La cogeneració és un procés que permet la producció simultània denergia elèctrica i tèrmica a partir duna mateixa font denergia primària. La calor generada es pot utilitzar per a calefacció, refrigeració o en processos industrials, cosa que millora significativament l'eficiència energètica en comparació amb la generació convencional.
Característiques de les centrals de cogeneració
Les centrals de cogeneració tenen una sèrie de característiques que les fan eficients i atractives per a la producció simultània delectricitat i calor. Algunes de les principals característiques d'aquestes instal·lacions són:
Eficiència energètica elevada
El principal avantatge de les plantes de cogeneració és la seva capacitat per aprofitar al màxim l'energia dels combustibles en produir simultàniament electricitat i calor útil. Això millora l'eficiència general del sistema, aconseguint valors superiors al 80%, davant del 40-50% de les plantes tradicionals de generació elèctrica.
Ús de calor residual
Una de les característiques clau de les centrals de cogeneració és la recuperació i ús de la calor residual, que s'utilitza per escalfar aigua o aire, o per a processos industrials que requereixen calor. Això redueix la necessitat de fer servir recursos addicionals per generar calor.
Versatilitat al combustible
Les plantes de cogeneració poden funcionar amb diferents tipus de combustibles, incloent gas natural, carbó, biomassa, biogàs i residus industrials. Això els dóna flexibilitat per adaptar-se a les condicions econòmiques i mediambientals canviants.
Reducció d'emissions
En aprofitar millor el combustible, les plantes de cogeneració generen menys emissions de gasos contaminants per unitat d'energia produïda, cosa que contribueix a una petjada de carboni més petita. Tot i això, la intensitat d'emissions depèn del tipus de combustible utilitzat.
Generació distribuïda
Les plantes de cogeneració es poden instal·lar de manera descentralitzada, cosa que permet una producció d'energia més propera al lloc de consum (per exemple, en plantes industrials o edificis grans). Això redueix les pèrdues associades al transport delectricitat a llargues distàncies.
Flexibilitat operativa
Les plantes de cogeneració es poden ajustar fàcilment a diferents demandes d'electricitat i calor. Aquesta capacitat d'adaptació les fa especialment útils en instal·lacions que requereixen ambdós tipus d'energia simultàniament.
Reducció de costos
La cogeneració permet estalviar costos d'energia, ja que s'optimitza l'ús del combustible. Les empreses que necessiten tant electricitat com calor (com en processos industrials o grans instal·lacions de calefacció) poden reduir significativament les factures energètiques.
Impacte ambiental reduït
Atès que l'eficiència d'aquestes plantes és més gran, el consum de recursos i les emissions de gasos contaminants són més baixes que a les plantes convencionals. Això les fa més sostenibles en comparació amb altres maneres de generació d'energia.
Capacitat dintegració amb altres fonts renovables
Les plantes de cogeneració també es poden integrar amb fonts d'energia renovables, com la biomassa, cosa que els permet augmentar encara més la sostenibilitat de l'operació.
Acompliment a petita o gran escala
Aquestes plantes es poden dissenyar per a operacions de diferents escales, des de petites instal·lacions per a ús industrial o residencial fins a grans plantes que subministren energia a xarxes elèctriques o sistemes de calefacció distrital.
Components duna planta de cogeneració
Els principals components d'una planta de cogeneració inclouen:
- Motor o turbina: Pot ser de gas, vapor o biomassa. Aquest component converteix lenergia de la combustió o el vapor en energia mecànica, que després es converteix en electricitat mitjançant un generador elèctric.
- Generador de calor (caldera): utilitza la calor residual del procés de generació d'electricitat o crema directa de combustibles per produir vapor o aigua calenta.
- Sistema de recuperació de calor residual (HRSG – Heat Recovery Steam Generator): En plantes de cicle combinat, la calor residual dels gasos d'escapament de la turbina s'aprofita per escalfar aigua i generar vapor que es pot fer servir per a producció de calor o per accionar una turbina de vapor addicional.
- Sistema de distribució de calor: Un sistema de canonades i bombes per transportar la calor produïda a les àrees d'ús, com a calefacció industrial, residencial o per a processos industrials.
- Generador elèctric: Un generador que converteix l'energia mecànica de les turbines (tant de gas com de vapor) en electricitat.
- Control d'emissions: Filtres i sistemes de tractament de gasos per controlar l'alliberament de contaminants a l'atmosfera, com ara òxids de nitrogen (NOx), diòxid de sofre (SO2) i partícules.
- Sistemes de refredament: En algunes plantes, es fan servir torres de refredament o intercanviadors de calor per reduir la temperatura del vapor usat i garantir l'eficiència del procés.
Exemples de cogeneració
Aquí tens alguns exemples rellevants de cogeneració a diferents sectors:
- Indústria Paperera L'empresa espanyola Saica utilitza cogeneració per proveir les seves fàbriques de paper reciclat, aconseguint una major eficiència energètica i reduint emissions.
- Hospitals : Molts hospitals a Europa i als Estats Units, com l'Hospital Clínic de Barcelona, han implementat sistemes de cogeneració per garantir un subministrament energètic estable i reduir costos.
- Sector Automotriu Volkswagen va llançar el 2009 un projecte per instal·lar 100.000 mini plantes de cogeneració a llars i petites empreses a Alemanya, amb una capacitat total de 2 GW.
- Plantes de Tractament d'Aigües Residuals A diverses ciutats, com Madrid i Chicago, s'utilitzen sistemes de cogeneració que converteixen el biogàs generat en electricitat i calor per al seu propi funcionament.
- Edificis i Hotels Alguns hotels, com el Ritz-Carlton a San Francisco, han implementat cogeneració per optimitzar el seu consum energètic i reduir costos operatius.
Aplicacions de la cogeneració
L'energia tèrmica generada en els sistemes de cogeneració es pot destinar a:
-
Aplicacions industrials.
-
Sistemes de calefacció i refrigeració ambiental.
-
Xarxes de calefacció urbana.
Les plantes de cogeneració poden operar amb combustibles fòssils (gas natural, fueloil) o amb combustibles renovables (biomassa, biogàs, gas de síntesi), cosa que permet un considerable estalvi energètic en comparació amb la generació separada d'electricitat i calor.
Eficiència energètica a la cogeneració
L‟eficiència d‟un sistema de cogeneració es mesura considerant tant l‟energia elèctrica com la tèrmica generada. Per exemple, una planta que consumeix 100 MWh de gas metà per produir 40 MWh delectricitat i 40 MWh de calor té una eficiència global del 80%, molt superior a la duna planta convencional.
Altres indicadors clau per avaluar l'eficiència inclouen:
-
Eficiència del combustible: relació entre l'electricitat neta produïda i el consum de combustible.
-
Índex d'Estalvi d'Energia (IRE): Mesura l'estalvi d'energia en comparació de la generació separada.
-
Coeficient dutilització: Suma de les eficiències elèctrica i tèrmica.
-
Índex destalvi econòmic: Avalua la rendibilitat de la cogeneració en funció dels costos energètics evitats.
Tipus de centrals de cogeneració
1. Centrals de cogeneració de cicle combinat (Gas-Vapor)
Les centrals de cogeneració del cicle combinat són una de les opcions més eficients per a la producció simultània d'electricitat i calor. Aquest sistema combina una turbina de gas i una turbina de vapor.
El procés comença amb la combustió de gas natural o algun altre combustible a la turbina de gas, generant electricitat. Els gasos d'escapament d'aquesta turbina, que encara contenen una quantitat significativa d'energia tèrmica, es canalitzen cap a un generador de vapor, on es fa servir per escalfar aigua i produir vapor. Aquest vapor s'adreça a una turbina de vapor que genera electricitat addicional, aprofitant al màxim l'energia continguda al combustible.
Un dels avantatges principals d'aquest tipus de cogeneració és la seva alta eficiència, que pot superar el 80%, ja que s'aprofita tant l'electricitat com la calor residual. Aquesta configuració és particularment beneficiosa per a indústries grans o plantes que requereixen tant electricitat com calor de manera contínua, com en processos industrials, calefacció distrital o plantes de producció denergia.
La flexibilitat en el tipus de combustible que es pot utilitzar també permet que aquestes plantes siguin una opció atractiva per a diverses aplicacions, incloent-hi aquelles que busquen reduir la petjada de carboni i millorar la sostenibilitat energètica.
2. Centrals de cogeneració de gas natural (Turbina de Gas)
Les plantes de cogeneració que utilitzen turbines de gas són populars per la capacitat de generar electricitat i calor de manera eficient. Aquestes plantes funcionen cremant gas natural a una turbina, que genera electricitat a través del moviment de les aspes de la turbina.
La calor residual del procés de combustió s'utilitza per escalfar aigua o produir vapor, que després es pot utilitzar per a processos industrials, calefacció o en altres sistemes que requereixen calor. Aquesta configuració és comuna en plantes que operen a prop de zones residencials o industrials, on la calor es pot aprofitar de forma directa.
El gas natural és un combustible relativament net en comparació amb altres combustibles fòssils, cosa que fa que aquestes plantes siguin més sostenibles i tinguin menors emissions de CO₂. Tot i que l'eficiència d'aquestes plantes pot variar, la combinació d'electricitat i calor produïda conjuntament permet reduir l'ús de recursos i millorar el rendiment de les instal·lacions.
Aquestes plantes són especialment útils en àrees on la demanda de calefacció i electricitat és constant, com ara hospitals, complexos residencials o grans instal·lacions comercials.
3. Centrals de cogeneració de biomassa
Les plantes de cogeneració de biomassa aprofiten recursos renovables, com ara residus agrícoles, forestals o d'aliments, per generar electricitat i calor.
El procés implica la combustió de biomassa, que allibera energia tèrmica, que s'utilitza per escalfar aigua o produir vapor. Aquest vapor, alhora, acciona una turbina de vapor per generar electricitat. La cogeneració en aquest tipus de plantes és especialment beneficiosa per a les regions rurals o on els recursos orgànics són abundants, ja que permet utilitzar els residus de manera productiva, generant energia i reduint el malbaratament.
Un dels grans avantatges de les centrals de cogeneració de biomassa n'és el caràcter renovable i sostenible. En utilitzar materials orgànics, aquestes plantes contribueixen a la reducció de la dependència de combustibles fòssils ia la mitigació del canvi climàtic. A més, en moltes aplicacions industrials, la generació de calor és tan important com lelectricitat, i aquest tipus de sistema ofereix una solució eficaç.
Les plantes de biomassa també ajuden a la gestió de residus agrícoles i forestals, fet que contribueix al desenvolupament d'economies circulars i al maneig responsable dels recursos naturals.
4. Centrals de cogeneració de biogàs
Les plantes de cogeneració de biogàs aprofiten el gas metà produït per la descomposició anaeròbica de matèria orgànica, com ara residus agrícoles, fems o deixalles d'aliments.
El biogàs generat es crema en un motor de combustió o una turbina per produir electricitat. La calor residual d'aquest procés s'utilitza per a calefacció o processos industrials, cosa que augmenta l'eficiència global del sistema.
Aquest tipus de cogeneració és particularment atractiu en àrees rurals o en instal·lacions on es generen grans quantitats de residus orgànics, com ara granges o plantes de tractament d'aigües residuals.
El biogàs és una font d'energia renovable que, en aprofitar-se, redueix l'alliberament de metà a l'atmosfera, un gas d'efecte hivernacle altament potent. A més, les plantes de biogàs poden ser una solució eficaç per al maneig de residus orgànics i la producció denergia neta, contribuint així a una economia més circular.
La seva implementació és ideal en sectors on la producció de calor i electricitat és simultàniament necessària, com en processos industrials alimentaris o sistemes de calefacció distrital.
5. Centrals de cogeneració de motors de combustió interna
Les centrals de cogeneració que fan servir motors de combustió interna, generalment a gas, generen electricitat de manera eficient. Aquests motors són molt adequats per a aplicacions de petita i mitjana escala, com en instal·lacions industrials, hospitals o edificis comercials.
El funcionament és similar al dun motor convencional, on el gas es crema per moure els pistons del motor, generant electricitat. Alhora, la calor produïda pel motor es recull i s'utilitza en processos industrials o per a calefacció.
Un dels principals avantatges d'aquest tipus de cogeneració és la capacitat per adaptar-se a diferents escales i tipus de consum d'energia. Són fàcils d'instal·lar i mantenir, cosa que les converteix en una opció viable per a instal·lacions més petites que requereixen tant electricitat com calor.
A més, l'ús de motors de combustió interna permet operar amb flexibilitat quant als combustibles disponibles, des de gas natural fins a biogàs o fins i tot combustibles líquids en alguns casos.
6. Centrals de cogeneració de cicle ORC (Organic Rankine Cycle)
Les plantes de cogeneració basades en el cicle ORC utilitzen un fluid orgànic (en comptes d'aigua) per generar vapor i electricitat. Aquestes instal·lacions són ideals per aprofitar fonts de calor de baixa temperatura, com ara la calor residual de processos industrials o fonts geotèrmiques.
El fluid orgànic al cicle ORC es vaporitza en ser escalfat per la calor residual, cosa que mou una turbina generadora d'electricitat. Aquest sistema és especialment útil quan les temperatures dels gasos d'escapament no són prou altes per operar una turbina de vapor convencional.
Un dels principals avantatges del cicle ORC és que es pot utilitzar de manera eficient amb fonts de calor de baixa temperatura, cosa que obre noves oportunitats per a la cogeneració en processos industrials amb calor residual a temperatures moderades. A més, les plantes ORC són compactes i requereixen menys espai en comparació de les plantes tradicionals, cosa que les converteix en una opció atractiva per a instal·lacions més petites o aquelles amb limitacions d'espai.
Aquest tipus de cogeneració cada vegada és més popular en indústries com la geotèrmia, la recuperació de calor industrial i en projectes d'eficiència energètica.
7. Centrals de cogeneració de motors Stirling (Stirling Engine)
Les centrals que utilitzen motors Stirling es basen en un principi termodinàmic de cicle tancat que converteix la calor en feina mecànica
Aquest tipus de motor és particularment eficient en aplicacions de baixa temperatura, ja que funciona mitjançant l'expansió i contracció d'un gas segellat dins dels cilindres del motor. La calor, generalment produïda per combustió de biomassa, gas o energia solar, s'utilitza per escalfar el fluid del motor Stirling, cosa que permet generar electricitat i, alhora, aprofitar la calor residual per a altres usos.
L'avantatge principal de les centrals Stirling és la seva alta eficiència en aplicacions de calor a baixa temperatura. El disseny simple i el fet que no requereixen sistemes complexos de refrigeració, els fa una opció atractiva per a petits sistemes de cogeneració
A més, com que no tenen parts mòbils que entrin en contacte directe, requereixen un manteniment relativament baix. Aquestes plantes poden ser una opció excel·lent en instal·lacions rurals o de petita escala, com ara habitatges o comunitats que busquen solucions sostenibles d'energia.
8. Centrals de cogeneració de microturbines
Les microturbines són una tecnologia de generació denergia que utilitza una petita turbina de gas per generar electricitat i calor. Aquestes turbines són especialment eficaces en aplicacions de petita i mitjana escala, com ara edificis comercials, hospitals o fàbriques.
La microturbina utilitza gas natural o biogàs per generar electricitat, i la calor residual es pot utilitzar per a calefacció o en processos industrials. Aquestes plantes tenen l'avantatge de ser compactes, modulars i fàcils d'instal·lar, cosa que les fa ideals per a instal·lacions on l'espai és limitat o on calen solucions energètiques flexibles.
L'avantatge principal de les microturbines és que poden operar de manera eficient amb combustibles alternatius, cosa que les converteix en una opció atractiva per a comunitats o instal·lacions que busquen ser més autosuficients en termes energètics. A més, la seva alta fiabilitat i baix manteniment les fan atractives per a aplicacions de llarg termini.
Són ideals per a petites instal·lacions industrials o comercials que necessiten tant electricitat com a calefacció de forma contínua i econòmica.
9. Centrals de cogeneració fotovoltaica (amb emmagatzematge tèrmic)
Les centrals de cogeneració fotovoltaica combinen lenergia solar amb emmagatzematge tèrmic per generar tant electricitat com calor.
En aquest tipus d'instal·lacions, els panells solars fotovoltaics capturen l'energia solar per generar electricitat, mentre que la calor recollida durant el dia s'emmagatzema en sistemes d'emmagatzematge tèrmic, com ara sals foses. Aquesta calor emmagatzemada pot ser utilitzada per generar vapor o per a calefacció durant la nit o quan la demanda solar és baixa. Aquesta combinació permet un subministrament constant denergia tant elèctrica com tèrmica, fins i tot quan el sol no està disponible.
Aquest sistema ofereix diversos avantatges, incloent-hi el caràcter renovable i sostenible, i és particularment útil en àrees amb alts nivells de radiació solar. La integració demmagatzematge tèrmic permet a aquestes centrals generar calor de manera eficient durant tot lany, fins i tot quan les condicions meteorològiques no són ideals.
Les centrals fotovoltaiques de cogeneració estan guanyant popularitat com una solució integral per a comunitats, fàbriques i grans instal·lacions comercials que necessiten tant electricitat com calor de manera constant.
Petita i microcogeneració
-
Petita cogeneració: Capacitat inferior a 1 MW.
-
Microcogeneració: Potència inferior a 50 kW, utilitzada en habitatges i petits negocis.
La diferència principal entre totes dues és que, a la petita cogeneració, l'energia tèrmica és un subproducte de la generació elèctrica, mentre que a la microcogeneració la calor sol ser la necessitat principal, amb l'electricitat com a benefici addicional.