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Cogeneración

La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil (vapor, agua caliente sanitaria). Si además se produce frío (hielo, agua fría, aire frío, por ejemplo) se llama trigeneración. La cogeneración se define como la producción secuencial de energía eléctrica y/o mecánica y de energía térmica aprovechable en los procesos industriales a partir de una misma fuente de energía primaria, y es hoy, una alternativa como método de conservación de energía para la industria, acorde con las políticas de globalización económica regional y a la política internacional orientada a lograr un desarrollo sustentable. Producción general de energía eléctrica o mecánica y energía térmica útil a partir de la misma fuente primaria. • Auto producción. • Producción conjunta, en proceso secuencial de electricidad y energía térmica útil. • Producción combinada de calor y electricidad. Cogeneración es la producción combinada de energía eléctrica (o mecánica) y energía térmica (calor y/o frío) obtenida por el uso secuencial de energía a partir de un mismo combustible. En otras palabras, la cogeneración se basa en una racionalidad termodinámica y económica, ya que niveles más elevados de eficiencia inciden en la reducción significativa del consumo de combustible y de los demás costos asociados, incluyendo el costo ambiental. (http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=265&tip=7)

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"La trascendencia de la cogeneración de energía en el mundo y los proyectos para llevarla a cabo, ha experimentado un importante desarrollo, y dentro de las causas de este cambio, se pueden considerar, el alza en los precios de los combustibles, su marcada reducción, el avance de la tecnología en las energías renovables y las políticas de reducción de emisiones de gases del efecto invernadero que están plasmadas en las metas de los diferentes países". En el contexto mundial se ha presentado un aumento significativo de la participación de energías alternativas motivado por:

a- _Preocupación por el cambio climático b- _Precios del petróleo c- _Mayor conocimiento tecnológico d- _Incentivos económicos

EL ESTADO ACTUAL DE LA COGENERACIÓN La entrada de la cogeneración dependerá entre otras de:

a- La variabilidad de los costos de combustibles. b- La firmeza de la producción del sector industrial por el crecimiento

económico del país. c- Disponibilidad de firmeza de combustibles. d- La evolución de los costos de inversión como de los costos de energía.

Los primeros sistemas de cogeneración en el mundo datan de la primera década del siglo XX, cuando el suministro de energía eléctrica provenía de las grandes centrales, que dado el desarrollo incipiente de los medios de transmisión, no estaba disponible para todos. Como consecuencia, los consumidores medianos comenzaron a instalar sus propias plantas de generación, hasta que los sistemas de cogeneración llegaron a representar en la década de los ‘40 cerca del 50% de toda la energía eléctrica generada en Estados Unidos. Sin embargo, para el inicio de los ‘70, la cogeneración sólo significaba el 3% de la electricidad generada, pero los conflictos del petróleo de 1973 y 1978 forzaron a los países a revisar su matriz energética y crearon programas de conservación de energía. Hoy día, la cogeneración representa más del 10% de toda la energía generada en Estados Unidos, mientras que en Dinamarca corresponde al 27,5%, y en Holanda a aproximadamente 25%.

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Usos comunes de la palabra Cogeneración

Co-generar es producir alguna cosa al mismo tiempo que otra, o en conjunto con algo (o alguien) más. Así, la palabra no es estrictamente técnica y puede ser utilizada en diferentes contextos. La cogeneración, definida como la generación simultánea en un proceso de energía térmica útil (calor útil) y eléctrica y/o mecánica, es un modo muy eficiente de conversión de la energía. Su uso tiene impactos positivos en la economía, el medio ambiente, el uso responsable de los recursos y en la seguridad del suministro energético. La cogeneración también conocida como CHP (calor y electricidad combinados), en los países de la UE25, produce el 10% de toda la electricidad y aproximadamente la misma cuota de calor. La cogeneración no es sólo una alternativa válida para la gran industria. Las pequeñas empresas, edificios públicos, incluso los propietarios de viviendas unifamiliares pueden utilizar esta tecnología y aprovechar sus beneficios. La situación más común de un edificio u otra instalación es la necesidad de energía eléctrica y calor, por un lado, y la reducida eficiencia de las instalaciones existentes, por otro. En muchos casos, la solución es una planta de cogeneración. Sin embargo, existen una serie de obstáculos que pueden influir en la decisión de implantación de este sistema.

Definición técnica de Cogeneración

Por otra parte, técnicamente hablando, cuando se hace referencia a un proceso de conversión de energía, Cogeneración se define como: La producción de potencia y calor directamente aprovechable, a partir de una fuente común de energía. Definiendo potencia como el trabajo por unidad de tiempo y no se limita a su modalidad eléctrica, sino que puede aplicar también a la generación de potencia mecánica como en el caso de turbinas impulsando directamente compresores o bombas; y calor directamente aprovechable significa, en este contexto, energía

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térmica que debe ser suministrada a otro proceso cuyo fin no sea la producción de potencia.

Por ejemplo, un equipo que necesite vapor o gases para calentar un producto; por último, fuente común de energía se refiere a que de una misma unidad “portadora” de energía (e.g. metro cubico gas, kilo de carbón, un litro de diésel) se obtienen, a través de uno o varios procesos de conversión, la potencia y el calor aprovechable. Esto significa que dos equipos independientes produciendo potencia y calor (cada uno por su lado) no estarían operando en modo de cogeneración, aunque utilicen el mismo tipo de combustible. Por tanto la cogeneración hace referencia al proceso, no al equipo.

Definición Termodinámica:

En una planta de generación termoeléctrica se quema normalmente un combustible fósil para producir vapor a alta temperatura y presión, el cual se hace pasar por una turbina para generar energía eléctrica. En este proceso, aún en las plantas más eficientes, se logra la conversión a electricidad de menos del 46% de la energía disponible como calor en el combustible; el resto se descarga a la atmósfera, mediante los gases producto de la combustión que salen por la chimenea del generador de vapor y en los sistemas de condensación y enfriamiento del ciclo termodinámico. Aunque la cantidad de calor que se desecha a la atmósfera es muy grande, es de baja temperatura relativa, en otras palabras de baja capacidad para realizar un trabajo útil dentro de las plantas generadoras.

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La mayoría de los procesos industriales y aplicaciones comerciales, requieren de vapor y calor a baja temperatura. Así ellos pueden combinar la producción de electricidad y calor para los procesos, aprovechando la energía que de otra forma se desecharía, como ocurre en las centrales termoeléctricas convencionales; a esta forma de aprovechar el calor de desecho se le conoce como cogeneración.

Trigeneración

Se define trigeneración como la producción conjunta, de electricidad, calor y frío, a partir de un único combustible. Básicamente, una planta de trigeneración es sensiblemente igual a una de cogeneración a la que se le añade un sistema de absorción para la producción de frío. (http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/plantas-de-trigeneracion)

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Funcionamiento

En un sistema convencional de generación, la electricidad se produce por un dinamo o alternador, movidos por una máquina de combustión (motor o turbina), la cual aprovecha la energía química del combustible; Los hidrocarburos como el carbón, el gas, el petróleo y sus derivados tienen almacenada energía, la cual durante su combustión se transforma en calor, la que se puede aprovechar para producir movimiento, es decir energía mecánica o eléctrica. El sistema convencional de generación aprovecha entre el 25% al 46% (calculado sobre el poder calorífico inferior - LHV); el resto de este poder químico, se disipa en forma de calor. Por el contrario un sistema de generación mediante cogeneración, aprovecha una gran parte de la energía térmica de la combustión, la cual normalmente se disiparía a la atmósfera o a una masa de agua.

Al usar gran parte de la energía térmica sobrante de la combustión, el Proceso de Cogeneración aprovecha entre el 54 y 92% de la energía química del combustible; logrando ahorros de un 20 a un 45 % por el aumento de la eficiencia de la conversión. Otra ventaja, y no pequeña, es que al producir la electricidad cerca del punto de consumo, se evitan cambios de tensión y transporte a larga distancia, que representan una pérdida notable de energía por efecto Joule (se calcula que en las grandes redes esta pérdida está entre un 25 y un 30%). La cogeneración es una de las principales medidas que pueden aplicarse para lograr una política de ahorro y uso eficiente de la energía, así como para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.

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La Eficiencia

El proceso de cogeneración tiene un reparto más o menos fijo entre producción eléctrico/mecánica y calor. Como las necesidades de ambas energías pueden variar de forma diferente es frecuente que haya un excedente de alguna de ellas La eficiencia de la planta se puede medir mediante unos coeficientes: (http://jesuselectrico.blogspot.es/1394330932/cogeneracion-en-mexico/ http://es.scribd.com/doc/132236660/Cogeneracion)

FUE, factor de uso de energía, que es el cociente de la energía eléctrica generada, más el calor útil, entre la energía aportada al motor de combustión interna. Este es el rendimiento global de la instalación.

RCE, relación calor/electricidad, que es el cociente entre el calor útil o aprovechable, y la potencia eléctrica generada por el conjunto motor-generador. El primero es el más importante ya que da idea del rendimiento global de la instalación.

Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos grandes edificios en los que el calor puede emplearse para calefacción, para refrigeración (mediante sistemas de absorción) y preparación de agua caliente sanitaria como por ejemplo grandes centros comerciales, ciudades universitarias, hospitales, etc. El principio de la Cogeneración es simple: La generación de electricidad convencional tiene un promedio de eficiencia menor al 46%, lo que implica que al menos el 54% del potencial de energía se desperdicia como calor.

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La Cogeneración reduce estas pérdidas mediante el uso del calor en el proceso productivo de una industria, o en la climatización de un comercio, hotel u otro tipo de edificio. La ventaja de la cogeneración es su mayor eficiencia energética ya que se aprovecha tanto el calor como la energía eléctrica de un único proceso, en vez de utilizar una central eléctrica convencional para cubrir las necesidades de calor y una caldera convencional. Otra ventaja, y no pequeña, es que al producir la electricidad cerca del punto de consumo, se evitan cambios de tensión y transporte a larga distancia, que representan una pérdida notable de energía por efecto Joule (se calcula que en las grandes redes esta pérdida está entre un 25 y un 30%). Un proceso de Cogeneración siempre incluirá un generador de electricidad y un sistema de recuperación de calor. El uso del calor permite que la eficiencia de un proceso de cogeneración alcance eficiencias de hasta el 92% . Adicionalmente la electricidad generada por una planta de cogeneración normalmente se utiliza localmente lo que elimina las pérdidas en transmisión y distribución. Por tanto, la cogeneración ofrece ahorros de energía en un rango entre 20 y 46% en comparación con el suministro de electricidad y calor obtenido de plantas y calderas convencionales. Dado que el transporte de electricidad en largas distancias es más fácil y menos costoso que el transporte de calor, las instalaciones de cogeneración se ubican lo más cerca posible al lugar en el que se va a consumir el calor; la dimensión ideal deberá coincidir con la demanda de calor máxima; lo que normalmente supone un exceso de producción de electricidad sobre la demanda de la instalación estudiada. este exceso de producción puede ser vendido al nodo o a otro consumidor de electricidad a través de la red de distribución. El dimensionamiento de la planta de cogeneración en base a la demanda térmica ofrece el máximo aprovechamiento de la energía térmica producida, esto es: la máxima eficiencia posible y la reducción de emisiones a la atmosfera, en particular de CO2, el principal gas de efecto invernadero.

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La cogeneración ofrece a la industria asociada (el consumidor de la energía térmica y eléctrica) grandes ahorros en sus costes energéticos, produciendo un incremento de su competitividad.

Ahorro de Energía y Costes

Un esquema de cogeneración bien diseñado siempre ofrecerá una mejor eficiencia energética que una planta convencional, dando lugar a ahorros de energía y costes. Sólo se usa un combustible para generar electricidad y calor, por lo que los ahorros dependerán del diferencial de precio entre el combustible utilizado (Gas) y la compra de electricidad que el sistema logra evitar. Sin embargo, aunque normalmente el beneficio de la cogeneración resulta del abaratamiento de la electricidad, su éxito depende del uso productivo del calor recuperado, por lo que el criterio principal son unas necesidades térmicas adecuadas. Como regla general, es probable que la cogeneración sea adecuada cuando haya una demanda constante/estable de calor de al menos 4.500 horas al año. El horario de demanda de la industria es también un factor a tener en cuenta para establecer los ahorros de costes, será más eficiente si opera durante las horas de tarifas eléctricas elevadas.

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Beneficios de la Cogeneración

Beneficios para la sociedad: Los sistemas de Cogeneración aportan múltiples ventajas para los industriales, para CFE y para el país y la sociedad en general, algunos son: Para el país y la sociedad:

a- Ahorro de energía primaria b- Disminución de emisiones contaminantes c- Desarrollo regional y creación de empleos a- Reducción de pérdidas de transmisión, transformación y distribución . b- Costos evitados por generación, transmisión y distribución c- Diferir inversión en nuevas instalaciones d- Mayor margen de planeación del sector eléctrico e- Liberación de capacidad de la red y de las subestaciones eléctricas f- Mejoramiento de la calidad del servicio por la compensación de reactivos

Beneficios para el usuario:

g- Reducción costos de energéticos para el mismo proceso. h- Beneficios medioambientales a causa de la mayor eficiencia en el consumo

de combustible. i- Flexibilidad, resulta adecuado para instalaciones. j- Mayor control sobre el suministro de la energía. k- Las emisiones de CO2 se reducen, en consonancia con los esfuerzos por

detener el efecto del calentamiento global del planeta y, además, las reservas de combustibles son conservadas como resultado del consumo eficiente.

l- Mayor eficiencia y confiabilidad m- Cumplimiento de la normatividad ambiental n- Disminución de la factura energética ( electricidad + combustible ) o- Mejor calidad de energía, de acuerdo al proceso p- Incremento de competitividad por reducción de costos de producción

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Para lograr estas eficiencias de conversión de energía primaria, las plantas de Cogeneración se diseñan para suministrar toda la energía térmica requerida (agua caliente, agua helada para acondicionamiento de aire o vapor). Esto produce normalmente un excedente de energía eléctrica, que en la mayoría de los países de la OECD se entrega a la red pública o a terceros vía porteo de electricidad.

Beneficios Medioambientales:

La cogeneración produce significantes beneficios medioambientales mediante el uso eficiente de combustibles fósiles. En particular es un método altamente efectivo en la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y de dióxido de azufre (SO2). En las plantas de combustión moderna también se producen ahorros de emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx).

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¿Dónde es recomendable la cogeneración?

La cogeneración tiene una larga historia de uso en muchos tipos de industria, particularmente en papeleras e industrias químicas, que tienen grandes demandas concurrentes de calor y electricidad. En años recientes, la mayor disponibilidad y variedad de tecnologías ha implicado que la cogeneración sea una propuesta práctica y atractiva para un amplio rango de aplicaciones, incluyendo procesos industriales, edificios públicos y comerciales y esquemas de climatización por distrito, todos ellos con demandas de calor considerables. Estas aplicaciones están resumidas en la siguiente tabla: Potenciales oportunidades de aplicación de cogeneración en el sector industrial:

Industria farmacéutica y química Fabricación de papel y tableros Fabricación de Cerveza, Destilerías, Malteado Fábricas de Cerámicas Fábricas de Ladrillos Cementeras Industrias Alimentarias - Proceso de alimentos Procesos textiles Procesos minerales Refinerías de Crudo Hierro y Acero Industria del Motor Horticultura e Invernaderos Madereras

Potenciales oportunidades de aplicación en Edificios:

Hoteles Hospitales Centros de ocio, gimnasios y piscinas Campus Universitarios y centros escolares Aeropuertos Prisiones, cuarteles militares Supermercados y grandes almacenes, centros comerciales, malls

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Edificios de oficinas Climatización por distrito

Potenciales oportunidades de aplicación en Energías Renovables:

Tratamiento de aguas residuales Granjas Avícolas y tratamiento de purines y otros residuos agrarios Cultivos Energéticos Energía a partir de residuos, gasificado de residuos sólidos urbanos Incineradoras municipales de residuos Vertederos Incineradoras hospitalarias

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El Modelo Económico de GE Caribe en la Cogeneración:

Asumidos los ahorros de costes energéticos que se consiguen con la cogeneración, GE Caribe propone un variado rango de aprovechamiento y distribución de esos ahorros:

Desde la venta directa de la energía térmica y eléctrica al socio industrial con descuentos sobre los costes alternativos de compra de esa misma energía eléctrica y los costes de producción del calor con calderas, repartiendo los ahorros entre el inversor en la planta de cogeneración y el socio industrial.

Hasta la construcción llave en mano de la planta de cogeneración que quedaría en propiedad de la industria consumidora de la energía quien se beneficiaría del 100% de los ahorros producidos por la planta de cogeneración.

La recientemente aprobada ley de la Industria Eléctrica, reglamentaria de los artículos 25, párrafo 4º; 27 párrafo 6º y 28, párrafo 4º de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos regula el funcionamiento en cuanto al consumo y venta de la energía eléctrica producida en las plantas de cogeneración. Dicha ley establece las condiciones y reglamentos para la venta de los excedentes de electricidad producidos en las plantas, ya sea a un usuario calificado (consumidor de gran volumen), o en el mercado eléctrico mayorista, estableciendo la posibilidad de dimensionar las plantas de cogeneración de acuerdo a la demanda térmica y permitiendo así conseguir la mayor eficiencia energética posible al producir toda la térmica requerida.

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Listado de Abreviaturas sistemas cogeneración http://www.cogeneramexico.org.mx/anexos/MyP.pdf ACS Agua Caliente Sanitaria CCGT Combined Cycle Gas Turbine CCHP Combined Cooling Heat and Power generation CFE Comisión Federal de Electricidad CHP Combined Heat and Power Generation CODE Cogeneration Observatory and Dissemination Europe CONUEE Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía CRE Comisión Reguladora de Energía CRO Ciclo Ranking Orgánico EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz (Renewable Energy Act) EU European Union FIT Feed In Tariff FONATUR Fondo Nacional de Fomento al Turismo GBP Pound Sterling GEI Gases de Efecto Invernadero GHG Green House Gas GIZ Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit GW Giga Watts GWhe Giga Watt hours of electricity HFO Heavy Fuel Oil HHV poder calorífico superior de un combustible HRSG Heat Recovery Steam Generator IMSS Instituto Mexicano del Seguro Social INEGI Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática ISSSTE Instituto de Seguridad y Servicios Sociales para los Trabajadores del Estado kV kilo Volt kW Kilo Watt kWe Kilo Watt eléctrico kWt Kilo Watt termico kWh Kilo Watt hora kWhe kilo Watt hours of electricity LAERFTE Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento para la Transición Energética LPG Liquefied Petroleum Gas LSPEE Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica

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LHV poder calorífico inferior de un combustible MW Mega Watt MWe Mega Watts of electricity MWh Mega Watt hora OCGT Open Cycle Gas Turbine p/kWh Pence (UK) per Kilo Watt hours PEMEX Petróleos Mexicanos PJ Peta Joule PyMEs Pequeñas y Medianas Empresas QFs Qualifiying Facilities RT Refrigeration Tons SENER Secretaría de Energía SGIP Self Generation Incentive Program SME Small and Medium Enterprises SS Secretaría de Salud t/a tons per year (año) TDR Toneladas de refrigeración TWh Tera Watt hours TWhe Tera Watt hours of electricity UNAM Universidad Nacional Autónoma de México