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Breves técnicas
El concepto de energía útil para evaluar
el desempeño de sistemas de cogeneración
Abigail González Díaz y José Miguel González Santaló
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La cogeneración es un esquema de operación de
sistemas energéticos, en el que con un solo insumo
energético se generan varios productos, entre los
que pueden estar:
•
Electricidad
•
Vapor (pueden ser varias corrientes de temperaturas y presiones distintas)
•
Gases calientes para proceso
•
Refrigeración y aire acondicionado (pueden
ser cargas para distintas temperaturas frías)
•
Hidrógeno
piedra fundamental en análisis termo-económicos. El concepto es sencillo en sí
y es el contenido energético de una corriente que puede convertirse en energía
mecánica y está determinado por la segunda ley de la termodinámica.
En el caso de la energía eléctrica, el total de la energía es convertible a energía
mecánica (salvo por las pérdidas mecánicas que son mínimas). En el caso de
corrientes de vapor, la energía convertible a energía mecánica es función de la
presión y temperatura del vapor y de las condiciones del entorno.
La energía útil o exergía se define como:
B = (h-h0) – T0 (S-S0)
Donde el subíndice 0 se refiere a los valores de las condiciones del entorno.
Una dificultad en la evaluación de estos sistemas
es el procedimiento para distribuir los costos de
operación (fundamentalmente combustible) y los
de inversión entre los distintos productos. Esto se
vuelve crítico cuando los proyectos son desarrollados de manera conjunta entre distintas organizaciones que tienen, cada una, intereses distintos:
una puede tener interés en la generación y venta de
electricidad; otra puede tener interés en el uso del
vapor y, en todos estos casos, es necesario tener un
acuerdo de los costos de cada producto.
El uso de contenido energético como factor para la
asignación de costos no da resultados muy útiles.
El extremo sería la disponibilidad de una corriente
de vapor a temperatura ambiente, que tendría un
contenido energético importante, pero que no se
puede utilizar en ninguna aplicación.
Un esquema que ha sido utilizado en el mundo es
el concepto de “energía útil” o exergía, que ha sido
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Boletín IIE
enero-marzo-2014
Breves técnicas
La ecuación anterior se puede interpretar en sus dos términos. El primero es
la diferencia de entalpías entre el estado de la corriente de vapor que se está
analizando y la entalpía que tendría en equilibrio con el medio ambiente. Sería
la energía que se tendría que extraer a la corriente para llevarla a un estado de
equilibrio con el entorno. El segundo término T0 (S-S0) es la energía que no se
puede convertir a energía mecánica, de acuerdo a las limitaciones de la 2ª. ley
de la termodinámica.
Producto
Flujo másico
(Ton/hr)
Electricidad (400 MW)
Energía
(MJ/hr)
Energía útil
(GJ/hr)
1440
1440
Vapor de 60 kg/cm y 350°C
250
724
305
Vapor de 20 kg/cm2 y 350°C
250
747
259
Vapor de 1 kg/cm y 350°C
250
756
160
2
2
La siguiente tabla muestra, para un sistema de cogeneración con generación
de energía eléctrica y con producción de tres corrientes de vapor de distintas
presiones, los parámetros de energía total y de energía útil para un entorno a
30°C.
Es claro que los resultados en términos de energía y de energía útil son radicalmente distintos. Si la energía se utilizara como criterio de asignación de
costos, el 53.4% del costo se asignaría al vapor, mientras que si se utilizara el
criterio de energía útil, solo le correspondería el 33.4%. Cabe destacar que en
términos de energía, el vapor de baja presión tiene mayor contenido que el de
alta, mientras que en términos de energía útil tiene cerca de la mitad.
El uso de energía como criterio para asignar costos o dar valor a las corrientes,
da claramente resultados contrarios a la lógica. La energía útil tiene la ventaja
de presentar de la misma forma, tanto en términos de unidades como conceptuales, los valores de los distintos productos y en consecuencia es un mejor
criterio para la evaluación de este tipo de sistemas.
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