Cogeneración Análisis de Viabilidad

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Análisis de Vialidad Técnica y Económica.
Selección y Análisis del Sistema de Cogeneración
Dr. Miguel ASUAJEDr. Miguel ASUAJE
Octubre 2005
Contenido
Información Requerida
Factores que definen la Vialidad
Procesamiento de la Información
Factores más Importantes para la selección
Mapa Energético del centro consumidor
Efecto de la Relación Q/E
Otros Valores Importantes
Diagrama Resumen
Información Requerida 
Se requiere saber?
Cuánto?
Cómo? 
Qué tipo?
Información Requerida 
Consumos y demandas de vapor, agua caliente, energía 
eléctrica (Un buen indicador: Facturación)
Tipos combustibles usados en la planta y en el Mercado
Equipos existentes: calderas, turbinas, generadores, salas 
de control
Información de planta física. i.e. Espacio 
Precios y costos de los combustibles y de la electricidad 
Horas de operación de la planta
Planes de crecimiento
Tener claros los criterios aplicados de rentabilidad 
Oportunidades de financiamiento 
Oportunidades de comercializar excedentes eléctricos
Viabilidad del Proyecto 
Principales Factores
DisponibilidadRelación 
Calor/electricidad
Combustible Costo 
Inversión
Protección Ambiental
Situación 
Geográfica
Es un problema multivariable donde se deben considerar todos 
los factores 
Procesamiento de la Información
COSTOS DE LA ENERGÍA
INDICE DE CONSUMO
ENERGÉTICO
RELACIÓN ENERGÍA 
TÉRMICA/ENERGÍA 
ELÉCTRICA
CURVAS DE DURACIÓN 
DE CARGAS
En cuanto a los costos de energía
COMBUSTIBLE
Costo Actual Facturado y 
proyección
Costos de preparación y/o 
manejo del combustible
CORRIENTES 
ENERGÉTICAS
Determinar la cantidad de 
un combustible (CEC) 
quemado para la 
producción de vapor de 
vapor o fluidos a alta 
temperatura
ELECTRICIDAD
Costo actual de las 
facturas mensuales, el que 
está compuesto por los 
cargos por consumo y por 
demanda, que si es el 
caso, será diferenciado en 
horarios base, intermedio, 
semipunta y punta o pico
En cuanto a los costos de energía
PCB
hhEC
⋅
−
=
η
12C
1000
C Comb
vapor
PCEC ⋅
=
El consumo específico de Combustible
Los costos del vapor debido al combustible 
CEC Consumo Especifico de Combustible en kg o m3 de combustible/kg de vapor en kg/kg o m3/kg
h1 Entalpía del agua de alimentación de la caldera en kJ/kg
h2 Entalpía del vapor a la salida de la caldera en kJ/kg
PCB Poder calorífico Bajo del combustible en kJ/kg o kJ/m3
η Eficiencia de la caldera o generador de vapor
Cv Costo unitario del vapor, considerando exclusivamente el combustible en $/Ton
CEC Consumo Específico del Combustible en kg o m3
FA Costo unitario del combustible en $/kg ($/m3)
Una Tabla Resumen?
Índices de Consumo 
Energético
A partir de las estadísticas de 
consumo energético, o bien de los 
análisis de comportamiento de 
equipos y sistemas, y de las 
estadísticas de producción, se 
calcularán los índices de consumo 
de energía, resultado del cociente 
de ambos términos
RELACIÓN ENERGÍA 
TÉRMICA/ENERGÍA ELÉCTRICA 
[ ]
[ ]kJEléctricaEnergíadeAnualConsumo
kJTérmicaEnergíadeAnualConsumo
E
Q
=
[ ]
[ ]kWtricaMáximaElécDemanda
kWTérmicaMáximaDemanda
E
Q
=
Se define la relación calor/electricidad (Q/E) como …
Los requerimientos de potencia eléctrica y de energía térmica 
son diferentes para cada planta
O en función de las demandas …
Sirve para 
identificar los 
esquemas de 
cogeneración cuya 
relación 
adimensional de 
producción de calor 
y electricidad se 
ajuste a la existente 
en planta
CURVAS DE DURACIÓN DE CARGA TÉRMICA Y 
ELÉCTRICA …
Máxima Carga Térmica?
Con la evaluación de las demandas térmica y eléctrica que ocurren en 
una aplicación es el de aproximar las necesidades particulares de la 
instalación a las características inherentes de uno o varios esquemas de 
cogeneración
La pregunta es: 
Quiero satisfacer
Máxima Carga Eléctrica?
Ambas?
El análisis de las estadísticas de demanda 
energética definirán por lo tanto 
diferentes relaciones Q/E que indicarán la 
aplicabilidad de los esquemas 
seleccionados preliminarmente
energía 
vs. 
tiempo
Perfiles 
mensuales
Perfiles diarios
Perfiles horarios
La selección del Ciclo de 
Cogeneración
Factores más Importantes
La relación Q/E
La calidad del calor requerido
Los costos de los equipos que dependen de la tecnología 
seleccionada
Para un estudio de previabilidad se considera aceptable los 
costos del equipo dentro de un rango de ± 25%, lo que es 
consistente con tomar valores promedio de cargas
El tipo de combustible a utilizar por su costo y su disponibilidad
El tamaño del sistema ya que algunas tecnologías se vuelven 
competitivas solamente en capacidades mayores de un MW
Por otro lado, si la cogeneración es parte de un proyecto nuevo 
no se tienen restricciones de espacio para la selección del sistema 
más adecuado
Si por el contrario es resultado de una adaptación en una planta 
ya operando es necesario considerar la disponibilidad de espacio
Considerar la posibilidad exportar excedentes de energía
Mapa Energético de un Centro de 
Consumo
B
Excedente de calor
a disipar en pérdidas
Calor a generar por
sistema auxiliar
Exportación de
electricidad
Importación de
electricidad
Situación del centro 
consumidor
A
D
C
Calor útil (MWt)
Energía
eléctrica
(MWe)
Casos Observados
Punto A: Requerimiento de sistema auxiliar de generación de calor útil
Se satisface la demanda eléctrica del centro
No se llega a producir la energía térmica requerida
i.e Se precisa obtener la diferencia mediante un sistema auxiliar
Los sistemas auxiliares más comunes son:
Sistemas de Recuperación con o sin Post-combustión
Calderas convencionales
Punto B: Importación de electricidad
Se satisface la demanda térmica del centro 
Se necesita comprar electricidad de la red
Casos Observados
Punto C: Desperdicio de energía térmica
Caso más indeseable 
Se produce mayor calor útil que lo requerido
Se vende esta energía térmica o
Resulta una pérdida de energía
Punto D: Exportación de electricidad
Se obtiene el calor útil o energía térmica necesaria para el 
centro consumidor
Se produce una cantidad de electricidad mayor a la demandada
Se puede vender electricidad a la red
La Relación Q/E 
BAJA (2<Q/E)
MEDIA (2<Q/E< 4)
El ciclo superior debe tener mayor énfasis en la eficiencia de 
conversión de potencia. 
Motor reciprocante o un motor grande de turbina de gas
Rango general de la razón debe esperarse entre 3.2 a 6.4 GJ de calor 
de proceso por MW de salida eléctrica (una razón Q/E de 1 a 1.7)
Pequeñas turbinas de gas con quemadores suplementarios, son 
usadas como motores primarios (baja eficiencia: 18 a 25% ) 
Existe un calor de desperdicio considerable disponible en la corriente 
de salida. 
Con las configuraciones del ciclo superior descritas anteriormente, se 
tiene un rango general de salida térmica de 8.4 a 12.6 GJ de calor de 
proceso por MW de salida eléctrica, por lo se puede esperar una razón 
de Q/E de 2 a 4
La Relación Q/E 
ALTA Q/E >4
Turbina de vapor alimentada con vapor a baja, media o alta presión 
de los calentadores y uso de extracción a contrapresión o turbinas de 
extracción/condensación proveen las relaciones más flexibles
Esto es porque las condiciones de la entrada de vapor y la eficiencia 
de la turbina pueden variar para obtener la combinación más 
económica para la carga de vapor deseada.
Con una turbina de vapor de baja presión a contrapresión con un 
consumo específico de vapor de 55 kg/kWh, se requieren de 45.4 
toneladas de vapor/hr (aproximadamente 105 GJ/hr) para producir 1 
megawatt de electricidad
Con una turbina de alta presión extracción/condensación con un 
consumo específico de vapor de 3.6 kg/kWh, se necesita de 3,628 
kg/hr de vapor para generar 1 megawatt de electricidad. 
Otras características
TIPO
CALOR
DISPONIBLE
A PROCESO 
RAZÓN 
TÉRMICA-ELÉCTRICA
COMBUSTIBLES
COMUNES
Turbina de 
vapor
393.15 K a 
673.15 K 2 a 30
destilados,
gaseosos, 
residuales, 
residuos de madera
Turbina de
gas
393.15 K a 
773.15 K 1.2 a 4
residuales, 
gaseosos y
destilados
Motor
Reciprocante353.15 K a
393.15 K 0.8 a 2
residuales, 
gaseosos y 
destilados
En conclusión
Recopilación
de información
estadística
Análisis de
información
Selección del 
sistema de 
cogeneración y 
equipo 
adecuado
Cálculo de los 
ahorros 
económicos
Evaluación 
económica
Recomendaciones
y conclusiones
Elaboración de 
informe del estudio
Evaluación 
técnica
de alternativas
•General
•Facturación de energéticos
•Producción
•Proceso
Satisfacer:
•100 % demanda térmica o
•100 % demanda eléctrica
•Turbina de vapor
•Turbina de gas
•Motor de combustión Interna
•Ciclo combinado
	Contenido
	Información Requerida 
	Información Requerida 
	Viabilidad del Proyecto 
	Procesamiento de la Información
	En cuanto a los costos de energía
	En cuanto a los costos de energía
	Una Tabla Resumen?
	RELACIÓN ENERGÍA TÉRMICA/ENERGÍA ELÉCTRICA 
	CURVAS DE DURACIÓN DE CARGA TÉRMICA Y ELÉCTRICA …
	La selección del Ciclo de Cogeneración
	Factores más Importantes
	Mapa Energético de un Centro de Consumo
	Casos Observados
	Casos Observados
	La Relación Q/E 
	La Relación Q/E 
	Otras características
	En conclusión