Cogeneración

La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica (o energía mecánica) y energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible.

El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran.

En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en forma de agua caliente.

La generación de electricidad se realiza mediante una dinamo o alternador que son movidos por un motor térmico o una turbina. El aprovechamiento de la energía química del combustible es del orden del 25% al 40% solamente, y el resto debe disiparse en forma de calor. Con la cogeneración se aprovecha una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía en la atmósfera.

Estos sistemas presentan rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica el aprovechamiento simultáneo de electricidad y del calor residual, lo que favorece a la obtención de elevados índices de ahorro energéticos sin alterar el proceso productivo.

En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la chimenea, mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se enfrían transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los gases de escape pasan a la chimenea.

Este procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO₂) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón.  El desarrollo de la cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 y de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a cumplir los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto.

Las tecnologías básicas utilizadas como cogenerador son las siguientes:

• Motor alternativo de combustión interna (diesel o ciclo Otto)
• Turbina de gas (ciclo Brayton)
• Turbina de vapor (ciclo Rankin)
• Ciclo combinado
• Pilas de combustible
• Motor endotérmico

Se trata de un motor Otto, se comprime una mezcla de aire y combustible en cada cilindro y la ignición se realiza por una chispa suministrada externamente.

En un motor diesel, sólo se comprime aire en el cilindro, y el combustible, que se inyecta en el cilindro hacia el final de carrera de compresión, se inflama espontáneamente debido a la alta temperatura del aire comprimido.

Este tipo de motores puede funcionar con una gran variedad de combustibles gaseosos y líquidos.

La Figura 1 muestra el esquema de un sistema de cogeneración con motor de combustión interna.

Figura 1  Esquema de un sistema de cogeneración con motor

·    Turbina de gas

El aire entra en el compresor, donde se incrementa su presión y temperatura.  Después se mezcla con el combustible y se produce la combustión.  Los gases calientes se expanden a la presión atmosférica que produce el trabajo.  El compresor funciona con el 65% de la energía de la turbina, mientras el 35% restante es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina.  Un generador conectado al eje de la turbina produce la electricidad.  El calor se recupera de los gases de combustión por medio de calderas de recuperación.

Utilizan como combustible gas natural, GLP o productos de gasificación del carbón. Los productos de combustión no deben contener componentes que produzcan corrosión, ya que los álabes, en la turbina de gas de ciclo abierto, están expuestos directamente a los gases de escape.  En la turbina de gas de ciclo cerrado se pueden usar incluso residuos urbanos o industriales, y hasta energía solar o nuclear.

Figura 2.  Esquema de una instalación de cogeneración con turbina

·    Turbina de vapor

El sistema funciona según el ciclo Rankine, ya sea en su forma básica o en sus versiones mejoradas con recalentamiento del vapor y precalentamiento regenerativo del agua.  La turbina de vapor usa vapor, que se produce en una caldera.  Utiliza vapor de alta entalpía como combustible para producir el trabajo mecánica y vapor de menor entalpía.  El vapor se extrae en varias etapas de la turbina entre la entrada y la salida, dependiendo de la demanda energética.

Puede funcionar con cualquier tipo de combustible o ciertas combinaciones de combustible, energías renovables y subproductos de residuos.

·    Ciclo combinado

El sistema es una combinación de turbinas de gas y de vapor, con una caldera de recuperación de calor entre ellas. Una turbina de gas produce electricidad y vapor de alta entalpía que se expande a través de una turbina de vapor para producir más electricidad y vapor de menor entalpía. En la Figura 3 se muestra el esquema de una instalación de ciclo combinado.

Fig.3. Esquema de una instalación de cogeneración de ciclo combinado

·    Pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electromecánico que convierte la energía química del combustible en electricidad directamente, sin etapas intermedias de combustión y producción de trabajo mecánico. La Figura 4 muestra el  funcionamiento de una instalación con pilas de combustible.

Figura 4. Esquema de funcionamiento de una pila de combustible

Existen varios tipos de elementos combustibles, caracterizados por el tipo de electrólito, con temperaturas de funcionamiento que oscilan entre los 80 y 1000ºC.