eficiencia energética en el sector industrial de
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Eficiencia energética en el sector industrial de generación y distribución de vapor:
Posibilidades y retos de cara al desarrollo sustentable
Por
Dr. Gabriel León de los Santos
Ing. Yessica Paulina Trejo Domínguez
Procesos y uso eficiente de la energía
Posgrado de Energía, Facultad de Ingeniería-UNAM
Introducción
En la actualidad y más que en los años setentas, se mantiene una grande y esperanzadora idea de buscar en
el desarrollo de fuentes alternas de energía una opción al creciente reto de dar abasto confiable y
suficiente a las necesidades energéticas que demandan los países, sus economías, sus sectores industriales
y de servicios, en general a la demanda energética de las necesidades de la población.
Esto sin duda requiere de todo el esfuerzo y convicción con el que se atiende y gestiona actualmente en el
mundo, sólo que el enfoque sea centrado en más y nuevas opciones energéticas como visión principal y de
mayor relevancia; por ejemplo, para el libro al cual está sección pertenece, el alcance del libro al inicio de
su concepción sólo se enfocaba en las energías alternas como opción a la creciente demanda de energía y
del cuidado del medio ambiente, hizo falta hacer labor de convencimiento ante los planificadores del libro
para que “otro” pilar de desarrollo para cubrir las necesidades de energía y cuidado del medio ambiente
tuviera conciencia y cabida en el libro.
Así como el desarrollo, aprovechamiento y cuidado de las fuentes de energía renovable son un pilar
fundamentar para contribuir al desarrollo sustentable, la eficiencia energética también lo es; al hacer que
la energía se use mejor, rinda más y por ende dure más.
En este trabajo se va a mostrar porque lo es y se dará una justificación sustentada en su potencial técnico
para contribuir al cuidado del medio ambiente, al abasto confiable y suficiente de las necesidades
energéticas que demanda el desarrollo económico y social de los países. Será objetivo de este trabajo
mostrar porque la eficiencia energética puede tener en términos de aporte energético una igual o mayor
relevancia que las energías alternas y renovables viables para el desarrollo sustentable de nuestros países,
economías y sociedad.
1. Contexto energético de desarrollo de la eficiencia energética en sector de generación de
vapor industrial.
La seguridad energética, el crecimiento económico, el bienestar y felicidad de la población, así como la
conservación del medio ambiente son las problemáticas más importantes a resolver para lograr el
desarrollo sustentable de los seres humanos.
Desde el aspecto político a nivel internacional, se ha mostrado una iniciativa de cooperación a favor de
mitigar el cambio climático ante el reconocimiento del aumento en la temperatura media global,
estableciendo así como objetivo al menos una reducción del 50% de las emisiones de gases de efecto
invernadero (GEI) para el año 2050, donde la mayor atención deberá concentrarse en el sector energético,
dado que en este contribuye con el 60% de las emisiones de GEI (OECD/IEA (2010). Energy Technology
Perspectives Pág. 62.), como se menciono en la reunión ministerial de la Agencia Internacional de Energía
(IEA, por sus siglas en inglés) en octubre de 2009.
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Sin embargo, se deben de considerar las implicaciones económicas que esto conlleva, además de la
situación de crisis económica mundial que se vive desde el año 2008, debida a la recesión económica
mundial y la fragilidad de los mercados financieros, que dieron como resultado la disminución de
inversiones de capital privado en los países en desarrollo, como lo comunicó en el 2009, el Banco
Mundial.
Por lo cual, establecer un modelo energético, que cumpla con las expectativas de crecimiento deberá de
contemplar no sólo los desafíos tecnológicos y económicos, sino también los aspectos sociales, dado que
el éxito de este; conlleva una gran responsabilidad social por parte de la población mundial al tratar de
establecer mas conciencia y racionalidad en el consumo de productos y energía, y una mesura en la
voracidad de los capitales por crear y acumular cada vez mas y mas riqueza a expensas del agotamiento de
los recursos del planeta.
2. Modelo energético de oferta y consumo en el sector industrial
Las energías secundarias como la electricidad y el vapor son fuentes energéticas de uso final en la
industria, como por ejemplo para dar abasto y servicios de iluminación, calefacción, agua caliente, y vapor
para procesar y transformar materias y crear productos, vía calderas, hornos, motores eléctricos, lámparas
y equipo electrónico, entre muchos otros. Es por ello que el consumo de energéticos en la industria se
constituye de electricidad y de diferentes combustibles para llevar a cabo la generación de energía térmica
en forma de vapor, agua caliente y refrigeración.
En este contexto, y para tener una línea base de comparación de la potencialidad de aporte de la eficiencia
energética a la sustentabilidad de la demanda energética en la industria, se requiere primero hacer la
caracterización de la oferta, demanda, y formas de consumo energético del sector industrial vía forma de
abasto eléctrico, mas el proceso de generación de vapor, para este ultimo vía el consumo de combustibles
que están relacionados con la generación de vapor, como son el gas natural, bagazo de caña, diesel,
gasóleo industrial, combustóleo y gas licuado.
En la caracterización de los consumos de estos combustibles sólo se consideraran el de las industrias en
las que el mayor consumo de combustible esta designado para el funcionamiento de las calderas, es decir
en la generación de vapor para proceso y en menor medida para los servicios, como es el caso de la
industria petroquímica, química, azucarera, de celulosa y papel, de cerveza y malta, aguas envasadas,
hules, de fertilizantes, tabaco, minería, construcción y otras ramas, dejando de lado a la industria
automotriz, del aluminio, cementera, del vidrio y siderúrgica, dado que sus consumos energéticos se
encuentran relacionados al uso en hornos y no en calderas.
De esta manera, la tendencia en el año 2010 muestra que el combustible más utilizado por el sector
industrial para los propósitos de este enfoque es el Gas seco (63.39%), seguido de bagazo de caña
(14.2438%), posteriormente el diesel (7.70%), combustóleo (7.45%) y por último gas licuado (7.22%).
Posteriormente como se muestra en la Tabla 1, se tiene de la tendencia histórica de consumo que el gas
natural, gas LP y el diesel van al alza mientras que el combustóleo va en descenso, el bagazo de caña
tiene un comportamiento más estable al solo depender de una rama de la industria.
Tabla 1. Consumo histórico en México de combustibles relacionados con generación de vapor año
Sector industrial (PJ) 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Bagazo de caña 80.59 84.46 83.60 84.57 86.23 99.47 90.64 90.22 93.71 83.99 81.71
Gas licuado 3.09 2.23 2.05 2.12 2.17 2.21 2.71 3.08 3.17 3.19 3.54
Diesel (1) 9.44 8.24 7.84 8.00 8.13 8.06 10.33 11.00 11.64 10.61 10.13
Combustóleo 91.10 84.78 73.94 59.58 60.78 59.96 44.24 46.09 38.68 33.81 27.93
Gas seco (2) 244.73 227.21 220.03 224.96 225.66 234.01 198.83 202.57 200.35 182.97 193.14
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Total de combustibles 428.95 406.91 387.47 379.22 382.97 403.71 346.75 352.96 347.55 314.57 316.44
Electricidad (3) 36.00 32.65 33.00 33.71 34.62 34.42 35.65 36.65 36.59 35.15 38.67
Total de Energía 464.95 439.56 420.47 412.93 417.59 438.13 382.40 389.61 384.14 349.72 355.11
Combustible 92.26% 92.57% 92.15% 91.84% 91.71% 92.14% 90.68% 90.59% 90.47% 89.95% 89.11%
Electricidad 7.74% 7.43% 7.85% 8.16% 8.29% 7.86% 9.32% 9.41% 9.53% 10.05% 10.89%
(1) A partir de 1991 incluye gasóleo industrial, el cual fue sustituido por combustible industrial en 1998.
(2) Incluye gas no asociado.
(3)No incluye autogeneración de energía eléctrica. Datos de balance Nacional de Energía, 2010, SENER
3. Eficiencia energética en el sector industrial
El desarrollo tecnológico y la industrialización de las actividades humanas, siempre ha requerido de
fuentes de energía para poder conseguir el producto deseado. Siendo así que desde los inicios de la
industria aparecieron diversos fluidos de trabajo, capaces de de absorber y entregar energía, el vapor como
sustancia de trabajo fue el primer medio utilizado para mover los primeros motores de los medios de
transporte, telares y engranes industriales. Posteriormente otro gran avance fue la obtención del fluido
eléctrico, y con el llego la iluminación y los motores eléctricos. El desarrollo y la competencia entre las
industrias dieron origen a la optimización de los procesos a fin de hacerlos más eficientes y económicos,
generando así la diferenciación entre industrias competitivas y las no tanto.
Lo anterior es posible dado que en el uso convencional de la energía se tiene que de la generación térmica
convencional se utiliza1 del 75% al 84% debido a la tecnología de las calderas, dado que se presentan
perdidas de calor entre el 25% al 16 %, mientras que por el lado de la generación eléctrica convencional,
esta solo se aprovecha2 del 25 % al 56%, teniendo así pérdidas dentro del 75 % al 44% debido al tipo de
sistema de generación eléctrica que se use.
La búsqueda de formas de optimizar los procesos lleva a desarrollar nuevos y a perfeccionar los ya
existentes y en consecuencia la reducción de costos de producción, dando origen al eslogan de producir
más con menos. Siendo así que bajo este concepto de productividad surgieron los primeros conceptos de
ahorro de energía y cogeneración para hacer eficiencia energética.
4. Estrategias y programas gubernamentales de eficiencia energética
Dentro de las estrategias implementadas en el mundo con el fin de coadyuvar a la iniciativa de
implementación sistemas más eficientes, se han creado varias normas internacionales, programas
gubernamentales, así como la creación de escenarios como es el caso del Mapa Azul (Blue Map), de la
IEA, donde se cuantifica la reducción de emisiones de GEI al contar con procesos que utilicen la
cogeneración, así como la captura de bióxido de carbono, CO2.
Respecto a las normas que se relacionan con el uso eficiente de la energía se tiene la Norma Internacional
ISO 50001, Energy Management System – Requirement with Guidande for use. La cual se tomo como
base para generar la Norma Mexicana NMX-J-50001-ANCE-IMNC-2011; que facilita a las
organizaciones a establecer sistemas y procesos necesarios para mejorar su desempeño energético,
incluyendo la eficiencia energética, el uso y el consumo de energía, la reducción de las emisiones de GEI,
costos de la energía y otros impactos ambientales relacionados con la energía. Basándose en el ciclo de
mejora continua: Planificar-Hacer-Verificar-Actuar (PHVA).
1 Calderas tubos de humo (75%) y tubos de agua (84%) 2 Micro turbinas y pequeños motores de combustión interna (25%), pasando por motores y turbinas de gas y vapor mas grandes y mas eficientes, hasta llegar a las celdas de combustible (56%).
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Respecto a la norma ISO 50001, esta ha sido diseñada para ser implementada por cualquier organización,
no importando tamaño, actividad, si es del sector público o privado, ni localización geográfica. Además
de que esta, no fija los objetivos para mejorar la eficiencia energética, ya que esta es una actividad que
debe ser realizada por la organización usuaria de la norma, o por las autoridades regulatorias, así cada
organización puede implementar la norma ISO 50001 para establecer una línea base y así mejorar sobre su
ritmo propio en su contexto y capacidades.
Existen diversos organismo como la Organización Latinoamericana de Energía, OLADE cuya misión es la
de contribuir a la integración, al desarrollo sostenible y la seguridad energética de la región, asesorando e
impulsando la cooperación y la coordinación entre sus Países Miembros.
5. Potencialidad de las medidas de ahorro de energía en generación y distribución de vapor
Medidas de Ahorro de energía en generación de vapor
Al instalar los equipos auxiliares ahorradores de energía disponibles en las calderas, la eficiencia de estas
se vera incrementada, esto permitirá llevar la eficiencia convencional de las calderas a un máximo. Sin
ningún problema se podrá pasar de la eficiencia de 75 a 80 o de 82 a 86%, acercándose estos valores a las
mejores practicas industriales disponibles comercialmente y operacionalmente. Ahora bien, esto puede
realizarse vía las siguientes medidas:
Cambio de combustible
La operación de una caldera depende de varios aspectos que dependiendo de ellos el funcionamiento y
mantenimiento resultaran más sencillos y económicos. El tipo de combustible usado en la operación de la
caldera se refleja ampliamente en los costos de operación del equipo, debido al precio del combustible,
eficiencia de operación y mantenimiento.
La eficiencia de la caldera depende básicamente de las condiciones en que se encuentran sus partes que
realizan la transferencia de calor del gas caliente al metal de tubos, espejos y hogar. Por ello eso mejor el
uso de combustibles que sean más limpios con la finalidad de disminuir el hollín, producto de la
combustión, que actúa como una capa de material aislante, lo cual interfiere con la transferencia de calor,
reflejándose así en la reducción de la capacidad de evaporación de la máquina y por ende de su eficiencia
y en un mayor uso de combustible.
Como ejemplo de lo anterior se encuentra el diesel y combustóleo que al contener mas impurezas
producen un nivel alto de hollín. La combustión con gas genera mucho menos contaminantes y es más
sencillo ajustar la combustión, esto permite tener menos dificultades para obtener el visto bueno para la
operación de la caldera ante SEMARNAP (norma de ecología 085 de emisiones para fuentes fijas) y
demás organismos verificadores, y permite aminorar el impacto ambiental al reducir la emisión de
partículas a la atmósfera en beneficio de la salud de quienes respiramos este aire.
Además se tiene la diferencia entre poder superior e inferior del combustible (PCS-PCI), ésta es la primera
pérdida de energía por el solo hecho de quemar el combustible, y se refleja en que los combustibles
gaseosos tienen menor pérdida que los líquidos
Carburación automática
La operación automática y manual de una caldera requiere del monitoreo periódico de los parámetros de
emisión de los productos de la combustión, debido a dos requerimientos: a) cumplir con lo establecido por
la norma en cuanto a emisiones por fuentes fijas; b) garantizar el máximo aprovechamiento de la energía
contenida en el combustible, evitando que se pierda por formación de CO y altos excesos de aire.
El objetivo de este equipo es mantener el nivel máximo de formación de CO2, con lo que se garantiza que
todo el carbón contenido en el combustible se oxide completamente con el oxigeno del aire evitando la
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formación de CO (combustible a medio quemar) y de hollín, esto se debe realizar de la manera más
eficiente, para lo cual se deberá obtener un balance entre el exceso de aire y la formación de CO, en el
entendido de que un alto exceso de aire y CO son parámetros de una mala eficiencia de combustión;
Además de que la falta de aire es un factor para formación de CO, hollín y escoria.
Con la finalidad de lograr los valores requeridos para una combustión eficiente, se hace uso del sistema de
combustión automático, respetando los valores de exceso de oxigeno marcados por la norma.
Cambio de Quemadores
Un quemador estequiométrico y de alta modulación es aquel que garantiza valores lo más apegados a la
combustión teórica y por tanto realiza con la mayor eficiencia la transformación de la energía química
contenida en los combustibles a energía calorífica contenida en los gases de combustión; y además
permite a la caldera bajar carga en relaciones de hasta 10:1 en vez de 10:3. Por otro lado un quemador de
alta modulación garantiza que durante los periodos de variación de carga, los equipos no estén arrancando
y parando , esto debido a que pueden ajustar sus parámetros de funcionamiento como son flujo de
combustible y aire al mínimo, evitando así paros por alta presión, lográndose reducir el desgaste de
piezas, riesgo de fallas al encendido, perdidas de calor debidas al enfriamiento causado por los barridos y
venteos.
Dando como beneficio global la reducción de costos de mantenimiento, pérdidas de combustible y
seguridad de operación. Cabe remarcar la facilidad con que estos quemadores cumplen con la norma
ecológica, evitándose así las molestias y contratiempos para conseguir los permisos de operación ante la
autoridad.
Instalación de economizador
La función de un economizador esta directamente relacionada con el ahorro de calor latente suministrado
al agua para su proceso de ebullición. La relación entre el ahorro de calor y economizador se establece
cuando el economizador transfiere calor ganado a los gases de combustión al agua de alimentación, la
cual al estar dentro de la caldera requerirá menos calor del combustible para alcanzar la temperatura de
ebullición; con esto, el calor del combustible durante la combustión se utilizará en evaporar el agua y no
en calentarla, lográndose una mayor generación de vapor, acercándose está a las condiciones nominales.
Sistema de Purgas automáticas
El no purgar adecuadamente una caldera ocasionara altos costos de mantenimiento vía tratamientos
químicos ó mecánicos para desincrustación, o en el peor de los casos cambio de tubos, espejos, tubo cañón
en las pirotubulares ó tubos en acuatubulares debido a picaduras o incrustación irremovible. Por el otro
lado, costos de operación elevados dados por la extracción excesiva de agua durante la purga sin control.
La concentración permisible de materia mineral disuelta en el agua dentro de la caldera esta en función del
tiempo de operación, dado que a medida que transcurre el tiempo de operación se va incrementando su
concentración. A medida que el agua se evapora, la materia mineral se precipita y acumula, por esta razón
debe purgarse en forma continua ó periódica.
Los fabricantes de equipos de suavización de agua garantizan los valores en el agua de alimentación,
para esto requieren la dureza total del agua a tratar y capacidad de la caldera para determinar el modelo y
tamaño del equipo. Con estos parámetros es posible determinar el nivel de purga óptimo.
Sustitución de Aislamientos
Los aislamientos en las calderas juegan un papel discreto desde la perspectiva de pérdidas de calor y
relevante desde el punto de vista de elementos de trabajo dentro del funcionamiento de las maquinas;
como lo es el formar las mamparas y la protección de las partes metálicas del calor; de hecho sólo se
cambian cuando una de estas dos funciones ya no puede realizarse.
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Poca importancia tiene un incremento de temperatura en las superficies aislantes (10ºC a 15ºC), esto no
será motivo de su sustitución, ni preocupación para tratar de disminuir al mínimo la temperatura en las
superficies, debido a que su efecto no es percibido en forma directa sobre la operación de la caldera.
Para establecer el potencial de ahorro de calor en el aislamiento, se realiza primeramente la evaluación de
las pérdidas a través del envolvente y en general de toda la caldera bajo condiciones estándar de
temperatura de operación y dimensiones de calderas. La determinación de las pérdidas por convección y
radiación en la superficies, se apoya en la obtención vía termográfica de las temperaturas medias
encontradas en las superficies, para aislamientos en buenas condiciones, y su comparación cuando estos
están en malas condiciones.
Medidas de Ahorro de energía en distribución de vapor y retorno de condensados
Sistema de Trampeo y purgas de tuberías
El vapor durante su paso por la tubería está sujeto a caídas de presión debidas a la fricción, mas
enfriamiento por disipación de calor por el material de la tubería, lo cual se asocia a la disminución de su
temperatura, y por ende a la generación de condensado dentro de la tubería.
El sistema de trampeo es un dispositivo cuya función es eliminar el vapor condensado, adicionalmente
puede eliminar el aire y otros gases no condensables, previniendo así la perdida de presión adicional por
arrastre de condensado y con ello de energía. En el caso del aire y los gases no condensables, estos a su
vez pueden afectar al equipo ya que causan corrosión.
Sistemas de Aislamiento en tuberías
El recubrimiento con materiales aislantes de la red de distribución de vapor, así como del retorno de
condensado es de gran importancia dado que con esto se garantiza una mejor conservación del flujo de
calor que lleva el vapor, con esto se logra la disminución de generación de condensados y con ello los
problemas que estos traen consigo, además de un sistema de trampeo mas grande y costoso.
Sistema de Retorno de Condensados
Recolectar y reutilizar el condensado de vapor después de que este fue utilizado en el proceso industrial
trae como resultado en primera instancia ahorro en el consumo de agua de alimentación, además de que al
llevarse a cabo la recolección del vapor condensado permite tener ahorro de energía al recuperar junto con
el agua su calor a temperaturas mayores con respecto al agua de repuesto que viene de la red o del pozo,
previamente desmineralizada, ayudando con esto a los sistemas de precalentamiento de agua de
alimentación, así como al de tratamiento de agua, y reduciendo el calor que debe aportar la caldera para ir
saturando la fase liquida del agua antes de evaporarla.
Fugas
Las fugas de vapor, agua y gases calientes, sobre todo las de vapor dentro de una tubería, así como en
accesorios se traducen en pérdidas de calor muy comunes y visibles en la industria, en donde la
remediación consiste básicamente en operaciones de mantenimiento de la planta.
6. Potencialidad de la cogeneración y trigeneración en generación vapor y electricidad
La cogeneración surgió a principio de este siglo, no como una forma de ahorrar energía, si no como una
forma de hacer frente a la falta de fluido eléctrico en las regiones alejadas de los centros urbanos. Las
industrias que se establecían en estas zonas generaban su propio fluido eléctrico y reutilizaban el calor de
rechazo para abastecer de calor al proceso. Así la cogeneración es la producción de dos o más energías
secundarios como electricidad, vapor o refrigeración a partir una fuente primaria de combustible, como el
gas natural.
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Tabla 2.Potencial de reducción en el consumo de combustible en la generación, distribución y retorno de
condensados, por cada una de las medidas.
Mejora en la Eficiencia por medidas de ahorro Porcentaje de Mejora
Carburación automática 1.5 - 1.9%
Cambio de quemadores 1.6 - 1.7%
Economizador 1.5 - 1.8%
Sistema de purgas 1.7 - 1.9%
Aislamientos en caldera 1.0 - 3.0%
Sistema de trampeo 1.5 - 2.5%
Sistema de Aislamiento en tuberías 1.0 - 3.0%
Sistema de Retorno de Condensados 1.31 - 2.64%
Fugas 0.3 - 0.6
Máxima mejora posible 11.41 - 19.04%
A mediados del siglo XX comenzó a ser utilizada en los países más desarrollados además de en las
regiones más apartadas, en las industrias ubicadas en los grandes centros urbanos como forma de reducir
costos al mejorar la eficiencia térmica de los procesos, generando ahorros económicos al reducir los costos
energéticos, esto basado en un uso más racional de la energía térmica, al reutilizar una buena parte de la
energía rechazada en forma convencional por los sistemas de generación eléctrica, principalmente3.
Por esta forma de mejorar el uso de la energía, es que es de gran importancia y contribución a la
sustentabilidad llevar a cabo una modernización en el sector industrial, induciendo a la industria
establecida a que tome acciones técnico - operativas para modificar el funcionamiento de sus equipos y
procesos industriales, que permitan la optimización de procesos, equipos y sistemas mejorando así su
eficiencia a fin de reducir por un lado el consumo de energía e intrínsecamente la emisión de
contaminantes, y finalmente mostrando y haciendo que el gran potencial de la eficiencia energética
contribuya para compensar los incrementos en la demanda y el consumo de energía.
Potencialidad de los esquemas
La determinación de los valores de ahorro energético (%A) alcanzados por la cogeneración esta en
función del potencial de los esquemas (tecnologías y % de abasto térmico o eléctrico) de cogeneración,
respecto a la potencialidad de la forma convencional, para lograr dichos valores. Para ello deben
estudiarse las características técnicas dentro de las cuales pueden desenvolverse los esquemas de
cogeneración en función de sus eficiencias de generación alcanzadas y la mejora en la eficiencia
resultante.
Dentro de las condiciones de operación en la industria nacional se tiene que en aproximadamente el 70%
vapor producido en la industria es de baja presión debajo de 150 psi (10.5 kg/cm2), 20% de media presión
150 y 300 psi (10.5 y 21 kg/cm2) y solo el 10% de alta presión 300 y 600 psi (21 y 42 kg/cm2)4. La
eficiencia de generación agua - vapor de este requerimiento térmico se realiza con tecnología
mayoritariamente (70%) en tubos de humo hasta 300 psi, y con tubos de agua (30%) para 300 y 600 psi y
más. La eficiencia media resultante de estos procesos es de 77.46%.
3 También existen procesos donde es al revés, pero son mucho menos frecuentes 4Estimaciones propias, con datos recopilados durante 8 años de servicio en la industria
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Por su parte la generación eléctrica que se realiza en el país presento al 2010, una eficiencia media
ponderada 40.5% para las centrales eléctricas públicas (CFE), mientras que las Centrales privadas de
Productores Independientes de Energía (PIE) tienen una eficiencia media ponderada de 48%, como se
reporto en el Balance Nacional de Energía de 2010. Ponderando ambas eficiencia para la mezcla5 de
generación disponible en el mercado nacional se obtiene 42.93% de eficiencia eléctrica convencional para
el sistema eléctrico mexicano. Entonces, la generación de energía que es consumida en el sector industrial
y que es generada en forma convencional implica una eficiencia media global6 de 60.2 %, en función de
los 77.46 % para el vapor y del 42.93 % para la electricidad, en forma general.
La potencialidad de la cogeneración es básicamente función del esquema a usar y del uso máximo en la
recuperación del calor de rechazo. La implementación de esquemas de cogeneración sobre la base de las
características técnicas del aprovechamiento de la energía, como las eficiencias de operación de los
diferentes equipos, en conjunción con la estrategia que defina el usuario industrial, dará como resultado un
mayor o menor nivel de abasto de sus requerimientos energéticos.
En este texto se evalúan 3 diferentes esquemas de cogeneración
1) Esquema para cubrir el 100% de la demanda térmica
2) Esquema para cubrir el 100% de la demanda eléctrica
3) Esquema para maximizar el uso eficiente de la energía
Como ejemplo7 se toma el tercer esquema se tiene 35.86% de excedente de vapor y 64.90% de excedente
eléctrico, dando una eficiencia global de 88% y una mejora de 27.80% respecto a la convencional media
de 60.20%, como se muestra en la Tabla 3.
La mayor eficiencia media manejada es de 88%, lo que representa un ahorro medio global de 27.80%.
Este arreglo atendería al interés de optimizar el uso de la energía, por encima del de la venta de los
máximos excedentes eléctricos o térmicos. Desde el punto de vista del negocio se tendría que evaluar que
proporciona mayores beneficios, no solo económicos, si no también de ser industrial de su negocio de
origen o ser industrial del negocio de la venta de excedentes eléctricos
En resumen, los tres esquemas entre los cuales es posible desarrollar los esquemas de cogeneración y por
tanto el potencial de cogeneración, se muestran en la Tabla 4.
5 Aproximadamente ya en el año 2010, el sector publico aporta el 68% de la generación nacional y el sector privado el 32%. 6 En el 2001 era de 56.7%, y durante estos últimos año de PIE, aumento a los 60.2%, debido a su participación en la generación nacional y en su
eficiencia mas alta. 7 Eficiencia de generación y mejora
Esquema %A %hco *%hc
CI-HRSG 14.30% 70.80% 60.2%
CI-CHILLERS 14.30% 70.80% 60.2%
TV-E-C 18.50% 75.00% 60.2%
TV-CP 26.50% 83.00% 60.2%
TG-SPC-HRSG 10.37% 70.56% 60.2%
TG-CPC-HRSG 27.81% 88.00% 60.2%
Eficiencia media en la empresa eléctrica y en la generación de vapor industrial
CI: motor combustión interna; HRSG: caldera de recuperación; TV turbina de vapor; E-C: con extracción a condensación;
CP: a contra presión; TG: turbina de gas; SPC: sin poscombustión; CPC: con poscombustión.
Fuente: Elaboración propia, con datos propios y de fabricantes
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Tabla 3. Esquema de Cogeneración con 35.86% de excedente de vapor y 64.90% de excedente eléctrico
Consumo
total
Unidades
de energía
Unidades
de
Calor
Unidades
de
Pérdida
Unidades de
Electricidad
Unidades
de
Pérdida
Generación Unidades
de
Pérdida
total
Q/E y eficiencia
global
Convencional 200 *77.46 22.54 42.94 57.06 120.40 79.60 1.80
% abasto
135.81%
164.90%
60.20% 39.80%
Cogeneración 200 105.2 0 *70.8 24 176 24
88.00% 12.00% 1.49
Mejora
obtenida 0.00% 35.81%
64.90%
27.80%
Mejora en la eficiencia C Vs. CO 27.80%
C: convencional
Co: cogeneración
* Eficiencias de generación típicas de generación de vapor convencional y de esquemas de cogeneración, véase también Tabla Eficiencia de
generación y mejora
Fuente: Elaboración propia
Tabla 4. Resultados obtenidos para cada uno de los tres esquemas de cogeneración.
Esquema Vapor Vapor
excedente Electricidad
Electricidad
excedente
Eficiencia
global
Convencional 100% 0% 100% 0% 60.20%
Cogeneración 100% vapor 100% 0% 100% 48.24% 70.56%
Cogeneración 100%
electricidad 100% 56.50% 100% 0% 82.47%
Cogeneración 135.81%
vapor 165% electricidad 100% 35.81% 100% 65% 88.00%
Sin embargo, los beneficios económicos estarán en función de estos niveles y de los precios de los
combustibles, de los precios de venta de los excedentes, de los costos de instalación y operación. Dos
plantas similares, operando en diferentes lugares y con diferentes niveles de ineficiencias X, tendrán
mayores o menores beneficios económicos para un mismo nivel de reducción en el consumo energético.
En la Tabla 4, se puede ver el potencial de mejora en la eficiencia global que es posible lograr con los
esquemas de cogeneración en función del esquema a usar, en comparación con la forma convencional.
Estos resultados además de mostrar los ahorros, permitirán evaluar el potencial o nivel de combustible que
ya no se consumirá al mejorar la eficiencia respecto a la convencional.
7. Ahorros de consumo de combustibles y de mitigación de emisiones
Al instalar los equipos auxiliares disponibles en las calderas, la eficiencia de estas se vera incrementada,
esto permitirá llevar la eficiencia convencional de las calderas a un máximo.
Con la nueva eficiencia adquirida en los sistemas y equipos de generación, distribución t retorno de
condensado, se cuantifica la reducción en consumo de combustible, así en las siguientes tablas se
presentan los valores de potencial de reducción de consumo de combustible en operando en condiciones
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típicas. Se muestran los resultados en función del escenario de consumo de combustibles histórico y su
proyección del año 2010 al 2018 en base al crecimiento tendencial, como línea base.
Después de se incorporan a las proyecciones los escenarios , dividido en reducciones por medidas de
ahorro de energía y por cogeneración, en ambas se proyecta el potencial viable técnicamente y
económicamente en su limite inferior y superior de disminución en el consumo de combustible, y el total,
es decir sumado el ahorro por cogeneración y por medidas de ahorro.
Fig. 1. Consumo historico de combustibles en el sector industrial para generación de vapor y proyección
del 2011 a 2020.
Nota: Se incluye el bagazo por que en su uso puede aplicarse eficiencia energética vía medidas de ahorro de energía no tanto por cogeneración
dado que ya se usa en cogeneración.
En la Figura 1, se tiene los consumos hístoricos hasta el 2010, de los cinco combustibles más utilizados en
el sector industrial, para llevar a cabo la generación de vapor, además de la prospectiva de los consumos
de los mismos a partir del año 2011 y hasta el 2020. Además se encuentra la linea de tendencia del
combustible equivalente a la generación eléctrica en el sector industrial, en el cual se considero que la
eficiciencia de promedio de generación eléctrica se incrementara de 42.93 % a 48% en el año 2020.
Lo anterior se llevo a cabo en base a una tasa promedio de crecimiento de cada tipo de industria relaciona
con el uso de vapor, contemplado así su crecimiento desde 1993 y hasta el 2010, esto sin considerar las
crisis económicas del 2001 y 2009, que aquejaron a México.
En las Figuras 2a y 2b, se muestras el potencial de ahorro en el consumo de combustibles al implementar
las diferentes medidas de eficiencia energética, obteniéndose así seis diferentes escenarios 1) Medidas de
ahorro de energía con un perfil alto (19.04%), 2 ) Medidas de ahorro de energía con un perfil bajo
(11.41%), 3) Cogeneración con un perfil alto(27.8%), 4) Cogeneración con un perfil bajo (10.36%), 5)
Total a , que toma en cuenta los ahorros de energía y cogeneración de perfil alto (36.54%) y 6) Total b,
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que toma en cuenta los ahorros de energía y cogeneración de perfil bajo (14.47%), esto porque en los
totales se descuentan los potenciales de ahorro en generación de vapor al no haber calderas y ser
sustituidas por recuperadores de calor.
Fig. 2a. Potencialidad de la eficiencia energética con el Ahorro de Energía y Cogeneración.
Nota: AE: Ahorro de Energía. Cog. : Cogeneración. a: Denota el perfil alto . b: Denota el perfil bajo. Total a: es la suma de los Ahorros de Energía altos más el perfil de Cogeneración alto. Total b: es la suma de los Ahorros de Energía bajos más el perfil de Cogeneración bajo.
Fig. 2b. Potencialidad de la eficiencia energética con el Ahorro de Energía y Cogeneración
Nota: AE: Ahorro de Energía. Cog. : Cogeneración. a: Denota el perfil alto . b: Denota el perfil bajo. Total a: es la suma de los Ahorros de Energía
altos más el perfil de Cogeneración alto. Total b: es la suma de los Ahorros de Energía bajos más el perfil de Cogeneración bajo.
Con esto se muestran que podrían lograrse montos de reducción en el consumo de energía de alrededor de
entre 14.47% y 36.54% por eficiencia energética, valor equiparable al aporte de las energías alternas; así
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que considerando el aporte de las energías alternas y de la eficiencia energética a la disminución del
consumo de combustibles de origen fósil, se tienen importantes aportaciones al desarrollo sustentable de
las economías de los países y contribución al bienestar.
8. Mitigación de misiones contaminantes a la atmósfera
El CO2 junto con el H2O y el calor son los únicos productos considerados como naturales de la reacción
de combustión. No existe ningún reglamento que restrinja su emisión en el país. Como es sabido el CO2
es el principal precursor del efecto invernadero y esta catalogado como contaminante sin frontera.
La mitigación debida a la reducción en el consumo de combustible o cualquier acción que mejore la
operación de la caldera y la red de distribución, o en su caso la generación conjunta de electricidad y
calor, se define como mitigación indirecta vía mejoras en la eficiencia o ahorros en costos de operación.
El uso de eficiencia energética llevara vía la reducción en el consumo de combustible a reducir la
formación y emisión de contaminantes.
El uso eficiente del poder calorífico inferior (PCI) conlleva tres beneficios intrínsecos:
Uno de interés directo al bolsillo del industrial, como lo es el reducir costos de operación por
medio de la disminución de la factura del combustible.
Otro de interés social, dado por la disminución en la emisión al medio ambiente al quemar menos
combustible.
Y un tercero con interés para los departamentos de mantenimiento y producción, dado por la
simplificación de trámites y acciones para cubrir los requisitos normativos en cuanto a la
operación de sus equipos.
En la Figura 3, se muestra los potencial de mitigación de emisiones al llevar cabo algunos de los
escenarios totales alto o bajo. El calculo se llevo a cabo con valores de índices medios de emisiones de
gases que contemplan al Gas Seco, Combustóleo, Diesel Industrial y Gas licuado, pero no el bagazo de
caña, dichos valores son los siguientes: 0.07101 kg CO2/ MJ, 5.27e-4 kg SO2/ MJ y 3.81e-5 kg NOx/ MJ.
En esta misma figura es posible observar que en ambos escenarios se presenta un gran potencial de
mitigación sobre todo para el CO2 , lo cual abre la puerta para poder establecer oportunidades de entrar en
el mercado de los bonos de carbono, mediante Mecanismo de Desarrollo Limpio.
Fig. 3. Reducción de emisiones con la Eficiencia energética
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Mediante esta estimación, la reducción de emisión de contaminantes debidos al uso de combustibles
fósiles de uso en forma convencional, podría tener una reducción indirecta de un 14.47% a un 36.54 % lo
que equivale a un total para el año de 2020 de 47.264 Mtoneladas de CO2, 25,359.56 toneladas de NOx y
350,773.92 toneladas de SO2, en un perfil bajo mientras que para el perfil alto se tiene 119.353
Mtoneladas de CO2, 64,038.58 toneladas de NOx y 885,782.93 toneladas de SO2.
Con este análisis se puede ver que el posible aporte de la eficiencia energética al desarrollo sustentable es
significativo, y en conjunto con las energías alternativas ofrecen al desarrollo de la economía recursos
energéticos sustentables y al medio ambiente posibilidades de frenado a las afectaciones climáticas y
tiempo para su remediación.
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Inglés
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