COGENERACINLa cogeneracin es el procedimiento mediante el cual
se obtiene simultneamente energa elctrica y energa trmica til; la
gran ventaja es la eficiencia energtica que se puede obtener. Al
generar electricidad con un motor o una turbina, el aprovechamiento
de la energa en el combustible es de 25 a 35%, lo dems se pierde.
Al cogenerar se puede llegar a aprovechar el material de la energa
que entrega la gasolina.
Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en
ciertos edificios singulares en los que el vapor puede emplearse
para la obtencin de agua caliente sanitaria como por ejemplo
ciudades universitarias, hospitales, etc.Otra modalidad de
Cogeneracin es la Trigeneracin, en la que se utiliza el calor
residual para producir Fro mediante el mtodo de absorcin adems del
calor y la energa elctrica.
Por cogeneracin se entiende la produccin de 2 o ms formas de
energa til a partir de una fuente primaria, sin embargo en la
literatura muchas veces se habla de cogeneracin cuando se consigue
la produccin combinada de energa elctrica y energa trmica, generada
desde la misma fuente primaria. Tambin se le llama ciclo potencia
calor o su sigla en ingls CHP (Combined Heat and Power).
Utilizando la cogeneracin se pueden alcanzar eficiencias trmicas
globales entre 80 y 90 %, en cambio las centrales trmicas
convencionales slo llegan a eficiencias de entre 30 y 55 %. La
diferencia se explica por el hecho de que en un ciclo convencional,
parte importante de la energa es entregada a la atmsfera para
condensar el vapor de salida de la turbina a vapor. En cambio en un
ciclo de cogeneracin se utiliza la mayor parte de esta energa para
satisfacer los requerimientos del proceso.
SISTEMAS TPICOS DE COGENERACINExisten numerosas formas de
cogenerar y la ms adecuada para cada aplicacin en particular,
depender de distintos factores. Entre los ms relevantes se
encuentran el combustible disponible o fuente primaria, la relacin
Energa Elctrica Vs Energa Trmica o razn Potencia a Calor o PHR
(Power to Heat Ratio) y por supuesto el tamao. A la hora de evaluar
un proyecto de cogeneracin el tamao es una de la variables ms
relevantes, pues no slo impactar fuertemente los costos especficos
de operacin y las inversiones asociadas a la instalacin del planta,
sino que tambin definir el factor de utilizacin de la central, que
determina que tanto provecho obtengo de la inversin a lo largo de
la vida til del proyecto. Adems el tamao de la planta de
cogeneracin es fundamental al momento de escoger la tecnologa a
utilizar, existiendo sistemas desde tamaos que van de las decenas
kW hasta cientos de MW de potencia elctrica. Hoy en da existen
soluciones para aplicaciones tan diversas, como una micro-turbina,
de una potencia de decenas de kW, adecuada para una aplicacin
domiciliaria, una central de Trigeneracin (Electricidad /Frio y
Calor) con motor de combustin interna, de algunos MW de capacidad,
para un hospital, o una central de cogeneracin con turbina a gas de
ms de 100 MW para un gran complejo industrial.
COGENERACIN CON TURBINA VAPORLos sistemas de Cogeneracin con
turbina a vapor son ampliamente utilizados en el mundo, y van desde
1 MW hasta ms de 100 MW de potencia elctrica. Estos sistemas fueron
ampliamente utilizados en la industria de la celulosa y papel, la
industria azucarera, las refineras de petrleo y en general en la
industria pesada. En la actualidad han ido perdiendo terreno frente
a otros sistemas de cogeneracin ms modernos, salvo en procesos como
el de la celulosa donde se cuenta con combustibles que son
subproductos de los procesos forestales, los que son aprovechados
para la cogeneracin. Un sistema de cogeneracin con turbina vapor
comprende una fuente de calor, tpicamente una caldera, la que
transforma la energa primaria del combustible en vapor, este a su
vez mueve una turbina conectada a un generador elctrico, este ciclo
se conoce como ciclo Rankine. Como productos de la turbina se
obtienen electricidad y vapor de baja presin cuya energa es
aprovechada en cualquier proceso que requiera calor y devuelta al
sistema como condensado. Las eficiencias trmicas del ciclo estn
determinadas principalmente por la fuente primaria de calor y estn
en el rango de que va de 60 a 85%. La razn Potencia Calor es
relativamente baja con eficiencias elctricas que no superan el
20%.
COGENERACIN CON TURBINA A GASEl funcionamiento de un sistema de
cogeneracin con turbina a gas, permite transformar la energa
contenida en el combustible, en energa mecnica a travs de una
Turbina a Gas, usualmente a travs del ciclo conocido como ciclo
Brayton, la que a su vez es transformada mediante un generador
elctrico en energa elctrica. Hoy en da esta es una de las
tecnologas ms utilizadas para cogenerar, por su alta eficiencia y
el amplio rango de tamaos que pueden ser utilizados, que adems
requieren una inversin inicial relativamente baja. Tpicamente una
Turbina a Gas transforma entre 25 y 35 % de la energa contenida en
el combustible en energa elctrica y la mayor parte de la diferencia
es perdida en los productos de combustin descargados a la atmsfera.
De aproximadamente el 70 %, perdido a la atmsfera un 50 % de la
energa entregada por el combustible puede ser recuperado de los
productos de combustin, para ser utilizado en el proceso.
Usualmente el calor a la descarga de la turbina es transformado en
vapor, a travs de un HRSG (Heat Recovery Steam Generator) o caldera
recuperadora de calor, el que puede ser utilizado como medio de
calentamiento en el proceso. Otra aplicacin que cada da es ms
utilizada es la recuperacin de calor para refrigeracin o la
combinacin de ambas llamada trigeneracin. Estos sistemas utilizan
los productos de combustin calientes ya sea de una turbina a gas o
un motor de combustin interna, para generar agua helada a travs de
un enfriador de agua de absorcin.
COGENERACIN CON MOTORES DE COMBUSTIN INTERNAEstas aplicaciones
van desde capacidades de 75 kW hasta 50 MW en instalaciones con
varios motores. Dentro de las ventajas de la tecnologa podemos
comentar que utilizan una gran variedad de combustibles lquidos y
gaseosos, siendo hoy por hoy la primera eleccin para la cogeneracin
comercial e institucional. En este caso la energa del combustible
es transformada en energa mecnica a travs del motor (Ciclos Otto o
Diesel) el que est conectado a un generador elctrico que transforma
la energa mecnica en energa elctrica. La eficiencia elctrica de los
motores tpicamente se encuentra en el rango 35 a 45 %. Si se
recupera la energa entregada a la atmsfera por el escape la
eficiencia trmica del ciclo se puede llegar a valores dentro del
rango 70 y 85 %.
COGENERACIN CON CICLO COMBINADOLos sistemas de ciclo combinado
ms utilizados corresponden a Sistemas de Turbina a Gas, los que
utilizan los gases de escape de esta para la instalacin de un ciclo
Rankine. Esta tecnologa has sido ampliamente difundida en las
ltimas dcadas, como una manera eficiente y limpia de generar energa
elctrica con gas natural. La cogeneracin con ciclo combinado
consiste en utilizar una turbina de vapor de contrapresin para usar
el vapor de baja presin o de descarga de la turbina en el proceso.
La tecnologa no es muy usada por requerir una inversin inicial ms
elevada que un sistema simple con turbina a gas, siendo su
principal ventaja una razn Potencia Calor ms alta. La eficiencia
elctrica de este ciclo llega a valores entre 35 y 45 % y una
eficiencia trmica global entre 70 y 85%.
CUANDO COGENERARDejando de lado consideraciones de tipo
estratgicas, la factibilidad de cogeneracin, est determinada
principalmente por variables econmicas, las que definirn que tan
interesante puede llegar a ser un proyecto de cogeneracin. La
prioridad es difcil de determinar y debe ser analizado en detalle
caso a caso. Para ello es fundamental contar con los perfiles de
demanda de energa elctrica y de energa trmica (Frio o Calor),
estacionalidad, proyecciones de crecimiento, precios de la energa
elctrica, precios del combustible. Es importante comentar que las
conclusiones de este tipo de estudios estn fuertemente
influenciadas por los precios de los combustibles y de la energa
elctrica, ambas variables difciles de proyectar en el mediano
plazo. Adems existen nichos en los cuales las ventajas de la
cogeneracin son especialmente claras, tales como los sistemas de
cogeneracin con biomasa, en los que la biomasa es un subproducto de
los procesos. Un par de casos que revisten condiciones muy
ventajosas, son las plantas de tratamiento de aguas servidas con
digestin de lodos y los rellenos sanitarios. En ambos casos podran
abastecerse de su propia energa elctrica o incluso vender
excedentes con una planta de cogeneracin que utilice el Biogs que
se produce como excedente de sus procesos. Este tipo de soluciones
podra significar importantes beneficios econmicos y
ambientales.
EJERCICIOConsidere la central de cogeneracin que se muestra en
la figura. El vapor entra a la turbina a 7 MPa y 500 C. De la
turbina se extrae un poco de vapor a 500 kPa. Despus el vapor se
condensa a presin constante y se bombea hasta la presin de la
caldera que est a 7 MPa. En momentos de alta demanda de calor de
proceso, una parte del vapor que sale de la caldera se estrangula
hasta 500 kPa. En seguida se bombea hasta 7 MPa. El flujo msico de
vapor a travs de la caldera es de 15 kg/s. Si se descarta cualquier
cada de presin y cualquier prdida de calor en la tubera y se supone
que la tubera y la bomba son isoentrpicas, determine a) la tasa
mxima a la cual puede suministrarse el calor del proceso, b) la
potencia producida y el factor de utilizacin cuando no se
suministra calor de proceso y c) la tasa de suministro de calor de
proceso cuando 10 por ciento del vapor se extrae antes de que entre
a la turbina, y cuando 70 por ciento del vapor se extrae de la
turbina a 500 kPa para el calentamiento de proceso.
SOLUCINLa central opera en un ciclo ideal y en consecuencia las
bombas y turbinas son isoentrpicas; no existen cadas de presin en
la caldera, el calentador de proceso y el condensador; adems, el
vapor sale del condensador y el calentador de proceso como liquido
saturado. Las entradas de trabajo a las bombas y las entalpias en
diversos estados son:
a) La tasa mxima de calor de proceso se alcanza cuando todo el
vapor que que sale de la caldera se estrangula y se enva al
calentador de proceso mientras que a la turbina no se enva nada
(esto es, y ). Por lo tanto,
b) Cuando no se suministra calor de proceso, todo el vapor que
sale de la caldera pasar a travs de la turbina y se expandir hasta
la presin del condensador a 5 kPa (esto es, y ). La potencia mxima
se produce de este modo, por lo que se determina como:
Por lo tanto,
c) Si se ignora cualquier cambio de energa cintica y potencial,
un balance de energa de calentador de proceso produce:
O
Donde
Por lo tanto
BIBLIOGRFIA
CENGEL, A. Yunus and BOLES A. Michael . (2011). TERMODINAMICA .
Bogota: Mc Graw Hill.Fundacion de la Energia de la Comunidad de
Madrid y La Suma de Todos . (2010). Guia De La Cogeneracion .
Madrid, Espaa .Juan Pablo Bancalari, THERMAL ENGINEERING Ltda.
(2011). Ficha Tcnica De La Cogeneracin, Providencia 2133, Of. 207,
Santiago, Chile.
COGENERACION
PRESENTADO POR:ALDANA LOZANO KEMERGARZON TORRES ESTEBAN LOPEZ
QUIONES DIEGOQUINTERO SILVA JULIAN
PRESENTADO A:ING. ISMAEL MARQUEZ LASSO
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTA D.C
16 DE MARZO DE 2015
