Método para calcular la eficiencia energética en los sistemas de cogeneración

CHP es una aproximación eficiente y limpia para generar energía térmica de una única fuente de combustible. CHP se usa para reemplazar o suplementar calor y energía eléctrica convencional obtenido de forma separada (SHP).

Eficiencia definida del sistema CHP

Cada aplicación CHP implica la recuperación de energía térmica que de otra forma se derrocha para producir energía eléctrica o energía térmica útil. Debido a que CHP es altamente eficiente, reduce las emisiones de contaminantes de aire tradicionales y dióxido de carbono.

La eficiencia es una métrica prominente usada para evaluar el rendimiento CHP y compararlo a SHP. En este nuevo artículo describe las dos metodologías más comúnmente usadas para determinar la eficiencia de un sistema CHP: Eficiencia del sistema total y eficiencia eléctrica efectiva.

En la ilustración con la que introducimos este artículo se muestran las ganancias de eficiencia CHP cuando se compara con SHP.

En el ejemplo que se ilustra en la figura se representa un sistema CHP típico, para producir 75 unidades de energía útil, la generación convencional o calor separado y sistemas de generación eléctrica usan 154 unidades de energía – 98 para producción de electricidad y 56 para producir calor – resultando una eficiencia total del 49 %. Sin embargo, el sistema CHP necesita solamente 100 unidades de energía para producir las 75 unidades de energía útil de una fuente de combustible única, dando como resultado una eficiencia del sistema total del 75 %

TÉRMINOS CLAVES PARA CALCULAR LA EFICIENCIA CHP

El cálculo de la eficiencia de un sistema CHP requiere comprendes varios términos claves.

Sistemas CHP. El sistema CHP incluye la unidad en la que se consume el combustible (ej. turbina, caldera, motor) el generador eléctrico, y la unidad de recuperación de calor que transforma calor que se derrocha en energía térmica utilizable.

Entrada de energía de combustible total (Q_FUEL).  La energía térmica asociada con la entrada de combustible total. La entrada de combustible total es la suma de todos los combustibles usados por el sistema CHP.

Producción de energía eléctrica útil neta (W_E). La producción eléctrica es la producción de energía eléctrica producida por el generador menos las pérdidas eléctricas parásitas, en otras palabras, la potencia eléctrica para soportar el sistema CHP.   Un ejemplo de pérdidas eléctricas parásitas es la electricidad que puede usarse para comprimir el gas natural antes de quemarlo en la turbina.

Producción térmica útil neta (ΣQ_TH). La producción térmica útil neta es igual a la producción térmica útil bruta del sistema CHP menos la entrada térmica. Un ejemplo de entrada térmica es la energía del retorno del condensado y agua de alimentación al generador de vapor de recuperación de calor. La energía térmica útil neta representa energía térmica derrochada que se recupera por el sistema CHP.

La producción térmica útil es la producción térmica de un sistema CHP utilizado por la instalación anfitriona. El término utilizado es iportante aquí. Cualquier producción térmica que no se use no debe considerarse. Un sistema CHP puede producir por ejemplo 10.000 libras de vapor por hora, con un 90 % de vapor usado para calentar el espacio y el 10 % restante disipado en una torre de enfriamiento. El contenido de energía de 9.000 libras de vapor por hora es la producción útil térmica bruta.

CALCULANDO LA EFICIENCIA DEL SISTEMA TOTAL

La aproximación más común para determinar la eficiencia del sistema es calcular la eficiencia del sistema total. También conocida 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_E) y la producción térmica útil neta (ΣQ_TH) dividida por la entrada de energía de combustible total (Q_FUEL), como indicamos a continuación:

El cálculo de la eficiencia del sistema total es un método simple y útil que evalúa lo producido (es decir, producción térmica y energía eléctrica) comparado con lo consumido (ej. gas-oil). Los sistemas CHP con una producción térmica útil neta alta típicamente corresponde con la eficiencia del sistema en el rango de 60 a 85 %.

Nótese que esta métrica no diferencia entre el valor de la producción de energía eléctrica y producción térmica; en vez de ello, trata la producción de potencia eléctrica y producción térmica como propiedades aditivas con el mismo valor relativo. En realidad y en la práctica, la producción térmica y producción de energía eléctrica no son intercambiables ya que no pueden ser convertidas físicamente una a otra. Sin embargo, las aplicaciones CHP típicas tienen demandas térmicas y de energía eléctrica coincidentes que deben cumplirse. Es razonable, por lo tanto, considerar los valores de producción de energía eléctrica y térmica de un sistema CHP que es igual en muchas situaciones.

CALCULANDO LA EFICIENCIA ELÉCTRICA EFECTIVA

El cálculo de le eficiencia eléctrica efectiva permite una comparación directa de un sistema CHP respecto al rendimiento del sistema de generación de energía eléctrica convencional  (ej., electricidad producida de estaciones centrales). La Eficiencia Eléctrica Efectiva (ξEE) puede calcularse usando la ecuación de abajo, donde (W_E) es la producción de energía eléctrica útil, (ΣQ_TH) es la suma de la producción térmica útil neta, (Q_FUEL) es la entrada de combustible total, y α igual a la eficiencia de la tecnología convencional que de otra forma se usaría para producri la producción de energía térmica útil si el sistema CHP no existe:

Por ejemplo, si un sistema CHP utiliza gas natural y produce vapor, entonces representa la eficiencia de una caldera con gas natural convencional. Valores típicos para las calderas son: 0,8 para la caldera de gas natural, 0,75 para una caldera de biomasa, y 0,83 para una caldera de carbón.

El cálculo de la Eficiencia Eléctrica Efectiva es esencialmente la producción eléctrica neta CHP dividida por el combustible adicional que el sistema CHP consume por encima de lo que se habría usado por sistemas convencionales para producir energía térmica en el sitio. En otras palabras, esta métrica mide la efectividad del sistema CHP generando energía eléctrica una vez se ha cubierto la demanda térmica del sitio.

Las eficiencias eléctricas efectivas típicas para los sistemas CHP basados en turbinas de combustión están en el rango del 51 al 69 %.

Las eficiencias eléctricas efectivas térmicas para sistemas CHP basados en motores recíprocos están en el rango del 69 al 84 %.

¿QUÉ MÉTRICA DE EFICIENCIA CHP DEBE SELECCIONARSE?

La selección de una métrica de eficiencia depende del propósito de la eficiencia CHP calculada.

·         Si el objetivo es compara la eficiencia energética de un sistema CHP respecto a la eficiencia de opciones SHP de un sitio, entonces la métrica de eficiencia del sistema total debe ser la correcta. El cálculo de la eficiencia SHP es un promedio ponderado (basado en la producción de energía eléctrica útil neta del sistema CHP y la producción térmica útil) de las eficiencias de los componentes de producción SHP.

·         Si la eficiencia eléctrica CHP es necesaria para comparar CHP respecto a la producción de electricidad convencional, entonces la métrica de eficiencia eléctrica efectiva puede ser la elección correcta.

Bibliografia: Methods of calculating efficiency. U.S. Environmental Protection Agency