Descripción general
Las cinco tecnologías descritas en la Guía constituyen el 97 por ciento de los proyectos de Combinación de calor y energía (CHP), vigentes en la actualidad en Estados Unidos y el 99 por ciento de la capacidad eléctrica total de CHP instalada.
Todas las tecnologías descritas convierten un combustible químico en energía eléctrica. La energía en el combustible que no se convierte en electricidad se libera en forma de calor. Todas las tecnologías, excepto las celdas de combustible, son una clase de tecnologías conocidas como motores de calor; estos queman el combustible para producir calor, y una parte de ese calor se utiliza para producir electricidad mientras el calor restante se agota en el proceso. Las celdas de combustible, convierten la energía del combustible en electricidad electroquímicamente; sin embargo, todavía hay ineficiencias en el proceso de conversión que produce calor que puede utilizarse para CHP. Cada tecnología se describe en detalle en los siguientes capítulos, pero aquí se brinda una breve introducción de cada uno:
- Las microturbinas, como ya se indicó, son turbinas de gas muy pequeñas. Se desarrollaron como fuentes de energía fijas y de transporte en los últimos 30 años. Originalmente, se basaban en la tecnología de turbocompresor de camión, que captura la energía en el calor de escape del motor, para comprimir el aire de entrada del motor. Las microturbinas son de combustión limpia, mecánicamente simple y muy compacta. Hubo una gran cantidad de sistemas en competencia en desarrollo a través de los 90s. Hoy, luego de un período de consolidación del mercado, hay dos fabricantes en los Estados Unidos que proporcionan sistemas comerciales para el uso de CHP con capacidades que varían de 30 a 250 kW para sistemas de turbina individuales con múltiples paquetes de turbinas disponibles hasta 1.000 kW.
- Los motores reciprocantes, constituyen más de la mitad de los sistemas de CHP implementados, debido a los tamaños de sistema generalmente más pequeños, menos del 3 por ciento de la capacidad total. La tecnología es cosa común: se usa en automóviles, camiones, trenes, sistemas de energía de emergencia, sistemas de energía portátiles, equipos agrícolas y de jardinería. Los motores alternativos pueden variar en tamaño, desde pequeños equipos portátiles hasta motores marinos gigantes de más de 5 pisos de altura y produciendo el poder equivalente para servir a 18,000 hogares. La tecnología ha existido por más de 100 años. La madurez y los altos niveles de producción hacen que los motores recíprocantes sean una opción confiable de bajo costo. Las mejoras tecnológicas en los últimos 30 años han permitido que esta tecnología se mantenga al día con la mayor eficiencia y cumpliendo con las exigencias de emisiones de las aplicaciones actuales de CHP. Las características de calor de escape de los motores recíprocantes los hacen ideales para producir agua caliente.
- Los sistemas de turbinas de vapor representan el 32 por ciento de la capacidad de cogeneración instalada en EE. UU.; sin embargo, la edad media de estas instalaciones es de 45 años. Hoy en día, las turbinas de vapor se utilizan principalmente para sistemas combinados con calderas de combustibles sólidos, calor residual industrial o el calor residual de una turbina de gas (convirtiéndolo en un ciclo combinado). Las turbinas de vapor ofrecen una amplia gama de diseños y complejidad para adaptarse a la aplicación deseada y / o especificaciones de rendimiento que varían desde turbinas de contrapresión de una sola etapa o turbinas de condensación para gamas de baja potencia hasta turbinas complejas de múltiples etapas para gamas de mayor potencia. Las turbinas de vapor para servicio público pueden tener varias carcasas de presión y características de diseño elaboradas, todas diseñadas para maximizar la eficiencia del sistema. Para aplicaciones industriales, las turbinas de vapor son generalmente de diseño de carcasa simple más sencillas y menos complicadas por razones de confiabilidad y costo. CHP se puede adaptar a diseños de turbinas de vapor industriales y de servicios públicos.
- Las turbinas de gas, representan más del 60 por ciento de la capacidad de sistemas de CHP. Es la misma tecnología que se utiliza en aviones a reacción y muchas turbinas de gas aeroderivativas utilizadas en aplicaciones estacionarias son versiones de los mismos motores. Las turbinas de gas se pueden fabricar en una amplia gama de tamaños, desde microturbinas (que se describirán por separado) hasta turbinas de marco muy grandes utilizadas para la generación de energía de la estación central. Para aplicaciones de CHP, su rango de aplicación más económico es en tamaños mayores a 5 MW con tamaños que van desde los cientos de megavatios. El calor a alta temperatura del escape de la turbina se puede usar para producir vapor a alta presión, lo que hace que los sistemas de CHP con turbina de gas sean muy atractivos para las industrias de procesos.
- Las celdas de combustible utilizan un proceso electroquímico o similar a una batería para convertir la energía química del hidrógeno en agua y electricidad. En aplicaciones de CHP, el calor generalmente se recupera en forma de agua caliente o vapor a baja presión (<30 psig) y la calidad del calor depende del tipo de celda de combustible y su temperatura de funcionamiento. Las celdas de combustible usan hidrógeno, que se puede obtener del gas natural, el gas de carbón, el metanol y otros combustibles de hidrocarburos. Las celdas de combustible se caracterizan por el tipo de proceso electroquímico utilizado, y hay varios tipos de competencia, ácido fosfórico (PAFC), membrana de intercambio de protones (PEMFC), carbonato fundido (MCFC), óxido sólido (SOFC) y alcalino (AFC). Los sistemas PAFC están disponibles comercialmente en dos tamaños, 200 kW y 400 kW, y dos sistemas MCFC están disponibles comercialmente, 300 kW y 1200 kW. Los costos de capital de la celda de combustible siguen siendo altos debido a los métodos de producción personalizados de bajo volumen, pero siguen siendo demandados en aplicaciones de CHP debido a sus bajas emisiones al aire, bajos niveles de ruido y generosos subsidios al mercado.
Fuente:
Extraído del documento emitido por U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership, Septiembre 2017.
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