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Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

La Cogeneración, Energía Limpia para la Generación Distribuida, el Abasto Aislado y la Generación Local en México, sus Beneficios Económicos y Ambientales.

Aclaración: Manufacturas TES, fabricante de equipos de cogeneración con tecnología líder en el mercado. Ha producido esta nota específicamente para México. Las definiciones aquí usadas aplican de acuerdo a la Ley mexicana y pueden ser distintas a las usadas en otros países.

Contáctanos si quieres conocer más acerca de cómo te podemos ayudar con la adquisición, implementación y mantenimiento de un equipo de Cogeneración. 

En esta nota podrás conocer todo acerca de cómo funciona esta tecnología, así como sus beneficios económicos y ecológicos.

¿Qué es la cogeneración?

Definición

De acuerdo a la Ley de Transición Energética “LTE” la Cogeneración se define como la Generación de energía eléctrica producida conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria o ambos; producción directa o indirecta de energía eléctrica mediante la energía térmica no aprovechada en los procesos, o generación directa o indirecta de energía eléctrica cuando se utilicen combustibles producidos en los procesos;

diagrama aplicacion 01 - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

Equipos principales en un sistema de cogeneración

Los principales componentes de una planta de cogeneración son:

  • Motor o turbina Cuya función es transformar la energía térmica del combustible en energía mecánica.
  • Generador Acoplado al eje del motor o turbina, el generador al ser accionado transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
  • Equipos para el aprovechamiento térmico: El calor rechazado por el motor o turbina puede aprovecharse para:
  • Generar vapor por medio de un generador de vapor ó HRSG (heat recovery steam generator)
  • Generación de agua caliente o calentar aceite térmico con la ayuda de un intercambiador de calor de gases de escapeo (EGHE (exhaust gas heat exchanger)
  • Agua helada con la ayuda de:
    • Chiller de absorción de bromuro de litio para casos de hasta 6°C
    • Chiller de absorción de amoniaco para los casos donde se requieren temperaturas inferior a 6°C, incluso hasta -40°C.
  • Calentamiento de agua o aceite térmico, enfriamiento de agua esto con equipos adicionales como calderas de recuperación de calor, intercambiadores de calor o en chiller de absorción.
  • Aire caliente con EGHE.
  • Tratamiento de Gases de Combustión
    • Eliminación de gases nocivos para el uso de los gases de escape en aplicaciones como invernaderos con la ayuda de catalizadores.
    • Separación de gases por ejemplo del CO2 para aplicaciones de bebidas carbonatadas.
  • Equipos auxiliares.Como torres de enfriamiento, aeroenfriadores que nos permiten disipar la energía térmica que no fue aprovechada en el sistema

Soluciones o Tipos de Cogeneración

                                                                         

                                                                   la cogeneracion 3 - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

Los motores de combustión interna son una de las tecnologías más utilizadas en los sistemas de cogeneración y existen dos tipos que son relevantes en aplicaciones estacionarias para la generación de electricidad: el motor Otto y el motor Diésel.

Ambos tienen los mismos componentes mecánicos, ambos usan una cámara de combustión de forma cilíndrica en la cual se desplaza un pistón. El pistón está a su vez conectado a un eje, transforma el movimiento lineal del pistón en el movimiento rotatorio del eje.

La principal diferencia entre los ciclos de Otto y Diésel es la forma en la que se realiza la ignición del combustible, por lo que en el primer caso se utiliza una bujía para encender una mezcla de aire-combustible contenida en el cilindro, mientras que en el segundo el aire contenido en el cilindro se comprime a una presión alta hasta alcanzar la temperatura de auto ignición del combustible.

Esta tecnología tiene una alta eficiencia eléctrica, es capaz de convertir hasta el 45% de la energía química del combustible en energía eléctrica.  El combustible de alimentación al motor puede ser gas natural, biogás, diésel, entre otros.

Ventajas:

  • Altamente confiables
  • Fácil mantenimiento
  • Encendido rápido
  • Buen desempeño ante fluctuaciones de carga
  • Bajo impacto ambiental

Turbina de vapor

La turbina de vapor es una de las tecnologías más versátiles y antiguas acopladas a un generador o maquinaria mecánica. A diferencia de los motores de combustión interna y las turbinas de gas, utilizados en los sistemas de cogeneración, en donde el calor es un subproducto de la generación de electricidad, las turbinas de vapor normalmente generan electricidad como un subproducto del calor (vapor).

Los principales componentes de un sistema de cogeneración con turbina de vapor son:

  • Caldera
  • Condensador
  • Bombas
  • Turbina

El ciclo termodinámico bajo el cual opera una turbina de vapor se denomina “Ciclo de Rankine”, ell agua es bombeada a una presión media – alta, dependiendo del tamaño de la unidad y la temperatura a la que el vapor será eventualmente calentado. Posteriormente, el agua se calienta hasta su temperatura de ebullición y usualmente es sobrecalentada por encima de esa misma temperatura. 

El vapor presurizado se expande a una presión menor en una turbina de etapas múltiples y posteriormente se canaliza a un condensador que opera al vacío, o bien, a un sistema de distribución que entrega el vapor para su uso en una aplicación industrial o comercial. Finalmente, el condensado es recirculado a través de una bomba para la continuación del ciclo.

Las turbinas de vapor se clasifican dependiendo la presión de salida del vapor:

  • Condensación
  • Contrapresión
  • Extracción

Ventajas:

  • Grandes capacidades.
  • Amplia flexibilidad en el uso de combustibles (gas natural, carbón, combustóleo, biomasa, residuos sólidos urbanos).
  • Tiempo de vida alto.

Turbinas de gas

Las turbinas de gas son una de las principales tecnologías para la generación de electricidad, además de que producen gases de escape a altas temperaturas, el cual es aprovechado para la generación de vapor para generación adicional de energía eléctrica o para proceso en sitio.

Operan bajo el ciclo termodinámico conocido como “Ciclo de Brayton”. En este ciclo el aire del exterior es comprimido, calentado y posteriormente expandido en la turbina, quedando como excedente la diferencia entre la potencia generada en ella y la que es requerida para comprimir el aire. La potencia eléctrica producida por la turbina y requerida por el compresor es proporcional a la temperatura absoluta de los gases de escape.

La eficiencia eléctrica es inferior comparado con el de los motores mientras que su eficiencia eléctrica es mayor. Por esa razón existen diversas variaciones del ciclo de Brayton, se puede disminuir el consumo de combustible mediante el precalentamiento del aire comprimido con los gases de escape de la turbina a través de un recuperador o regenerador; se puede reducir el trabajo del compresor , y por ende, aumentar la potencia generada mediante etapas de inter o pre enfriamiento; o bien, se pueden utilizar los gases de escape para generar vapor y así generar electricidad adicional en un ciclo combinado.                      

                                                                   ciclo de potencia basico - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

                                                                        ciclo de potencia combinado - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

El principal combustible es el gas natural sin embargo se puede emplear gas de síntesis, biogás

Ventajas:

  • Costo de inversión bajo.
  • Alta temperatura de gases de escape.
  • Alto flujos de generación de vapor

Aplicaciones de Cogeneración

Tabla aplicaciones y usos de los sistemas de cogeneracion 01 - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

2. Energía Limpia y renovable

Generacion distribuida - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

Energía Renovable

De acuerdo a la Ley de Transición Energética “LTE” publicada por la Secretaría de Energía en el Diario oficial de la federación el 24 de Diciembre de 2015, en México se define la energía renovable como aquellas cuya fuente reside en fenómenos de la naturaleza, procesos o materiales susceptibles de ser transformados en energía aprovechable por el ser humano, que se regeneran naturalmente, por lo que se encuentran disponibles de forma contínua o periódica, y que al ser generadas no liberan emisiones contaminantes. La “LTE” considera fuentes de Energías Renovables las que se enumeran a continuación:

iconos 2 viento n - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida
iconos 2 agua n - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida
iconos 2 oceano n - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida
iconos 2 temp n - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida
  • El viento
  • La radiación solar, en todas sus formas
  • El movimiento del agua en cauces naturales o en aquellos artificiales con embalses ya existentes, con sistemas de generación de capacidad menor o igual a 30 MW o una densidad de potencia, definida como la relación entre capacidad de generación y superficie del embalse, superior a 10 watts/m2
  • La energía oceánica en sus distintas formas, a saber: de las mareas, del gradiente térmico marino, de las corrientes marinas y del gradiente de concentración de sal;
  • El calor de los yacimientos geotérmicos, y los bioenergéticos que define la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos “LPDB” como los combustibles obtenidos de la biomasa provenientes de materia orgánica de las actividades, agrícola, pecuaria, silvícola, acuacultura, algacultura, residuos de la pesca, domesticas, comerciales, industriales, de microorganismos, y de enzimas, así como sus derivados, producidos, por procesos tecnológicos sustentables que cumplan con las especificaciones y normas de calidad establecidas por la autoridad competente en los términos de la “LPDB”.

Energía Renovable 

De acuerdo a la ley de la Industria Eléctrica mexicana “LIE” las energías limpias son aquellas fuentes de energía y procesos de generación de electricidad cuyas emisiones o residuos, cuando los haya, no rebasen los umbrales establecidos en las disposiciones reglamentarias que para tal efecto se expidan.

Entre las Energías Limpias la “LIE” considera a aquellas generadas a través de: 

  • Viento.
  • Radiación solar (todas sus formas). 
  • Energía oceánica en sus distintas formas: olas, maremotriz, maremotérmica, corrientes marinas y del gradiente de concentración de sal. 
  • Calor de yacimientos geotérmicos. 
  • Bioenergéticos que determine la “LPDB”. 
  • El aprovechamiento del poder calorífico del metano, otros gases asociados en los sitios de disposición de residuos, granjas pecuarias y en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
  • Por el aprovechamiento del hidrógeno mediante su combustión o uso en celdas de combustible,  cuando se cumpla con la eficiencia mínima que establezca la Comisión Reguladora de Energía la CRE y los criterios de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales.
  • Centrales hidroeléctricas. 
  • Nucleoeléctrica. 
  • Productos del procesamiento de esquilmos agrícolas o residuos sólidos urbanos (como gasificación o plasma molecular). Cuando dicho procesamiento no genere dioxinas, furanos u otras emisiones que afectan la salud o al medio ambiente y cumpla con las normas oficiales mexicanas que emita la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. 
  • Centrales de cogeneración eficiente en términos de los criterios de eficiencia emitidos por la CRE y de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales.  
  • Ingenios azucareros que cumplan con los criterios de eficiencia que establezca la CRE y de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. 
  • Centrales térmicas con procesos de captura y almacenamiento geológico o biosecuestro de bióxido de carbono con una eficiencia igual o superior en términos de kWh por tonelada de bióxido de carbono equivalente emitida a la atmósfera a la eficiencia mínima que establezca la CRE y los criterios de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. 
  • Tecnologías consideradas de bajas emisiones de carbono conforme a estándares internacionales y otras tecnologías que determinen la Secretaría y la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales.

Cómo calificar como cogeneración

Cabe hacer mención de que la “LTE” considera Energía Limpia a la generación neta de electricidad por encima de la mínima requerida para que la central califique como cogeneración eficiente en términos de las Disposiciones administrativas de carácter general “DACS” que contienen los criterios de eficiencia y establecen la metodología de cálculo para determinar el porcentaje de energía libre de combustible en fuentes de energía y procesos de generación de energía eléctrica que publicó la CRE el 22 de Diciembre de 2016, “DACS”.

Además la “LTE” estipula claramente que “La generación eléctrica mediante ciclos combinados no podrá considerarse como cogeneración eficiente”.

Tabla cogeneración - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

Cogeneración Eficiente y Energía Libre de Combustible

Las “DACS” mencionadas en el numeral anterior establecen la metodología de cálculo desarrollada por la CRE para determinar el porcentaje de energía libre de combustible cuando se utilicen combustibles fósiles en procesos de generación de energía eléctrica a partir de energías limpias.

 

Articulo 3 LIE  - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

Nota:

  • Para la definición de otras tecnologías se analiza cada caso de manera particular, considerando el documento definitorio que, para tal efecto, emitan la Secretaría de Energía y la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, y se tomará como referencia la información presentada en el procedimiento correspondiente que se establezca, a fin de evaluar los criterios y metodología aplicables para determinar el porcentaje de energía libre de combustible.
  • En el caso de centrales eléctricas que se encuentren en operación y que utilicen como fuente de energía combustibles fósiles y energías limpias, se atenderá a lo establecido en el Caso II. De manera enunciativa, mas no limitativa se considera el uso de biocombustibles y combustible fósil en una central eléctrica, centrales termosolares con uso de combustible fósil, etcétera.

Los casos mencionados en la tabla 1 corresponden a lo siguiente:

  • I. Centrales eléctricas de cogeneración eficiente.
  • II. Centrales eléctricas limpias que utilizan combustibles fósiles.
  • III. Tecnologías de bajas emisiones y centrales térmicas con procesos de captura y almacenamiento geológico o biosecuestro de carbono.
  • IV. Aprovechamiento del hidrógeno.
  • V. Metodología de cálculo de densidad de potencia de centrales hidroeléctricas

 

Cálculo de la Energía Libre de Combustible “ELC”

La metodología para acreditar una central como cogeneración eficiente establece que los aspectos a considerar son:

 

  • E: La Energía eléctrica neta generada (MWh)
  • F: Energía de los combustibles fósiles empleados (MWh)
  • H: Energía térmica neta (MWh)

 

Cada uno de los aspectos debe ser medido durante un periodo. A partir de las mediciones podemos calcular la eficiencia de la central eléctrica.

Cuando en la central existe un aprovechamiento térmico la eficiencia del sistema tiene que ser mayor o igual a los valores de eficiencia establecidos por la CRE.

central de la cogeneración y alta tensión - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

A partir de la medición de combustible empleado en la central de cogeneración se calcula cuanto de ese combustible es atribuible a la generación eléctrica y cuanto corresponde a la generación térmica. Posteriormente se obtiene la Energía Primaria (EP), la cual analiza de manera independiente el proceso de generación eléctrica y térmica de la central.

La diferencia entre la Energía Primaria (EP) y el combustible empleado (E), se define como Ahorro de Energía Primaria (AEP). Dicho ahorro multiplicado por la eficiencia de referencia da como resultado el valor de la Energía Libre de Combustible (ELC).

La CRE estable que si la central cumple con el criterio ELC>0 la central será considerada cogeneración eficiente.

Los Certificados de Energías Limpias “CEL

Sobre la Obligación de tenerlos.

Los Suministradores, los Usuarios Calificados Participantes del Mercado y los Usuarios Finales que se suministren por el abasto aislado, así como los titulares de los Contratos de Interconexión Legados que incluyan Centros de Carga, sean de carácter público o particular, están sujetos al cumplimiento de las obligaciones de Energías Limpias en los términos establecidos en esta Ley.

El 31 de octubre de 2014 La Secretaría de Energía “SENER” publicó los lineamientos que establecen los criterios para el otorgamiento de Certificados de Energías Limpias y los requisitos para su adquisición.

En el primer trimestre de cada año calendario, la “SENER” establece los requisitos de CEL para el tercer año posterior. La Secretaría podrá establecer los Requisitos de CEL para años subsecuentes, cuando lo considere necesario para fomentar la inversión.

Las Obligaciones de cada Período de Obligación se determinarán conforme a la siguiente fórmula:

Obligación = R*C

Donde Obligación es el número de CEL que un Participante Obligado deberá acreditar para cubrir los Requisitos de CEL que corresponden al consumo de energía eléctrica que representa.

R es el Requisito de CEL para el Período de Obligación, expresado como un porcentaje del consumo;

C es el total de Energía Eléctrica consumida durante un Período de Obligación en los Centros de Carga y Puntos de Carga que reciban el Suministro Eléctrico, que reciban energía eléctrica por el abasto aislado o que se incluyan en los Contratos de Interconexión Legados, que corresponden al Participante Obligado, expresado en Megawatt-hora.

Los Participantes Obligados son: Suministradores, Usuarios Calificados Participantes del Mercado y los Usuarios Finales que reciban energía eléctrica por el abasto aislado, así como los titulares de los Contratos de Interconexión Legados que incluyan Centros de Carga o Puntos de Carga cuya energía eléctrica no provenga en su totalidad de una Central Eléctrica Limpia

Los requisitos de CEL anuales son:

Años - Cogeneración Energía limpia para Generación Distribuida

Sobre el derecho de recibirlos

Tendrán derecho a recibir CEL por un período de veinte años los Generadores Limpios que representan a:

I. Centrales Eléctricas Limpias que entren en operación con posterioridad al 11 de agosto de 2014.
II. Las Centrales Eléctricas Legadas que generen energía eléctrica a partir de Energías Limpias que hayan entrado en operación antes del 11 de agosto de 2014, siempre y cuando hayan realizado un proyecto para aumentar su producción de Energía Limpia. En este caso, el periodo de veinte años iniciará a la entrada en operación del proyecto que resulte en el aumento de producción, y el número de CEL corresponderá a la Energía Limpia que se genere en exceso al mayor de los siguientes valores:
       a) El valor promedio de la Energía Limpia generada por la Central Eléctrica durante los años 2012, 2013 y 2014, incluyendo en el cálculo sólo el periodo en que la Central Eléctrica haya operado.
       b) El valor promedio de la Energía Limpia generada por la Central Eléctrica durante los diez años anteriores al proyecto, incluyendo en el cálculo sólo el periodo en que la Central Eléctrica haya opera.
III. Centrales Eléctricas Limpias que cuenten con capacidad que se haya excluido de un Contrato de Interconexión Legado a fin de incluirse en un Contrato de Interconexión en los términos de la Ley, durante el periodo en el que el titular del contrato cuente con el derecho de incluir dicha capacidad en el Contrato de Interconexión Legado. En este caso el número de CEL corresponderá a la Energía Limpia que la central genere con dicha capacidad.

Lineamientos

 

Sin embargo, el 28 de Octubre de 2019 la Secretaria de Energía publicó el ACUERDO por el que se modifican los Lineamientos que establecen los criterios para el otorgamiento de Certificados de Energías Limpias y los requisitos para su adquisición, publicados el 31 de octubre de 2014. En dicho acuerdo se establece que los Generadores Limpios que representan a las centrales eléctrica legadas, previstas en la “LIE” que generen energía eléctrica a partir de fuentes de Energías Limpias tendrán también derecho a recibir CEL por un período de veinte años.

SENER aclara en la publicación del diario oficial del 10 de Diciembre de 2019, mediante el ACUERDO por el que se reforma el Segundo Transitorio del Acuerdo por el que se modifican los Lineamientos que establecen los criterios para el otorgamiento de Certificados de Energías Limpias y los requisitos para su adquisición, publicados el 31 de octubre de 2014, publicado el 28 de octubre de 2019 que Los Certificados de Energías Limpias otorgados en favor de Centrales Eléctricas Legadas, únicamente podrán acreditar la producción de energía eléctrica con base en fuentes de Energía Limpia a partir de la entrada en vigor del presente Acuerdo, por lo que no surtirán sus efectos respecto de actos realizados con anterioridad a esa fecha.

 

En resumidas cuentas, todas las Centrales Eléctricas que generen energía eléctrica a partir de Energías Limpias tendrán derecho a recibir CEL.

 

Los Generadores Limpios referidos anteriormente tendrán derecho a recibir un CEL por cada Megawatt-hora generado sin el uso de combustibles fósiles en las Centrales Eléctricas Limpias que representen.

 Combustibles fósiles

Cuando se utilizan combustibles fósiles, los Generadores Limpios referidos tendrán derecho a recibir un CEL por cada Megawatt-hora generado en las Centrales Eléctricas Limpias que representen, multiplicado por el porcentaje de energía libre de combustible.

 

Para efectos del párrafo anterior, el porcentaje de energía libre de combustible de cada Central Eléctrica Limpia se determina conforme a la metodología que para el efecto estableció la CRE, y se certificará por la misma.

 

La Generación Limpia Distribuida tendrá derecho al número de CEL determinado en los dos lineamientos anteriores, según corresponda, dividido por el Porcentaje de Energía Entregada. Dichos CEL se comercializarán a través del Suministrador que represente a cada Central Eléctrica Limpia.

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