistema CHP es la suma de la producción de energía eléctrica útil neta (Wε) y la producción térmica
útil (ΣQTH) dividida
entre la entrada de combustible total (QFUEL), como se muestra a
continuación:
El cálculo
de la eficiencia del sistema total es un método simple y útil que evalúa lo que
se produce (es decir, energía eléctrica y térmica) comparada a lo consumido (es
decir, combustible). Los sistemas CHP con una producción térmica útil
relativamente alta corresponde a la eficiencia del sistema total en el rango
del 60 al 85 %.
Cálculo de la eficiencia eléctrica efectiva
Los cálculos
de la eficiencia eléctrica efectiva permiten una comparación directa del rendimiento
del sistema CHP respecto a la generación de energía eléctrica convencional. La Eficiencia
eléctrica efectiva (ξEE) puede calcularse usando la ecuación de
abajo, donde (WE) es la producción de energía útil, (ΣQTH)
es la suma de la producción térmica útil, (QFUEL) es la entrada de combustible
total, y α es igual a la eficiencia de la tecnología convencional que
utilizando otro medio se usaría para generar la energía térmica útil si el
sistema CHP no existe:
¿Qué métrica de eficiencia CHP debemos seleccionar?
La selección
de una métrica de eficiencia depende del propósito de la eficiencia CHP de
cálculo.
· Si el objetivo es comparar la eficiencia
energética de los sistemas CHP respecto a la eficiencia de los sistemas
convencionales, entonces la métrica de la eficiencia del sistema total puede
ser la elección correcta. El cálculo de la eficiencia del sistema convencional
es el promedio ponderado (basado en la producción de energía eléctrica útil del
sistema CHP y la producción térmica útil) de las eficiencias de los componentes
de producción del sistema convencional. El componente de la producción de
energía eléctrica separada es típicamente una producción de energía eléctrica
del 33 %. Este componente de producción de calor separado es típicamente una
caldera de eficiencia 75 – 85 %.
· Si la eficiencia eléctrica CHP es necesaria para
comparar CHP con la producción de electricidad convencional, la métrica de la
eficiencia eléctrica efectiva puede ser la elección correcta. La eficiencia
eléctrica efectiva considerada para las múltiples producciones de CHP permite
una comparación directa de producción de electricidad convencional acreditando
la porción de la entrada del combustible del sistema CHP distribuido en la
producción térmica.
Tanto el
sistema total y las eficiencias eléctricas efectivas son métricas válidas para
evaluar la eficiencia del sistema CHP. Ambas consideran todos los rendimientos
de los sistemas CHP y, cuando se usan apropiadamente, reflejan la ventaja
inherente de CHP. Sin embargo, ya que cada medida métrica tiene unas
características de rendimiento diferentes, el uso de dos métricas diferentes de
un sistema CHP produce diferentes valores.
Por ejemplo,
consideremos un sistema CHP de turbinas de gas que produce vapor para el
calentamiento del espacio con las siguientes características:
·
Entrada de combustible (MMBTu/hr): 41
·
Producción de electricidad (MW): 3
·
Producción térmica (MMBtu/hr): 17,7
Usando la
métrica de eficiencia del sistema, la eficiencia del sistema CHP es del 68 %.
Usando la métrica
de eficiencia eléctrica, la eficiencia del sistema CHP es el 54 % (
3*3,41)/(41-17,7/0,8).
Éste no es
más que un ejemplo. La eficiencia del sistema total CHP y la eficiencia eléctrica
a menudo difieren en un 5 – 15 %.
Bibliografía: Methods for calculating
efficiency. Combined Heat and Power Parnership. U.S. Environmental Protection
Agency.
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