Calor y energía combinados: beneficios y opciones de equipo

La mayor parte de la energía que consumen los edificios se encuentra en forma de electricidad y calor. Normalmente, estos insumos se producen de forma independiente, lo que da como resultado una eficiencia del 45-55% según la Departamento de Energía de EE. UU.. Sin embargo, cuando el calor y la electricidad se producen a partir de la misma entrada, la eficiencia se mejora en el rango de 65-85%. Este concepto se llama calor y energía combinados (CHP) o cogeneración.

Como todos los demás sistemas de generación y calefacción, las instalaciones de cogeneración se pueden diseñar para una amplia gama de cargas según las necesidades del edificio. Este artículo describe los principales beneficios de CHP, así como las principales configuraciones del sistema disponibles.

Calor y energía combinados: ¿Cuándo es viable?

Como se describió anteriormente, los sistemas de cogeneración funcionan con una mayor eficiencia que los equipos de generación y calefacción separados, lo que reduce los gastos de energía del edificio. Sin embargo, la cogeneración no es rentable si solo necesita una de las salidas; la mayor eficiencia solo se puede lograr si usa ambas.

Un sistema de cogeneración también hace que la instalación dependa menos de la red eléctrica, al tiempo que elimina las pérdidas de transmisión y distribución. También puede esperar gastos de electricidad más predecibles, ya que el impacto de los cambios en el precio de kWh se reduce o se elimina por completo.


Obtenga una auditoría energética para averiguar si la cogeneración es viable para su edificio.


Cuando los grandes consumidores de energía implementan la cogeneración, también hay un beneficio para los operadores de redes eléctricas: la red se descongestiona. Esto ayuda a la empresa de servicios públicos a brindar un mejor servicio a otros clientes que no generan su propia electricidad, al tiempo que pospone costosas actualizaciones de la infraestructura de transmisión y distribución.

Los sistemas de cogeneración también se pueden combinar con un enfriador de absorción, un tipo especial de enfriador que funciona con una entrada de calor en lugar de un compresor eléctrico. En este caso, tiene un sistema de trigeneración, que agrega enfriamiento a la cogeneración. Los enfriadores de absorción tienen aplicaciones en refrigeración de espacios, refrigeración de procesos industriales y refrigeración.

Configuraciones del sistema CHP

CHP es un concepto general y existen muchas configuraciones de sistema viables. Todos tienen el propósito común de suministrar calor y energía eléctrica, pero el equipo utilizado varía significativamente. La mayoría de los sistemas de cogeneración utilizan uno de los siguientes tipos de equipos:

  1. Motores alternativos
  2. Turbinas de gas
  3. Turbinas de vapor
  4. Microturbinas
  5. Celdas de combustible

Según el Departamento de Energía de EE. UU., Los motores alternativos son la configuración más común del sistema de cogeneración, que se encuentra en más del 50% de los proyectos. Sin embargo, las turbinas de gas ganan en capacidad instalada, representando más del 60%.

Motores alternativos

Rango de capacidad típico: 10 kW a 10 MW
Eficiencia solo eléctrica: 30-42%
Eficiencia de cogeneración: 77-83%

Los motores alternativos se basan en el mismo principio que los motores de los automóviles, pero se implementan a mayor escala. La rotación del eje se logra con una serie de pistones que siguen un movimiento de cuatro tiempos: admisión, compresión, potencia y escape.

Cuando un motor alternativo genera electricidad, el calor se puede recuperar de tres fuentes: directamente del escape del motor, del agua de refrigeración o del aceite lubricante. Los motores ofrecen un funcionamiento flexible, ya que pueden funcionar a carga parcial sin una reducción significativa de la eficiencia.

Como tecnología, los motores alternativos son muy maduros y su cadena de suministro está bien establecida. A nivel mundial, se fabrican y despliegan más de 200 millones de unidades cada año.

Turbinas de gas

Rango de capacidad típico: 1 hasta 300 MW
Eficiencia solo eléctrica: 24-36%
Eficiencia de cogeneración: 65-71%

Las turbinas de gas se vuelven viables para aplicaciones de cogeneración cuando el proyecto es lo suficientemente grande como para justificar unos pocos megavatios de capacidad. Son particularmente útiles cuando los procesos industriales requieren grandes cantidades de calor, ya que el escape de la turbina de alta temperatura se puede utilizar directamente. Idealmente, debería haber una demanda constante de calor y electricidad, ya que la eficiencia de una turbina de gas disminuye drásticamente en condiciones de carga parcial.

Aunque las turbinas de gas se asocian normalmente con generación eléctrica, también se utilizan en la propulsión de vehículos y para impulsar equipos como compresores y bombas.

Turbinas de vapor

Rango de capacidad típico: 100 kW hasta 250 MW
Eficiencia solo eléctrica: 5-7%
Eficiencia de cogeneración: 80%

Las turbinas de vapor son más adecuadas para aplicaciones de cogeneración donde la carga de calefacción es significativamente mayor que la carga eléctrica. A diferencia de los motores alternativos y las turbinas de gas, las turbinas de vapor no están expuestas directamente a la combustión de combustible; ocurre por separado en una caldera.

Los sistemas de cogeneración con turbinas de vapor se utilizan comúnmente cuando existe una fuente de combustible barato, como astillas de madera y otras formas de biomasa. Estas turbinas no sufren una pérdida drástica de eficiencia a carga parcial, ofreciendo un funcionamiento flexible.

Microturbinas

Rango de capacidad típico: 30 hasta 330 kW
Eficiencia solo eléctrica: 25-29%
Eficiencia de cogeneración: 64-72%

Las microturbinas están diseñadas para aplicaciones de menor escala que las turbinas de vapor y gas convencionales. Vienen con un diseño modular que es ideal para edificios con expansiones planificadas, sistemas de energía distribuida y microrredes. Al igual que las turbinas de gas convencionales, las microturbinas están diseñadas para aplicaciones en las que se puede utilizar su potencia máxima de forma continua, ya que su eficiencia de carga parcial es baja.

Celdas de combustible

Rango de capacidad típico: 5 kW hasta 2,8 MW
Eficiencia solo eléctrica: 38-42%
Eficiencia de cogeneración: 62-75%

Las pilas de combustible tienen una diferencia clave con las tecnologías de cogeneración mencionadas anteriormente: no hay combustión y el combustible sufre una reacción química directa para producir calor y electricidad. Como resultado, el escape de las pilas de combustible es principalmente dióxido de carbono, libre de más compuestos nocivos como óxidos de nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles y el mortal monóxido de carbono.

Las celdas de combustible ofrecen un funcionamiento flexible, experimentando solo una pequeña pérdida de eficiencia bajo carga parcial. También son más silenciosas que otras opciones de cogeneración, ya que no hay maquinaria rotativa.

Observaciones finales

Las propiedades grandes con una demanda constante de electricidad y calor pueden reducir sus gastos de energía mediante el despliegue de calor y energía combinados (CHP). Sin embargo, el primer paso debería ser una auditoría energética, que proporcione una imagen clara del consumo de energía del edificio. Con base en estos datos, es posible determinar si la CHP es viable, seleccionando la configuración del sistema más adecuada si ese es el caso.