Apunte-Cogeneración - Alfredo Solari

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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEMA: COGENERACIÓN 
 
ASIGNATURA: GESTIÓN DE LA 
ENERGÍA Y EL MEDIO AMBIENTE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ing. Leonardo C. Ferrari 
 
Año: 2019 
 
 
 
 
 
Extraído de: 
 
COGENERACIÓN; ING. NORBERTO SCHEVELOFF; Ministerio de Energía Subsecretaria 
de Energía; Dirección Nacional de Conservación y Nuevas Fuentes de Energía 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
 
INDICE 
 
 
¿QUÉ ES LA COGENERACIÓN? 
 
¿CUÁL ES LA CONVENIENCIA DE COGENERACIÓN? 
 
-Conservación de la energía. 
-Preservación del medio ambiente. 
-Ahorro en los gastos de consumo de energía. 
-Disminución de las inversiones. 
 
¿CUÁL MÁQUINA TÉRMICA CONVIENE UTILIZAR? 
 
-Ciclos “topping” de cogeneración. 
-Ciclos “bottoming” de cogeneración. 
-Cogeneración con turbinas de vapor. 
-Cogeneración con motores Diesel. 
-Cogeneración con turbinas de gas. 
 
¿DÓNDE UTILIZAR LA COGENERACIÓN? 
 
-Cogeneración industrial. 
-Calefacción de distritos urbanos. 
-Aire acondicionado-Refrigeración. 
-Precalentamiento del aire de combustión. 
-Ciclos combinados. 
-Repotenciación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
¿QUÉ ES LA COGENERACIÓN? 
 
 
Cuando a partir de una fuente de energía térmica se acciona un generador eléctrico 
mediante un motor Diesel, una turbina de gas, una turbina de vapor u otra máquina 
térmica, sólo una baja fracción de la energía contenida en el combustible es 
convertida en energía mecánica y eléctrica, mientras que, por el principio de 
funcionamiento de las máquina térmicas, el resto de la energía debe ser disipado al 
medio ambiente, provocando el calentamiento del aire atmosférico o de los cursos 
de agua circundantes. El aprovechamiento de este calor residual constituye la base 
de la Cogeneración. 
 
La cogeneración se define como la producción secuencial de energía mecánica o 
eléctrica, y de energía térmica útil, a partir de una fuente de combustible, en 
contraposición con los sistemas convencionales que producen una u otra de estas 
energías de manera independiente. Así, tradicionalmente la energía del combustible 
empleado en las máquinas térmicas sólo es utilizada para generar potencia mecánica 
o eléctrica, y la empleada en los hornos, sólo es utilizada para generar calor. 
 
El orden de producción de estas energías cogeneradas, puede tener dos variantes. La 
primera es la de utilizar el nivel de calor de más alta temperatura para producir 
energía mecánica o eléctrica, antes de entregar energía térmica útil al proceso 
industrial. La segunda es la de utilizar el calor residual recuperado de un proceso 
necesitado de energía térmica de alta temperatura, para luego producir energía 
mecánica o eléctrica. 
 
La producción combinada de potencia y calor resulta conveniente sólo cuando 
permite obtener economías en el consumo de combustible, en comparación con la 
producción separada de electricidad y calor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
¿CUÁL ES LA CONVENIENCIA DE LA COGENERACIÓN? 
 
La producción combinada de electricidad y calor brinda grandes ventajas en lo que 
respecta a la conservación de la energía, la preservación del medio ambiente, el 
ahorro de los costos de consumo de energía, y el monto de las inversiones necesarias 
para su utilización. 
 
Conservación de energía. 
 
La generación tradicional de energía mediante máquinas térmicas se logra con un 
rendimiento de alrededor del 35%, lo que significa que aproximadamente un 65% de 
la energía calórica aportada al ciclo, es disipada al exterior sin ningún provecho. 
 
La cogeneración de vapor en las calderas o de calor en los hornos, se logra con un 
rendimiento térmico medio del orden del 75-85% 
 
Estos valores son superados en la cogeneración conjunta de electricidad y calor, la 
que permite alcanzar rendimientos térmicos combinados del orden del 85%, lo que 
significa que tan sólo un 15% de la energía proporcionada por el combustible al ciclo 
de cogeneración, es disipado al medio ambiente. 
 
Preservación del medio ambiente. 
 
El mayor rendimiento de los sistemas de cogeneración con respecto a los sistemas 
independientes de producción de potencia y calor útil, permite utilizar menor 
cantidad de combustible para cubrir las mismas necesidades energéticas, por lo que, 
al disminuir las emisiones contaminantes, se preserva la pureza del medio ambiente. 
 
Además, la consecuente reducción del calor disipado al medio ambiente, tiene como 
consecuencia una disminución de la contaminación térmica del aire atmosférico y de 
las vías de agua. 
 
Ahorro en los gastos de consumo de energía. 
 
Si bien el usuario que utiliza la cogeneración sigue consumiendo en sus procesos 
industriales las mismas cantidades de energía eléctrica y calórica útil, resulta de su 
adopción una ventaja económica con respecto al costo de la adquisición de 
electricidad a la Empresa Eléctrica de Servicios Públicos, y os combustibles para la 
generación de calor al Distribuidor de Combustibles. Al beneficio económico al nivel 
del usuario por el empleo de la cogeneración, se añade el beneficio a nivel del país 
por el ahorro consecuente de energía primaria. 
 
Además, como los equipos de cogeneración se instalan en los mismos centros de 
consumo, se reduce la utilización de los sistemas de transmisión eléctrica a larga 
distancia, quedando en disponibilidad para otros nuevos usuarios del Servicio Público 
de Electricidad. 
 
Disminución de las inversiones. 
 
Los enormes recursos financieros necesarios para la construcción de las grandes 
centrales térmicas, o para la ampliación de las existentes, no resultan tan 
abundantes ni constituyen inversiones tan atractivas como en épocas anteriores. 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
Los sistemas de cogeneración, de potencias más limitadas y con ciclos térmicos de 
diseños más sencillos, requieren menores inversiones por unidad de potencia 
instalada, pudiendo además ser habilitados en tiempos más breves, y por lo tanto 
resulta mucho más interesantes para los inversores. Esto demanda una coordinación 
en la relación entre las tarifas eléctricas y de los combustibles en conjunto con una 
reglamentación relativa a la interconexión e intercambio de energía de los 
cogeneradores con el Servicio Público de Electricidad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
¿CUÁL MÁQUINA TÉRMICA CONVIENE UTILIZAR? 
 
Para la combinación del suministro de potencia eléctrica y calor, diversas soluciones 
con diferentes ciclos permiten cubrir una vasta demanda de energía eléctrica y 
térmica. 
 
Los ciclos utilizados en cogeneración pueden desarrollarse mediante los siguientes 
equipamientos: 
 
� Caldera y turbina de vapor: 
 
• Turbina de contrapresión. 
• Turbina con extracción controlada del vapor y condensación. 
 
 
� Motor Diesel, con caldera de recuperación del calor e intercambiador de 
calor. 
 
� Turbina de gas y caldera de recuperación de calor. 
 
� Ciclo combinado de gas y vapor. (Turbina de gas, caldera de recuperación 
del calor y turbina de vapor). 
 
� Ciclo de recuperación del calor del Proceso. (Caldera de recuperación del 
calor y turbina de vapor) 
 
Los equipamientos para estos ciclos difieren sustancialmente en su tamaño, precio, 
tipo de combustible a utilizar, relación entre la energía eléctrica y térmica 
suministrada, flexibilidad en su operación, etc. 
 
Los ciclos de cogeneración, de acuerdo al orden de la secuencia de producción de las 
energías eléctricas y calórica, según lo mencionado anteriormente, pueden ser los 
denominados ciclos “topping” y “bottoming”. 
 
Ciclos topping de cogeneración (generación de potencia seguida de producción de 
calor). 
 
1. Con turbina de vapor. 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
 
2. Con máquinas de combustión interna.(Motor Diesel o turbina de gas). 
 
 
 
Ciclos “bottoming” de cogeneración. (Producción de calor útil seguida de 
generación de potencia). 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
Para la elección del equipamiento necesario no hay una solución general. La 
optimización depende de diversos factores entre los cuales se cuentan las 
condiciones requeridas para el suministro de vapor (caudal, presión y temperatura), 
la producción necesaria de energía eléctrica, la simultaneidad de las cargas térmicas 
y eléctricas, su número anual de horas de funcionamiento, la seguridad del servicio, 
el tipo y costo del combustible disponible, las restricciones de las autoridades con 
respecto a la contaminación del medio ambiente, la posibilidad de interconexión e 
intercambio de energía con el servicio público de electricidad, las tarifas eléctricas, 
la disponibilidad de capital, etc. 
 
Un ciclo determinado puede ser muy eficiente para cierta actividad, pero no para 
otra de diferente índole, lo que requiere efectuar un minucioso análisis en cada caso. 
 
Cogeneración con turbinas de vapor. 
 
La turbina de vapor a contrapresión, acoplada a un generador eléctrico, es el 
accionamiento tradicional para los sistemas de cogeneración, utilizando la extracción 
del vapor de escape de la turbina para la realimentación del consumo requerido de 
calor. 
 
Presenta amplias ventajas en cuanto a confiabilidad, gastos de mantenimiento y 
flexibilidad en el tipo de combustible a utilizar en el generador de vapor. En cambio 
existe una relación rígida entre la producción de vapor y la generación de potencia. 
 
 
Turbina a contrapresión. 
 
Su aplicación es especialmente ventajosa en instalaciones con alta demanda de carga 
calórica en relación a la carga eléctrica (típicamente entre 4:1 a 12:1). Con plena 
carga calórica tiene una elevada eficiencia total del orden del 85%, pero ésta 
desciende a menos del 20% si la demanda de carga calórica es baja. 
 
Cuando la necesidad de energía eléctrica del sistema supera a la que pueda 
corresponder con la del calor suministrado por la turbina a contrapresión, se emplea 
la turbina con extracción controlada del vapor, mediante la cual se deriva hacia el 
consumo de calor, cierta cantidad regulada de vapor parcialmente expandido en la 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
turbina, mientras que el resto del vapor completa su expansión en la máquina, y pasa 
al condensador de la manera convencional. 
 
Se logra con este tipo de turbina una mayor flexibilidad de operación que con la 
turbina a contrapresión, ya que, si el consumo no requiere vapor sino energía 
eléctrica, el condensador trabaja simplemente a plena capacidad. 
 
 
Turbina a condensación con extracción. 
 
La condensación del vapor en el condensador de la turbina, implica la derivación al 
medio ambiente de cierta cantidad de calor no aprovechable, lo que produce una 
disminución de la eficiencia total del ciclo. 
 
Cogeneración con motores Diesel. 
 
El motor Diesel tiene una elevada eficiencia para la generación de potencia 
eléctrica, compitiendo ventajosamente con la mayoría de los motores térmicos 
primarios de otro tipo, presentando además una amplia tolerancia en cuanto al tipo y 
calidad de combustible a utilizar. 
 
El calor residual resultante del accionamiento del motor Diesel, se pierde 
normalmente en los gases de escape de los productos de combustión y en el agua de 
refrigeración de sus componentes y del sistema de lubricación. 
 
Este calor residual puede recuperarse bajo la forma de vapor y de agua caliente, 
mediante el empleo de calderas de recuperación del calor e intercambiadores de 
calor. 
 
El aprovechamiento del calor no afecta ni limita la producción de potencia eléctrica 
del motor Diesel, al contrario de lo que sucede en los ciclos con turbinas de vapor. 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
Recuperación de calor del Motor Diesel. 
 
La eficiencia total para la producción de electricidad asociada con la de vapor y agua 
caliente puede ser muy elevada, del orden del 80%. 
 
Este ciclo de cogeneración se caracteriza por la baja relación entre la carga calórica 
y la carga eléctrica (típicamente 0,9:1 a 1,3:1), con un moderado aprovechamiento 
del agua caliente y del vapor de baja presión. 
 
Cogeneración con turbinas de gas. 
 
La elevada temperatura con la cual salen hacia la atmósfera los gases de combustión 
de la turbina de gas, constituye la base de su utilización en los sistemas de 
cogeneración, donde el aprovechamiento calórico se logra mediante el empleo de 
una caldera de recuperación de los gases de escape. 
 
El ciclo simple o ciclo abierto normal de la turbina de gas, y el ciclo combinado 
(turbina de gas y turbina de vapor aprovechando los gases de escape de aquella), 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
junto a una caldera de recuperación del calor, constituyen los ciclos básicos 
empleados para cogeneración con turbinas de gas. 
 
 
 
Cogeneración con ciclo simple de turbina de gas 
 
 
Cogeneración con ciclo combinado. 
 
Una amplia variedad de sistemas de cogeneración puede ser desarrollada alrededor 
de estos dos ciclos, utilizando calderas de recuperación sin o con combustión 
adicional, lo que permite obtener una gran flexibilidad y lograr la mayor 
aproximación posible a los requerimientos de la demanda. 
 
De esta manera la relación entre la carga calórica y la eléctrica puede variar desde 
1,7:1 para la cogeneración con ciclo simple y caldera de recuperación sin 
combustible adicional, hasta 3,8:1 para un ciclo simple y caldera con combustión 
adicional, mientras que para un ciclo combinado con combustión adicional, esta 
relación es del orden de 2,5:1. 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
Por otra parte, en un ciclo combinado puro, el aprovechamiento del calor de escape 
de la turbina de gas para la producción exclusiva de energía eléctrica, permite 
obtener un rendimiento energético global de más del 50%, rendimiento superior al de 
cualquier maquina térmica moderna, permitiendo lograr con el aporte de la turbina 
de vapor, un aumento de la capacidad de generación eléctrica del orden del 50% al 
60% de la potencia de turbina de gas. 
 
 
Ciclo combinado puro. 
 
A continuación, se resumen los valores típicos de eficiencias que pueden obtenerse 
con producción separada de electricidad y calor, o con producción cogenerada 
mediante distintos ciclos de turbinas de gas. 
 
Eficiencias con producción separada de electricidad y calor. 
 
Generación de potencia. 
 
 
 
 
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Figura 10. 
 
Producción de calor. 
 
 
 
Figura 11. 
 
Eficiencias de la cogeneración con turbinas de gas. 
 
Cogeneración con ciclo simple de turbina de gas. 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
 
Figura 12. 
 
Cogeneración con ciclo combinado turbina de gas - turbina de vapor. 
 
 
 
Figura 13. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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¿DÓNDE UTILIZAR LA COGENERACIÓN? 
 
Cogeneración industrial. 
 
Un amplio rango de procesos industriales requiere electricidad y calor bajo la forma 
de vapor, líquidos o gases calientes, que, al ser producidos mediante un sistema de 
cogeneración, permite obtener importantes beneficios económicos. 
 
Entre las industrias que pueden adoptar estos sistemas, se encuentra las de 
alimentación, textil, pulpa y papel, química, materiales de construcción, vidrio y 
cerámica, metales no ferrosos, siderurgia, mecánica, minería, etc. 
 
 
 
Figura 14. 
 
Calefacción de distritos urbanos. 
 
La calefacción de distritos urbanos situados en zonas frías, con requerimientos de 
agua caliente para uso domiciliario y comercial, junto al suministro de electricidad, 
puede efectuarse de manera muy eficiente mediante el empleo de sistemas de 
cogeneración. 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
 
Figura 15. 
 
Aire acondicionado – Refrigeración. 
 
El calorrecuperado de un sistema de cogeneración puede ser empleado en forma 
económica en sistemas de refrigeración por absorción o en el suministro de aire 
acondicionado. 
 
Según la época del año, de acuerdo a la variabilidad del clima, el sistema puede 
utilizarse por tanto para la provisión de aire acondicionado, como para calefacción. 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
 
Figura 16. 
 
Precalentamiento de aire de combustión. 
 
Los gases de escape de las turbinas de gas contienen un exceso tan grande oxígeno 
como para admitir una ulterior etapa de combustión, pudiendo así suministrar aire de 
combustión precalentado a un amplio rango de calderas y hornos de diversas 
categorías, reduciéndose notablemente su consumo de combustible. 
 
 
 
Figura 17. 
 
 
 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
Ciclos combinados. 
 
La elevada energía térmica contenida en los gases de escape de las turbinas de gas, 
permite mediante la utilización de una caldera de recuperación del calor, el 
accionamiento de un ciclo con turbina de vapor. La potencia suplementaria 
producida, sin que sea necesario el consumo de mayor cantidad de combustible, es 
del orden del 50% al 60% de la potencia de la turbina de gas (ver esquema térmico de 
la Fig. 9). 
 
Repotenciación. 
 
Antiguas centrales eléctricas con turbinas y ciclos de vapor en aceptable estado de 
funcionamiento, pero con calderas muy deterioradas por el uso, pueden ser 
reincorporadas al sistema eléctrico mediante un sistema de cogeneración, 
alimentando a las turbinas con vapor proveniente de una caldera de recuperación del 
calor, conectada a la salida de los gases de escape de una turbina de gas. Al tener la 
turbina de gas una potencia aproximadamente doble de la turbina de vapor 
existente, la potencia eléctrica primitiva de la central resulta triplicada. 
 
 
Figura 18. 
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COGENERACIÓN LEONARDO CARLOS FERRARI 
 
 
Figura 19. 
 
Factores de conversión de Combustible / Energía. 
 
A continuación, se muestran los factores de conversión de energía que son de utilidad 
para realizar cálculos estimados en base a los rendimientos de las configuraciones 
mostradas anteriormente. 
 
Combustible / Energía Unidades 
Factor de conversión 
unitario a TJ 
Carbón Toneladas 3,2 x 10-2 
Electricidad (comprada 
de la red) 
MWh 
kWh 
3,6 x 10-3 
3,6 x 10-6 
Aceite Pesado (n°6, n°4, 
bunker) 
Litros 
Toneladas 
4,12 x 10-5 
4,29 x 10-2 
Aceite liviano (gas oil, 
kerosene, diesel oil, n°2) 
Litros 
Toneladas 
3,8 x 10-5 
4,56 x 10-2 
LPG, Propano Litros 2,51 x 10-5 
Gas Natural 
m3 
Termias 
3,86 x 10-5 
1,055 x 10-4 
Vapor (5 - 100 bar) 
Toneladas 
GJ 
2,38 x 10-3 
1,0 x 10-3 
 
Notas: 
 
1) Los múltiplos decimales son: 1012 tera (T); 109 giga (G); 106 mega (M); 103 kilo 
(k); 102 hecto (h); 10 deca (da). 
 
2) La termia (símbolo: th) es una unidad de energía, equivalente a 1 millón 
de calorías. También recibe el nombre de Mega caloría. Se usa en el 
suministro de gas natural para calcular las facturas. Como el gas suministrado 
tiene un poder calorífico algo variable, el cobro se hace en termias en vez 
de m³, ya que el gas está basado por energía. 
 
3) Energía en TJ = cantidad en la unidad indicada x factor de conversión. 
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Ejemplo de uso de los factores: 
 
1) ¿Cuánta energía posee 1000000 m3 de gas natural? 
 
2) ¿Cuánta energía posee 5000000 kWh de electricidad? 
 
3) ¿Cuál sería el consumo de gas natural en m3/hr para una configuración como 
la de la figura 11, que produce 100 toneladas de vapor por hora? 
 
4) ¿Cuál sería la generación de electricidad en MWh para una configuración como 
la de la figura 12, que consume 20000 m3/hr de gas natural? 
 
5) ¿Cuál es el rendimiento de una turbina de vapor, de acuerdo a la información 
suministrada en las figuras 11 y 12?