Métodos para calcular la rentabilidad de los sistemas de cogeneración

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) (Q_Fuel): 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) (W_ε): 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) (ΣQ_TH): 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 (η_o) de un sistema CHP es la suma de la producción de energía eléctrica útil neta (W_ε) y la producción térmica útil (ΣQ_TH) dividida entre la entrada de combustible total (Q_FUEL), 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 (ξ_EE) puede calcularse usando la ecuación de abajo, donde (W_E) es la producción de energía útil, (ΣQ_TH) es la suma de la producción térmica útil, (Q_FUEL) 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.