La cogeneración, o producción combinada de calor y electricidad (CHP), es "el
proceso de producir electricidad y energía térmica utilizable (calor y/o refrigeración)
con alta
eficiencia y cerca del punto de uso" [1].
Incorpora así cuatro elementos: 1) la producción simultánea de electricidad y calor; 2)
un criterio de rendimiento de alta eficiencia; 3) la reducción de emisiones de GEI; y 4)
un criterio de localización relativo a la proximidad de la unidad de conversión de
energía a un usuario o un cliente [2].
La cogeneración eficiente de acuerdo con la Ley de Transición Energética, artículo 3,
fracción VI, publicada en el diario oficial de la federación el 24 de diciembre de 2015
se define como:
I. Producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro tipo de energía
térmica secundaria, o ambas.
II. Producción directa o indirecta de energía eléctrica a partir de energía térmica no
aprovechada en los procesos de que se trate.
III. Producción directa o indirecta de energía eléctrica utilizando combustibles
producidos en los procesos de que se trate.
Se tiene la certeza que el rendimiento de las instalaciones de cogeneración está
alrededor del 75% y hasta el 85% [3]
Sistema convencional
En la siguiente imágen se muestra un diagrama esquemático de un sistema de generación de
energía eléctrica y térmica de manera convencional y en la siguiente imágen se muestra
su
respectivo diagrama de Sankey. Se observa que las pérdidas y el consumo de combustible
es elevado respecto a la cantidad de energía útil generada. Se pueden alcanzar
eficiencias en promedio del 60%.
Diagrama esquemático de un sistema de generación
convencional.
Diagrama de Sankey de un sistema convencional
Sistema cogeneración
En la siguiente imágen se muestra un diagrama esquemático de un sistema de cogeneración y
en la siguiente imágen se muestra su respectivo diagrama de Sankey. Se observa que esta
configuración permite mejorar la eficiencia de conversión de energía primaria a otras
formas de energía como son el calor y electricidad. El objetivo de la cogeneración es
lograr un mejor aprovechamiento de los combustibles primarios. Se alcanzan eficiencias
en promedio del 87%, razón por la cual se considera en los programas de ahorro de
energía como alternativa fundamental para la transición energética.
Diagrama esquemático de un Sistema de
cogeneración
Diagrama de Sankey de un Sistema de cogeneración
[1] WADE, “Guide to Decentralized Energy Technologies,”
2003.
[2] M. Pehnt, M. Cames, C. Fischer, B. Praetorius, L.
Schneider, and K.
Schumacher, Micro Cogeneration Towards Decentralized Energy Systems. 2006.
[3] H. I. Onovwiona and V. I. Ugursal, “Residential
cogeneration systems:
review of the current technology,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 10, no.
5, pp. 389–431,
Oct. 2006.
-
Los
sistemas de cogeneración se pueden implementar prácticamente en
cualquier
escala.
-
Disminución de los consumos de energía primaria.
-
Disminución de las importaciones de combustible (ahorros en la balanza
de
pagos del país)
-
Reducción de emisiones de gases efecto invernadero (GEI).
-
Menor
consumo de agua comparado con la operación de una planta convencional.
-
Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en
transporte
y distribución.
-
Aumento de la garantía de potencia y calidad del servicio eléctrico.
-
Aumento de la competitividad industrial y de la competencia en el
sistema
eléctrico.
-
Promoción de pequeñas y medianas empresas de construcción y operación de
plantas de cogeneración.
-
Adaptabilidad en zonas aisladas o ultraperiféricas.
-
Motivación por la investigación y desarrollo de sistemas energéticos
eficientes.
La SENER en 2017 elaboro una prospectiva para el crecimiento de las energías
renovables
al año 2031 y prevé que la cogeneración eficiente aportará un 5.1% [1] , sin embargo, este porcentaje puede ser aún
mayor al
impulsar la
micro-cogeneración (MCHP). El intervalo de potencia para decir que se trata de MCHP
varía según el autor; Murugan (2016) [2] considera un el intervalo de 20-300 kW,
mientras
que Onovwiona (2006) [3] menciona que es de 30-100 kW y Pilavachi (2002) [4] de 30-150 kW.
Como
no hay un acuerdo preciso, se considera un intervalo de 30-200 kW.
Actualmente no existe registro del potencial que pudiera llegar a tener el uso de la
MCHP
en México, sin embargo, en otros países si se han implementado estos sistemas
teniendo
grandes beneficios. Un estudio de GIZ México (2013) reporta que en países como Reino
Unido, Alemania, España y U.S.A. se tienen sistemas de MCHP y micro-trigeneración [5].
Prospectiva de la generación de energía al año 2031 [2]
En la siguiente imágen se muestra la evolución histórica de la capacidad instalada de
cogeneración en México según la Comisión Reguladora de Energía (CRE) que tiene
registrados en el período de 1994 a 2017 [6]. Se
observa que en
el año 2015 se otorgaron
un gran número de permisos para instalaciones con esta tecnología, esto debido a la
reforma energética, la cual impulso este tipo de tecnologías para la mitigación de
los
GEI. Para el año 2017 ya se tiene un potencial instalado de casi 7,000 MW. Sin
embargo,
de acuerdo con un estudio realizado por la SENER/CONUEE/GIZ en el 2009, el país
puede
tener un mayor potencial de generación de energía limpia a través de la cogeneración
[7].
Evolución histórica de la capacidad instalada de cogeneración en
México [6]
Este estudio muestra que el potencial total nacional de cogeneración se encuentra
dividido en tres sectores importantes: azucarero, de Pemex y de la industria en
general. Dicho estudio distingue entre la potencia máximo teórico, el
potencial
técnicamente y económicamente factible, así como el potencial máximo con excedentes.
Por
lo tanto, el potencial nacional máximo, y que es económicamente factible de
explotar,
considerando excedentes al SEN, se calculó en 10,164 MW.
| Sector |
Máximo teórico (MW) |
Técnicamente factible (MW) |
Económicamente factible (MW) |
Potencial máximo con excedentes en la
industria(MW)
|
| Industrial |
2,630 |
2,286 |
1,989 |
6,085 |
| Azucarero |
979 |
979 |
979 |
979 |
| PEMEX |
3,100 |
3,100 |
3,100 |
3,100 |
| Total |
6,710 |
6,365 |
6,069 |
10.164 |
Sin embargo, para realizar el estimado de los beneficios derivados de la
cogeneración,
se parte de la premisa de que no es posible desarrollar todo el potencial de
cogeneración, por lo que se consideraron cuatro escenarios presentados en la tabla
siguiente:
| Sector |
|
Escenario 1 (Mínimo) |
Escenario 2 (Bajo) |
Escenario 3 (Medio) |
Escenario 4 (Máximo) |
| Industrial |
% |
10 |
25 |
60 |
80 |
| Azucarero |
% |
- |
- |
30 |
50 |
| Industrial |
MW |
199 |
497 |
3,651 |
4,868 |
| PEMEX |
MW |
650 |
650 |
3,100 |
3,100 |
| Azucarero |
MW |
- |
- |
294 |
490 |
| Total |
MW |
849 |
1,147 |
7,045 |
8,457 |
Estos escenarios consideran un potencial nacional de cogeneración que podría
desarrollarse en México desde un mínimo de 849 MW a un máximo de 8,457 MW para los
sectores estudiados. El desarrollo de este potencial nacional dependerá de la
eliminación de barreras, así como de la creación de incentivos y de la motivación
del
sector industrial para realizarlo.
-
Escenario
"Mínimo": Bajo este escenario, PEMEX desarrollaría sus proyectos para satisfacer
requerimientos internos, sin excedentes al SEN; los ingenios no desarrollarían
su
potencial; así como el desarrollo en la industria se haría sin excedentes en
diez
(10) por ciento de su potencial máximo.
-
Escenario
"Bajo": Al igual que en el escenario anterior, se asume que PEMEX desarrollaría
sus
proyectos para satisfacer requerimientos internos, sin excedentes al SEN; los
Ingenios no desarrollarían su potencial, así como el desarrollo en la industria
se
haría sin excedentes, pero explotando veinticinco (25) por ciento del su
potencial
máximo.
-
Escenario
"Medio": En este escenario se estima un desarrollo en la industria de sesenta
por
ciento (60) de su potencial máximo, mientras que los ingenios desarrollarían
treinta
por ciento (30) de su potencial. Por otro lado, se asume que PEMEX desarrollaría
su
potencial planeado de 3,100 MW.
-
Escenario
"Máximo": Por último, este escenario asume que el desarrollo en la industria
sería
de ochenta por ciento (80) de su potencial máximo; los ingenios y PEMEX
desarrollarían su potencial en cincuenta por ciento (50) y 3,100 MW,
respectivamente.
[1] H. I. Onovwiona and V. I. Ugursal, “Residential
cogeneration systems:
review of the current technology,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 10, no.
5, pp. 389–431,
Oct. 2006.
[2] SENER, “Prospectiva del Sector Eléctrico 2017-2031,”
2017.
[3] S. Murugan and B. Horák, “A review of micro combined
heat and power
systems
for residential applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 64, pp.
144–162, Oct. 2016.
[4] P. A. Pilavachi, “Mini- and micro-gas turbines for
combined heat and
power,” Appl. Therm. Eng., vol. 22, no. 18, pp. 2003–2014, 2002.
[5] GIZ México, “Micro y Pequeña Cogeneración y
Trigeneración en México,”
2013.
[6] A. Llamas and O. Probst, “On the role of e ffi cient
cogeneration for
meeting Mexico ’ s clean energy goals,” Energy Policy, vol. 112, no. October
2017, pp.
173–183,
2018.
[7] CONUEE, CRE, and GIZ México, “Estudio sobre
Cogeneración en el Sector
Industrial en México,” Conuee, Com. Nac. Para el Uso Efic. la Energ., pp.
1–156, 2009.
El aprovechamiento del calor residual que en otro tipo de instalaciones sólo se
emplea
parcialmente, hace que el rendimiento de las instalaciones de cogeneración sea
notablemente superior; razón por la que actualmente se están fomentando este tipo de
instalaciones.
Los equipos y configuraciones más empleados para la cogeneración son:
-
Motor
reciprocante
-
Turbina de
gas
-
Turbina de
vapor
De acuerdo con el orden de producción de electricidad y energía térmica, los
sistemas de cogeneración pueden clasificarse en:
-
Sistemas
superiores
-
Sistemas
inferiores
Clasificación de los sistemas de cogeneración
En los sistemas superiores la generación de energía eléctrica constituye el producto
primario de la combustión. El calor residual existente en los gases de escape se
aprovecha en el proceso productivo (por ejemplo, en una turbina de gas, motor
reciprocante y el vapor extraído de una turbina de vapor). Estos sistemas se
utilizan
ampliamente en diversos procesos industriales, tales como los utilizados en la
industria
de la celulosa y papel, química, textil, cervecera, azucarera, agroindustria,
alimentos,
así como otras que requieren vapor o agua caliente para realizar tales procesos.
En los sistemas inferiores generan la electricidad a partir de la energía térmica no
utilizada en los procesos industriales, como los gases calientes de escape de hornos
o
los gases combustibles (por ejemplo, una turbina de gas o una turbina de vapor).
Estos
sistemas tienen su principal aplicación en la industria del cemento, del acero, del
vidrio y en algunas industrias petroquímicas y químicas.
El aprovechamiento de la energía térmica de gases calientes de escape de hornos,
secadores o equipos de fuego directo puede ser una fuente importante de recuperación
de
calor residual ya que en procesos no optimizados se pueden emitir gases de
combustión
con temperaturas de 300 a 1200 °C y volúmenes mucho mayores a los que emiten los
generadores de vapor, por tener excesos de aire considerables.
Temperatura de gases de escape representativa de diversas
industrias. Fuente: CHP Glass Industries, (Brinkmann K., 2008)