Cogeneración

Parte de una serie sobre
Energía sostenible
Conservación de energía Arcología Aislamiento de edificios Cogeneración Lámpara fluorescente compacta Hotel ecológico Eco-ciudades Casa ecológica Etiqueta ecológica Uso eficiente de la energía Auditoría energética Implementación de eficiencia energética Recuperación de energía Reciclaje de energía Lámpara de ahorro de energía Estrella de energía Almacenamiento de energía Planificación ambiental Tecnología medioambiental Eliminación progresiva de los combustibles fósiles El vidrio en los edificios ecológicos Construcción ecológica y madera Edificio verde Bomba de calor Lista de técnicas de construcción de bajo consumo energético Casa de bajo consumo energético Microgeneración Casa pasiva Diseño de edificios con energía solar pasiva Arquitectura sustentable Ciudad sostenible Hábitat sostenible Rehabilitación sostenible Almacenamiento de energía térmica Edificio verde tropical Conversión de residuos en energía Edificio con calefacción cero Edificio de energía cero
Energía renovable Biocombustible Sostenible Biogás Biomasa Combustible neutro en carbono Energía geotérmica Energía geotérmica Calefacción geotérmica Energía hidroeléctrica Hidroelectricidad Microhidráulica Pico hidro De pasada Pequeña central hidroeléctrica Energía de corriente marina Energía marina Energía de las mareas Barrera de marea Granja de mareas Generador de corrientes de marea Conversión de energía térmica oceánica Transición energética renovable Calor renovable Solar Ola Viento Comunidad Granja Aerogenerador flotante Pronóstico Industria Lente Describir Derechos Turbina Cinturón de viento Bomba de viento
Transporte sostenible Vehículo verde Vehículo eléctrico Bicicleta Vehículo solar Vehículo propulsado por viento Vehículo híbrido Humano-eléctrico Retorcer Enchufar Transporte impulsado por humanos Helicóptero Hidroala Vehículo terrestre Bicicleta Ciclo rickshaw Patinete Cuadraciclo Triciclo Velomóvil Patinaje sobre ruedas Patineta Caminando Embarcación Transportador personal Transporte ferroviario Tranvía Tránsito rápido Tránsito rápido personal
Categoría Portal de energías renovables
en a mi

La cogeneración o producción combinada de calor y energía ( CHP ) es el uso de un motor térmico ^[1] o una central eléctrica para generar electricidad y calor útil al mismo tiempo.

La cogeneración es un uso más eficiente del combustible o del calor, porque el calor que de otro modo se desperdiciaría en la generación de electricidad se utiliza de forma productiva. Las plantas de cogeneración recuperan energía térmica que de otro modo se desperdiciaría para calefacción . Esto también se denomina calefacción urbana de cogeneración. Las pequeñas plantas de cogeneración son un ejemplo de energía descentralizada . ^[2] El calor de los subproductos a temperaturas moderadas (100–180 °C (212–356 °F)) también se puede utilizar en refrigeradores de absorción para enfriar.

El suministro de calor a alta temperatura primero impulsa un generador alimentado por una turbina de gas o vapor . El calor residual de baja temperatura resultante se utiliza luego para calentar agua o espacios. A escalas más pequeñas (normalmente por debajo de 1 MW), se puede utilizar un motor de gas o un motor diésel . La cogeneración también es común en las plantas de energía geotérmica , ya que a menudo producen calor de grado relativamente bajo . Los ciclos binarios pueden ser necesarios para alcanzar una eficiencia térmica aceptable para la generación de electricidad. La cogeneración se emplea con menos frecuencia en las plantas de energía nuclear , ya que el NIMBY y las consideraciones de seguridad a menudo las han mantenido más alejadas de los centros de población que las plantas de energía química comparables y la calefacción urbana es menos eficiente en áreas de menor densidad de población debido a las pérdidas de transmisión.

La cogeneración se practicaba en algunas de las primeras instalaciones de generación eléctrica. Antes de que las centrales eléctricas distribuyeran la energía, las industrias que generaban su propia energía utilizaban el vapor de escape para calentar los procesos. Los grandes edificios de oficinas y apartamentos, los hoteles y las tiendas solían generar su propia energía y utilizaban el vapor residual para calentar los edificios. Debido al alto coste de la energía adquirida en sus inicios, estas operaciones de cogeneración continuaron durante muchos años después de que la electricidad de los servicios públicos estuviera disponible. ^[3]

Muchas industrias de proceso, como plantas químicas , refinerías de petróleo y fábricas de pulpa y papel , requieren grandes cantidades de calor de proceso para operaciones como reactores químicos , columnas de destilación, secadores de vapor y otros usos. Este calor, que normalmente se utiliza en forma de vapor, se puede generar a las presiones típicamente bajas que se utilizan en la calefacción, o se puede generar a una presión mucho más alta y pasar primero a través de una turbina para generar electricidad. En la turbina, la presión y la temperatura del vapor se reducen a medida que la energía interna del vapor se convierte en trabajo. El vapor a menor presión que sale de la turbina se puede utilizar entonces para generar calor de proceso.

Las turbinas de vapor de las centrales térmicas están diseñadas normalmente para ser alimentadas con vapor de alta presión, que sale de la turbina en un condensador que funciona unos pocos grados por encima de la temperatura ambiente y a unos pocos milímetros de presión absoluta de mercurio. (Esto se llama turbina de condensación ). Para todos los efectos prácticos, este vapor tiene una energía útil insignificante antes de que se condense. Las turbinas de vapor para cogeneración están diseñadas para la extracción de algo de vapor a presiones más bajas después de que haya pasado por varias etapas de la turbina, y el vapor no extraído pasa a través de la turbina a un condensador. En este caso, el vapor extraído causa una pérdida de potencia mecánica en las etapas posteriores de la turbina. O están diseñadas, con o sin extracción, para el escape final a contrapresión (sin condensación). ^{[4] [5]} El vapor extraído o de escape se utiliza para el calentamiento de procesos. El vapor en condiciones de calentamiento de procesos ordinarios todavía tiene una cantidad considerable de entalpía que podría usarse para la generación de energía, por lo que la cogeneración tiene un costo de oportunidad .

Una turbina de generación de energía típica en una fábrica de papel puede tener presiones de extracción de 160 y 60 psi (1,10 y 0,41 MPa). Una contrapresión típica puede ser de 60 psi (0,41 MPa). En la práctica, estas presiones se diseñan a medida para cada instalación. Por el contrario, simplemente generar vapor de proceso para fines industriales en lugar de una presión lo suficientemente alta para generar energía en el extremo superior también tiene un costo de oportunidad (ver: Condiciones de suministro y escape de vapor ). El costo de capital y operativo de las calderas, turbinas y generadores de alta presión es sustancial. Este equipo normalmente funciona de forma continua , lo que generalmente limita la energía autogenerada a operaciones a gran escala.

También se puede utilizar un ciclo combinado (en el que varios ciclos termodinámicos producen electricidad) para extraer calor utilizando un sistema de calefacción como condensador del ciclo de fondo de la central eléctrica . Por ejemplo, el generador RU-25 MHD de Moscú calentó una caldera para una central eléctrica de vapor convencional, cuyo condensado se utilizó luego para calentar el espacio. Un sistema más moderno podría utilizar una turbina de gas alimentada por gas natural , cuyo escape alimenta una planta de vapor, cuyo condensado proporciona calor. Las plantas de cogeneración basadas en una unidad de energía de ciclo combinado pueden tener eficiencias térmicas superiores al 80%.

La viabilidad de la cogeneración (a veces denominada factor de utilización), especialmente en instalaciones de cogeneración más pequeñas, depende de una buena carga base de funcionamiento, tanto en términos de demanda eléctrica in situ (o cercana al emplazamiento) como de demanda de calor. En la práctica, rara vez existe una correspondencia exacta entre las necesidades de calor y electricidad. Una planta de cogeneración puede satisfacer la necesidad de calor ( funcionamiento impulsado por calor ) o funcionar como una planta de energía con algún uso de su calor residual, siendo esto último menos ventajoso en términos de su factor de utilización y, por lo tanto, de su eficiencia general. La viabilidad puede aumentar considerablemente cuando existen oportunidades de trigeneración. En tales casos, el calor de la planta de cogeneración también se utiliza como fuente de energía primaria para proporcionar refrigeración por medio de un enfriador de absorción .

La cogeneración es más eficiente cuando el calor se puede utilizar en el lugar o muy cerca de él. La eficiencia general se reduce cuando el calor debe transportarse a distancias más largas. Esto requiere tuberías muy aisladas, que son caras e ineficientes; mientras que la electricidad se puede transmitir a lo largo de un cable relativamente simple y a distancias mucho más largas con la misma pérdida de energía.

Un motor de automóvil se convierte en una planta de cogeneración en invierno, cuando el calor residual se utiliza para calentar el interior del vehículo. El ejemplo ilustra el hecho de que la implementación de la cogeneración depende del uso de calor en las proximidades del motor térmico.

Las plantas de recuperación de petróleo mejorada térmicamente (TEOR) suelen producir una cantidad sustancial de electricidad excedente. Después de generar electricidad, estas plantas bombean el vapor sobrante a pozos de petróleo pesado para que el petróleo fluya con mayor facilidad, lo que aumenta la producción.

Las plantas de cogeneración se encuentran comúnmente en los sistemas de calefacción urbana de las ciudades, sistemas de calefacción central de edificios más grandes (por ejemplo, hospitales, hoteles, prisiones) y se utilizan habitualmente en la industria en procesos de producción térmica para agua de proceso, refrigeración, producción de vapor o fertilización con CO ₂ .

La trigeneración o refrigeración, calor y energía combinados ( CCHP ) se refiere a la generación simultánea de electricidad y calefacción y refrigeración útiles a partir de la combustión de un combustible o un colector de calor solar. Los términos cogeneración y trigeneración también se pueden aplicar a los sistemas de energía que generan simultáneamente electricidad, calor y productos químicos industriales (por ejemplo, gas de síntesis ). La trigeneración se diferencia de la cogeneración en que el calor residual se utiliza tanto para calefacción como para refrigeración, normalmente en un frigorífico de absorción. Los sistemas combinados de refrigeración, calor y energía pueden alcanzar una mayor eficiencia general que la cogeneración o las centrales eléctricas tradicionales. En Estados Unidos, la aplicación de la trigeneración en edificios se denomina refrigeración, calefacción y energía de edificios. La salida de calefacción y refrigeración puede funcionar de forma simultánea o alternada según la necesidad y la construcción del sistema.

Las plantas de ciclo de topping producen principalmente electricidad a partir de una turbina de vapor. El vapor parcialmente expandido se condensa luego en un condensador de calentamiento a un nivel de temperatura adecuado, por ejemplo, para calefacción urbana o desalinización de agua .

Las plantas de ciclo inferior producen calor a alta temperatura para procesos industriales y luego una caldera de recuperación de calor residual alimenta una planta eléctrica. Las plantas de ciclo inferior solo se utilizan en procesos industriales que requieren temperaturas muy altas, como hornos para la fabricación de vidrio y metal, por lo que son menos comunes.

Los grandes sistemas de cogeneración proporcionan agua caliente y electricidad a una planta industrial o a una ciudad entera. Los tipos más comunes de plantas de cogeneración son:

• Plantas de cogeneración con turbinas de gas que utilizan el calor residual de los gases de combustión de las turbinas de gas. El combustible utilizado normalmente es gas natural .
• Las plantas de cogeneración con motor de gas utilizan un motor de gas alternativo, que generalmente es más competitivo que una turbina de gas hasta aproximadamente 5 MW. El combustible gaseoso utilizado es normalmente gas natural . Estas plantas generalmente se fabrican como unidades completamente empaquetadas que se pueden instalar dentro de una sala de máquinas o un recinto externo de la planta con conexiones simples al suministro de gas del sitio, la red de distribución eléctrica y los sistemas de calefacción. Los resultados y las eficiencias típicos se pueden consultar en ^[6] Un ejemplo típico de gran tamaño se puede consultar en ^[7]
• Las plantas de cogeneración con motor de biocombustible utilizan un motor de gas alternativo adaptado o un motor diésel , según el biocombustible que se utilice, y por lo demás son muy similares en diseño a una planta de cogeneración con motor de gas. La ventaja de utilizar un biocombustible es la reducción del consumo de combustible fósil y, por tanto, de las emisiones de carbono. Estas plantas se fabrican generalmente como unidades totalmente empaquetadas que se pueden instalar dentro de una sala de máquinas o de un recinto externo de la planta con conexiones sencillas a los sistemas de distribución eléctrica y calefacción del lugar. Otra variante es la planta de cogeneración con gasificador de madera , en la que se gasifica un biocombustible de pellets o astillas de madera en un entorno de alta temperatura y sin oxígeno; el gas resultante se utiliza después para alimentar el motor de gas.
• Centrales eléctricas de ciclo combinado adaptadas para cogeneración
• Las pilas de combustible de carbonato fundido y las pilas de combustible de óxido sólido tienen un escape caliente, muy adecuado para calentar.
• Plantas de cogeneración con turbinas de vapor que utilizan el sistema de calefacción como condensador de vapor para la turbina de vapor.
• Las centrales nucleares , al igual que otras centrales eléctricas con turbinas de vapor, pueden estar equipadas con extracciones en las turbinas para purgar el vapor parcialmente expandido a un sistema de calefacción. Con una temperatura del sistema de calefacción de 95 °C, es posible extraer alrededor de 10 MW de calor por cada MW de electricidad perdido. Con una temperatura de 130 °C, la ganancia es ligeramente menor, alrededor de 7 MW por cada MWe perdido. ^[8] Una revisión de las opciones de cogeneración se encuentra en ^[9] El equipo de investigación checo propuso un sistema "Teplator" donde el calor de las barras de combustible gastadas se recupera con el propósito de calefacción residencial. ^[10]

Las unidades de cogeneración más pequeñas pueden utilizar un motor alternativo o un motor Stirling . El calor se extrae del escape y del radiador. Los sistemas son populares en tamaños pequeños porque los motores de gas y diésel pequeños son menos costosos que las plantas eléctricas de vapor alimentadas con gas o petróleo.

Algunas plantas de cogeneración funcionan con biomasa ^[11] o con residuos sólidos industriales y municipales (véase incineración ). Algunas plantas de cogeneración utilizan gases residuales como combustible para la generación de electricidad y calor. Los gases residuales pueden ser gases procedentes de desechos animales , gases de vertedero , gases de minas de carbón , gases de depuradora y gases residuales industriales combustibles. ^[12]

Algunas plantas de cogeneración combinan generación de gas y solar fotovoltaica para mejorar aún más el rendimiento técnico y ambiental. ^[13] Estos sistemas híbridos pueden escalarse hasta el nivel de edificio ^[14] e incluso hasta viviendas individuales. ^[15]

La microcogeneración o "microcogeneración" es un recurso energético distribuido (DER). La instalación suele ser de menos de 5  _kWe en una casa o una pequeña empresa. En lugar de quemar combustible para calentar únicamente el espacio o el agua, parte de la energía se convierte en electricidad además de calor. Esta electricidad se puede utilizar en el hogar o en la empresa o, si lo permite la administración de la red, se puede vender de nuevo a la red eléctrica.

En 2013, los consultores de Delta-ee afirmaron que, con un 64% de las ventas mundiales, la microcombinación de calor y energía con pilas de combustible superó a los sistemas convencionales en ventas en 2012. ^[16] En 2012 , se vendieron en Japón 20.000 unidades en el marco del proyecto Ene Farm, con una vida útil de unas 60.000 horas. En el caso de las unidades de pilas de combustible PEM , que se apagan por la noche, esto equivale a una vida útil estimada de entre diez y quince años. ^[17] Por un precio de 22.600 dólares antes de la instalación. ^[18] Para 2013, se ha establecido un subsidio estatal para 50.000 unidades. ^[17]

Las instalaciones de microcogeneración utilizan cinco tecnologías diferentes: microturbinas , motores de combustión interna , motores Stirling , motores de vapor de ciclo cerrado y pilas de combustible . Un autor indicó en 2008 que la microcogeneración basada en motores Stirling es la más rentable de las denominadas tecnologías de microgeneración para reducir las emisiones de carbono. ^[19] Un informe de 2013 del Reino Unido de Ecuity Consulting afirmó que la MCHP es el método más rentable de utilizar gas para generar energía a nivel doméstico. ^{[20] [21]} Sin embargo, los avances en la tecnología de motores alternativos están añadiendo eficiencia a las plantas de cogeneración, especialmente en el campo del biogás . ^[22] Como se ha demostrado que tanto la minicogeneración como la cogeneración reducen las emisiones ^[23], podrían desempeñar un papel importante en el campo de la reducción de CO2 _de los edificios, donde se puede ahorrar más del 14% de las emisiones utilizando cogeneración en edificios. ^[24] La Universidad de Cambridge informó en 2017 de un prototipo de microcogeneración con motor de vapor rentable que tiene el potencial de ser comercialmente competitivo en las próximas décadas. ^[25] Hace poco, en algunos hogares privados se pueden encontrar plantas de microcogeneración con pilas de combustible que pueden funcionar con hidrógeno u otros combustibles como gas natural o GLP. ^{[26] [27]} Cuando funciona con gas natural, se basa en el reformado con vapor del gas natural para convertirlo en hidrógeno antes de usarlo en la pila de combustible. Por lo tanto, esto sigue emitiendo CO2 ₍ ver la reacción), pero (temporalmente) funcionar con esto puede ser una buena solución hasta el punto en que el hidrógeno comience a distribuirse a través del sistema de tuberías (de gas natural).

Otro ejemplo de microcogeneración es un horno de condensación que produce electricidad alimentado con gas natural o propano. Combina la técnica de ahorro de combustible de la cogeneración, es decir, produce energía eléctrica y calor útil a partir de una única fuente de combustión. El horno de condensación es un sistema de gas de aire forzado con un intercambiador de calor secundario que permite extraer calor de los productos de combustión hasta la temperatura ambiente, además de recuperar calor del vapor de agua. La chimenea se reemplaza por un drenaje de agua y un respiradero en el costado del edificio.

Una planta que produce electricidad, calor y frío se denomina planta de trigeneración ^[28] o poligeneración. Los sistemas de cogeneración vinculados a enfriadores de absorción o enfriadores de adsorción utilizan el calor residual para refrigeración . ^[29]

En Estados Unidos , Consolidated Edison distribuye 66 mil millones de kilogramos de vapor a 350 °F (177 °C) cada año a través de sus siete plantas de cogeneración a 100.000 edificios en Manhattan , el distrito de vapor más grande de Estados Unidos. La entrega máxima es de 10 millones de libras por hora (o aproximadamente 2,5 GW). ^{[30] [31]}

La cogeneración sigue siendo habitual en las fábricas de pulpa y papel , refinerías y plantas químicas. En esta "cogeneración industrial/CHP", el calor se recupera normalmente a temperaturas más altas (por encima de los 100 °C) y se utiliza para vapor de proceso o tareas de secado. Esto es más valioso y flexible que el calor residual de baja calidad, pero hay una ligera pérdida de generación de energía. El mayor enfoque en la sostenibilidad ha hecho que la cogeneración industrial sea más atractiva, ya que reduce sustancialmente la huella de carbono en comparación con la generación de vapor o la quema de combustible en el sitio e importando energía eléctrica de la red.

Las unidades de cogeneración industrial más pequeñas tienen una capacidad de producción de 5 a 25 MW y representan una opción viable fuera de la red para una variedad de aplicaciones remotas para reducir las emisiones de carbono. ^[32]

Las plantas de cogeneración industriales normalmente funcionan a presiones de caldera mucho más bajas que las de las empresas de servicios públicos. Entre las razones se encuentran:

1. Las plantas de cogeneración se enfrentan a una posible contaminación del condensado de retorno. Debido a que el agua de alimentación de calderas de las plantas de cogeneración tiene tasas de retorno mucho más bajas que las de las plantas de energía de condensación al 100%, las industrias generalmente tienen que tratar proporcionalmente más agua de reposición de calderas. El agua de alimentación de calderas debe estar completamente libre de oxígeno y desmineralizada, y cuanto mayor sea la presión, más crítico será el nivel de pureza del agua de alimentación. ^[5]
2. Las empresas de servicios públicos suelen generar energía a mayor escala que la industria, lo que ayuda a compensar los mayores costos de capital de la alta presión.
3. Es menos probable que las empresas de servicios públicos tengan cambios bruscos de carga que las operaciones industriales, que tienen que apagar o encender unidades que pueden representar un porcentaje significativo de la demanda de vapor o energía.

Un generador de vapor con recuperación de calor (HRSG) es una caldera de vapor que utiliza gases de escape calientes de las turbinas de gas o motores alternativos en una planta de cogeneración para calentar agua y generar vapor . El vapor, a su vez, impulsa una turbina de vapor o se utiliza en procesos industriales que requieren calor.

Los generadores de vapor de alta temperatura utilizados en la industria de cogeneración se distinguen de los generadores de vapor convencionales por las siguientes características principales:

• El HRSG está diseñado en función de las características específicas de la turbina de gas o del motor alternativo al que se acoplará.
• Como la temperatura de los gases de escape es relativamente baja, la transmisión de calor se logra principalmente por convección .
• La velocidad de los gases de escape está limitada por la necesidad de mantener bajas las pérdidas de carga, por lo que el coeficiente de transmisión es bajo, lo que requiere una gran superficie de calentamiento.
• Dado que la diferencia de temperatura entre los gases calientes y el fluido a calentar (vapor o agua) es baja, y el coeficiente de transmisión de calor también es bajo, el evaporador y el economizador están diseñados con intercambiadores de calor de aletas de placas.

La biomasa se refiere a cualquier materia vegetal o animal que pueda ser reutilizada como fuente de calor o electricidad, como por ejemplo la caña de azúcar , los aceites vegetales, la madera, los desechos orgánicos y los residuos de las industrias alimentaria o agrícola . Brasil es considerado hoy una referencia mundial en términos de generación de energía a partir de biomasa. ^[33]

Un sector en crecimiento en el uso de biomasa para la generación de energía es el sector sucroalcoholero, que utiliza principalmente el bagazo de caña de azúcar como combustible para la generación de energía térmica y eléctrica . ^[34]

En la industria de la caña de azúcar, la cogeneración se alimenta con el bagazo residual de la refinación del azúcar, que se quema para producir vapor. Una parte del vapor puede enviarse a través de una turbina que hace girar un generador y produce energía eléctrica. ^[35]

La cogeneración de energía en las industrias de caña de azúcar ubicadas en Brasil es una práctica que ha ido creciendo en los últimos años. Con la adopción de la cogeneración de energía en el sector de azúcar y alcohol, las industrias de caña de azúcar son capaces de abastecer la demanda de energía eléctrica necesaria para operar y generar un excedente que puede ser comercializado. ^{[36] [37]}

En comparación con la generación de energía eléctrica mediante plantas termoeléctricas basadas en combustibles fósiles , como el gas natural , la generación de energía utilizando bagazo de caña de azúcar presenta ventajas ambientales debido a la reducción de emisiones de CO ₂ . ^[38]

Además de las ventajas ambientales, la cogeneración a partir del bagazo de caña de azúcar presenta ventajas en términos de eficiencia en comparación con la generación termoeléctrica, a través del destino final de la energía producida. Mientras que en la generación termoeléctrica se pierde parte del calor producido, en la cogeneración este calor tiene la posibilidad de ser aprovechado en los procesos productivos, aumentando la eficiencia global del proceso. ^[38]

En el cultivo de la caña de azúcar, se suelen utilizar fuentes de potasio que contienen altas concentraciones de cloro , como el cloruro de potasio (KCl). Teniendo en cuenta que el KCl se aplica en grandes cantidades, la caña de azúcar acaba absorbiendo altas concentraciones de cloro. ^[39]

Debido a esta absorción, cuando se quema el bagazo de caña de azúcar en la cogeneración eléctrica, se terminan emitiendo dioxinas ^[39] y cloruro de metilo ^{[40] . En el caso de las dioxinas, estas sustancias se consideran muy tóxicas y cancerígenas. [41] [42] [43]}

En el caso del cloruro de metilo, cuando esta sustancia se emite y llega a la estratosfera , termina siendo muy dañina para la capa de ozono , ya que el cloro al combinarse con la molécula de ozono genera una reacción catalítica que conduce a la ruptura de los enlaces del ozono. ^[40]

Después de cada reacción, el cloro inicia un ciclo destructivo con otra molécula de ozono. De esta manera, un solo átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono. A medida que estas moléculas se van descomponiendo, son incapaces de absorber los rayos ultravioleta . Como resultado, la radiación UV es más intensa en la Tierra y se produce un empeoramiento del calentamiento global . ^[40]

Una bomba de calor puede compararse con una unidad de cogeneración de la siguiente manera. Si, para suministrar energía térmica, el vapor de escape del turbogenerador debe tomarse a una temperatura más alta que la que el sistema produciría la mayor parte de la electricidad, la generación eléctrica perdida es como si se utilizara una bomba de calor para proporcionar el mismo calor tomando energía eléctrica del generador que funciona a una temperatura de salida más baja y una eficiencia más alta. ^[44] Normalmente, por cada unidad de energía eléctrica perdida, se obtienen aproximadamente 6 unidades de calor a unos 90 °C (194 °F). Por lo tanto, la cogeneración tiene un coeficiente de rendimiento (COP) efectivo en comparación con una bomba de calor de 6. ^[45] Sin embargo, para una bomba de calor operada a distancia, se deberían considerar pérdidas en la red de distribución eléctrica del orden del 6%. Debido a que las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente, durante los períodos pico las pérdidas son mucho mayores que esto y es probable que la aplicación generalizada (es decir, en toda la ciudad) de bombas de calor cause una sobrecarga de las redes de distribución y transmisión a menos que se refuercen sustancialmente.

También es posible utilizar un sistema de calefacción combinado con una bomba de calor, en el que el exceso de electricidad (ya que la demanda de calor es el factor determinante de la demanda de calor ^{[ aclaración necesaria ]} ) se utiliza para accionar una bomba de calor. A medida que aumenta la demanda de calor, se genera más electricidad para accionar la bomba de calor, y el calor residual también calienta el fluido calefactor.

Como la eficiencia de las bombas de calor depende de la diferencia de temperatura entre el extremo caliente y el extremo frío (la eficiencia aumenta a medida que disminuye la diferencia), puede que valga la pena combinar incluso el calor residual de grado relativamente bajo, que de otro modo no sería adecuado para la calefacción doméstica, con bombas de calor. Por ejemplo, un depósito de agua de refrigeración lo suficientemente grande a 15 °C (59 °F) puede mejorar significativamente la eficiencia de las bombas de calor que extraen agua de dicho depósito en comparación con las bombas de calor de fuente de aire que extraen aire frío durante una noche a -20 °C (-4 °F). En verano, cuando hay demanda tanto de aire acondicionado como de agua caliente, la misma agua puede incluso servir como "vertedero" para el calor residual rechazado por las unidades de aire acondicionado y como "fuente" para las bombas de calor que proporcionan agua caliente. Esas consideraciones están detrás de lo que a veces se llama "calefacción urbana fría", que utiliza una fuente de "calor" cuya temperatura es muy inferior a las que se emplean habitualmente en la calefacción urbana. ^[46]

La mayoría de los países industriales generan la mayor parte de sus necesidades de energía eléctrica en grandes instalaciones centralizadas con capacidad para producir una gran cantidad de energía eléctrica. Estas plantas se benefician de la economía de escala, pero pueden necesitar transmitir electricidad a grandes distancias, lo que provoca pérdidas de transmisión. La producción de cogeneración o trigeneración está sujeta a limitaciones en la demanda local y, por lo tanto, a veces puede ser necesario reducir (por ejemplo, la producción de calor o refrigeración para satisfacer la demanda). Un ejemplo de aplicaciones de cogeneración con trigeneración en una gran ciudad es el sistema de vapor de la ciudad de Nueva York .

Cada motor térmico está sujeto a los límites teóricos de eficiencia del ciclo de Carnot o del ciclo de Rankine en el caso de las plantas de energía con turbinas de vapor o del ciclo Brayton en las plantas con turbinas de gas con turbinas de vapor. La mayor parte de la pérdida de eficiencia con la generación de energía a vapor está asociada con el calor latente de vaporización del vapor que no se recupera cuando una turbina expulsa su vapor de baja temperatura y presión a un condensador. (El vapor típico al condensador estaría a unos pocos milímetros de presión absoluta y del orden de 5 °C (41 °F) más caliente que la temperatura del agua de enfriamiento, dependiendo de la capacidad del condensador). En la cogeneración, este vapor sale de la turbina a una temperatura más alta donde puede usarse para calor de proceso, calor de construcción o enfriamiento con un enfriador de absorción . La mayor parte de este calor proviene del calor latente de vaporización cuando el vapor se condensa.

La eficiencia térmica en un sistema de cogeneración se define como:

$${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Electrical power output + Heat output}}{\text{Total heat input}}}}$$

Dónde:

• ${\displaystyle \eta _{th}}$= Eficiencia térmica
• ${\displaystyle W_{out}}$= Trabajo total producido por todos los sistemas
• ${\displaystyle Q_{in}}$= Entrada total de calor al sistema

La producción de calor también puede aprovecharse para refrigeración (por ejemplo, en verano), gracias a un enfriador de absorción. Si se consigue refrigeración en el mismo tiempo, la eficiencia térmica en un sistema de trigeneración se define como:

$${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Electrical power output + Heat output + Cooling output}}{\text{Total heat input}}}}$$

Dónde:

• ${\displaystyle \eta _{th}}$= Eficiencia térmica
• ${\displaystyle W_{out}}$= Trabajo total producido por todos los sistemas
• ${\displaystyle Q_{in}}$= Entrada total de calor al sistema

Los modelos típicos de cogeneración tienen pérdidas como en cualquier sistema. La distribución de energía que se muestra a continuación se representa como un porcentaje de la energía total de entrada: ^[47]

• Electricidad = 45%
• Calor + Refrigeración = 40%
• Pérdidas de calor = 13%
• Pérdidas en la línea eléctrica = 2%

Las centrales eléctricas convencionales alimentadas con carbón o energía nuclear convierten entre el 33 y el 45 % del calor que consumen en electricidad. ^{[48] [5] Las centrales eléctricas} de ciclo Brayton funcionan con una eficiencia de hasta el 60 %. En el caso de las centrales eléctricas convencionales, aproximadamente entre el 10 y el 15 % de este calor se pierde por la chimenea de la caldera. La mayor parte del calor restante sale de las turbinas como calor residual de baja calidad sin usos locales significativos, por lo que normalmente se rechaza al medio ambiente, normalmente al agua de refrigeración que pasa por un condensador. ^[5] Dado que el escape de la turbina normalmente está justo por encima de la temperatura ambiente, se sacrifica parte de la generación de energía potencial al rechazar el vapor de mayor temperatura de la turbina para fines de cogeneración. ^[49]

Para que la cogeneración sea práctica, la generación de energía y el uso final del calor deben estar relativamente cerca (normalmente, a menos de 2 km). Aunque la eficiencia de un pequeño generador eléctrico distribuido puede ser menor que la de una gran central eléctrica, el uso de su calor residual para calefacción y refrigeración local puede dar como resultado un uso general del suministro de combustible primario de hasta el 80 %. ^[48] Esto proporciona importantes beneficios económicos y ambientales.

Por lo general, para una planta a gas, el costo de instalación completa por kW eléctrico es de alrededor de £400/kW (US$577), lo que es comparable con el de las grandes centrales eléctricas. ^[50]

This section needs to be updated. Please help update this article to reflect recent events or newly available information. (May 2021)

La UE ha incorporado activamente la cogeneración en su política energética a través de la Directiva CHP . En septiembre de 2008, en una audiencia del Intergrupo de Vivienda Urbana del Parlamento Europeo, el Comisario de Energía Andris Piebalgs dijo: “la seguridad del suministro comienza realmente con la eficiencia energética ”. ^[51] La eficiencia energética y la cogeneración se reconocen en los párrafos iniciales de la Directiva de Cogeneración 2004/08/EC de la Unión Europea. Esta directiva pretende apoyar la cogeneración y establecer un método para calcular las capacidades de cogeneración por país. El desarrollo de la cogeneración ha sido muy desigual a lo largo de los años y ha estado dominado durante las últimas décadas por las circunstancias nacionales.

La Unión Europea genera el 11% de su electricidad mediante cogeneración. ^[52] Sin embargo, existen grandes diferencias entre los Estados miembros, con variaciones del ahorro energético entre el 2% y el 60%. Europa cuenta con los tres países con las economías de cogeneración más intensivas del mundo: Dinamarca, los Países Bajos y Finlandia. ^[53] De los 28,46 TWh de energía eléctrica generada por centrales térmicas convencionales en Finlandia en 2012, el 81,80% fue cogeneración. ^[54]

Otros países europeos también están haciendo grandes esfuerzos para aumentar la eficiencia. Alemania informó que en la actualidad, más del 50% de la demanda total de electricidad del país podría satisfacerse mediante cogeneración. Hasta ahora, Alemania se ha fijado el objetivo de duplicar su cogeneración de electricidad del 12,5% de la electricidad del país al 25% de la electricidad del país para 2020 y ha aprobado legislación de apoyo en consecuencia. ^[55] El Reino Unido también está apoyando activamente la cogeneración de calor y electricidad. En vista de la meta del Reino Unido de lograr una reducción del 60% en las emisiones de dióxido de carbono para 2050, el gobierno se ha fijado el objetivo de obtener al menos el 15% de su consumo público de electricidad mediante cogeneración para 2010. ^[56] Otras medidas del Reino Unido para alentar el crecimiento de la cogeneración son los incentivos financieros, el apoyo a las subvenciones, un marco regulatorio más amplio y el liderazgo y la asociación gubernamentales.

Según el modelo de expansión de la cogeneración para los países del G8 elaborado por la AIE en 2008, la expansión de la cogeneración en Francia, Alemania, Italia y el Reino Unido por sí sola duplicaría efectivamente los ahorros actuales en combustible primario para 2030. Esto aumentaría los ahorros de Europa de los 155,69 Twh actuales a 465 Twh en 2030. También resultaría en un aumento del 16% al 29% en la electricidad cogenerada total de cada país para 2030.

Los gobiernos reciben ayuda en sus iniciativas de cogeneración de organizaciones como COGEN Europe , que actúan como centro de información para las actualizaciones más recientes en materia de política energética europea. COGEN es la organización paraguas europea que representa los intereses de la industria de la cogeneración.

El proyecto ene.field , del Séptimo Programa Marco de la Iniciativa Común sobre Pilas de Combustible e Hidrógeno, despliega en 2017 ^[57] hasta 1.000 instalaciones residenciales de cogeneración ( micro-CHP ) con pilas de combustible en 12 estados. En 2012 se han realizado las dos primeras instalaciones. ^{[58] [59] [60]}

En el Reino Unido , el sistema de garantía de calidad de la cogeneración regula la producción combinada de calor y electricidad. Se introdujo en 1996. Define, mediante el cálculo de insumos y productos, la "cogeneración de buena calidad" en términos de la consecución de ahorros de energía primaria en comparación con la generación separada convencional de calor y electricidad. El cumplimiento del sistema de garantía de calidad de la cogeneración es un requisito para que las instalaciones de cogeneración puedan optar a subvenciones gubernamentales e incentivos fiscales. ^[61]

Tal vez el primer uso moderno del reciclaje de energía lo hizo Thomas Edison . Su Pearl Street Station de 1882 , la primera planta de energía comercial del mundo, era una planta de cogeneración que producía electricidad y energía térmica mientras utilizaba el calor residual para calentar los edificios vecinos. ^[62] El reciclaje permitió que la planta de Edison alcanzara una eficiencia de aproximadamente el 50 por ciento.

A principios del siglo XX, surgieron normas para promover la electrificación rural mediante la construcción de plantas centralizadas gestionadas por empresas de servicios públicos regionales. Estas normas no solo promovieron la electrificación en todo el campo, sino que también desalentaron la generación descentralizada de energía, como la cogeneración.

En 1978, el Congreso reconoció que la eficiencia en las centrales eléctricas se había estancado y buscó incentivar una mayor eficiencia con la Ley de Políticas Regulatorias de Servicios Públicos (PURPA), que alentaba a las empresas de servicios públicos a comprar energía de otros productores de energía.

Las plantas de cogeneración proliferaron y pronto produjeron alrededor del 8% de toda la energía de los Estados Unidos. ^[63] Sin embargo, el proyecto de ley dejó la implementación y el cumplimiento en manos de cada estado, lo que dio como resultado que se hiciera poco o nada en muchas partes del país. ^{[ cita requerida ]}

El Departamento de Energía de los Estados Unidos tiene el ambicioso objetivo de que la cogeneración constituya el 20% de la capacidad de generación para 2030. ^{[ cita requerida ]} Se han establecido ocho Centros de Aplicación de Energía Limpia ^[64] en todo el país. Su misión es desarrollar el conocimiento de aplicación de tecnología requerido y la infraestructura educativa necesaria para liderar las tecnologías de "energía limpia" (calor y electricidad combinados, recuperación de calor residual y energía de distrito) como opciones energéticas viables y reducir cualquier riesgo percibido asociado con su implementación. El objetivo de los Centros de Aplicación es proporcionar un programa de difusión e implementación de tecnología para usuarios finales, formuladores de políticas, servicios públicos y partes interesadas de la industria.

Las altas tarifas eléctricas en Nueva Inglaterra y el Atlántico Medio hacen que estas áreas de los Estados Unidos sean las más beneficiosas para la cogeneración. ^{[65] [66]}

Cualquiera de las siguientes centrales eléctricas convencionales puede convertirse en un sistema combinado de refrigeración, calor y energía: ^[67]

• Carbón
• Microturbina
• Gas natural
• Aceite
• Pequeña turbina de gas

• Energía nuclear
• Energía geotérmica / calefacción geotérmica
• Los generadores termoeléctricos de radioisótopos a menudo funcionan también como unidades de calentamiento de radioisótopos, lo que compensa parcialmente su baja eficiencia (porcentaje de un solo dígito) en la conversión de energía térmica en eléctrica.

• Energía solar térmica
• Biomasa
• Pila de combustible de hidrógeno (que utiliza hidrógeno verde )
• Cualquier tipo de compresor o turboexpansor , como en el almacenamiento de energía de aire comprimido.

• Vapor, su generación y uso (35.ª ed.). Babcock & Wilson Company. 1913.