Analiza las bondades de ahorro energético que podría traer el uso de sistemas MCHP en hogares y edificios residenciales en climas fríos de México
Eleazar Rivera
Resultado de la actual crisis pandémica que se vive alrededor del mundo por la covid-19, la economía mundial buscará alternativas que sean más eficientes en el uso de la energía para los procesos industriales y de confort. En consecuencia, los costos de operación de inmuebles se verán directamente beneficiados y, por consiguiente, se obtendrán retornos a la inversión igual de rentables que los asociados a departamentos comerciales.
Los sistemas microcombinados de frío, calor y electricidad (MCHP, por sus siglas en inglés) para hogares o edificios comerciales pequeños a menudo funcionan con gas natural para producir electricidad y calor. Por lo general, un sistema MCHP contiene una pequeña celda de combustible o un motor térmico que funciona como motor principal. Éste se utiliza para rotar un generador que proporciona energía eléctrica. Al mismo tiempo utiliza el calor residual del motor principal para la calefacción, ventilación y aire acondicionado de un edificio individual. Para ello, hace uso de la tecnología conocida como refrigeración por absorción, la cual utiliza calor residual para ser intercambiado mediante un proceso endotérmico que involucra sales de cloruro y/o bromuro de litio (Figura 1).
Los MCHP pueden seguir principalmente la demanda de calor, suministrando electricidad como subproducto, o bien, pueden seguir la demanda eléctrica para generar electricidad y usar calor como subproducto. Cuando se usan para calefacción, los sistemas de MCHP generan más electricidad de la que se demanda instantáneamente en circunstancias de consumo eléctrico fluctuante.
CALOR RESIDUAl, la materia prima para cogenerar
La versión del motor térmico es un ejemplo a pequeña escala de esquemas de cogeneración utilizados en las grandes centrales de electricidad. Aunque pueda parecer contradictorio, la razón para usar este sistema radica en que las máquinas de calor, como las plantas de vapor que generan la energía eléctrica necesaria para la vida moderna al quemar combustible, no son muy eficientes. De acuerdo con el teorema o ciclo de Carnot, un motor térmico no es 100 por ciento eficiente, es decir, no puede convertir en ningún lugar todo el calor producido por el combustible que quema en formas organizadas de energía como la electricidad. Por lo tanto, los motores térmicos siempre producen un excedente de calor residual a baja temperatura, denominado calor “secundario” o “de baja calidad”. Las plantas eléctricas de la actualidad están limitadas a eficiencias de un 33 a un 63 por ciento como máximo, aproximadamente, por lo que del 37 al 67 por ciento restante de la energía se agota como calor residual. En el pasado, este excedente terminaba por desperdiciarse en el medioambiente.
Los sistemas de cogeneración, desarrollados en los últimos años en países de clima frío, utilizan el calor secundaio producido por las grandes centrales eléctricas para satisfacer la demanda de calefacción al canalizar el agua caliente de la planta a los edificios de la comunidad circundante (Figura 2).
Sin embargo, no es práctico transportar el calor residual a largas distancias debido a la pérdida de éste en las tuberías. Lo más eficiente es generar la electricidad cerca de donde se puede utilizar el excedente de calor. Por lo tanto, en un sistema microcombinado de energía, las pequeñas centrales eléctricas se ubican donde el calor secundario se puede utilizar en edificios individuales. La Comunidad Europea define los MCHP como menores a 50 kW de potencia eléctrica, sin embargo, también existen definiciones más restrictivas, de hasta <5 kW.
En las plantas eléctricas centralizadas, el suministro de calor residual puede exceder la demanda local de calefacción. En tales casos, si no es deseable reducir la producción de energía, se debe eliminar el excedente calorífico (por ejemplo, torres de enfriamiento o enfriamiento del mar) sin ser utilizado. Una forma de evitar el sobrante de calor secundario es reducir la entrada de combustible a la central de cogeneración, reduciendo tanto el calor como la producción energética para equilibrar la demanda. Al hacer esto, la generación de energía está limitada por la demanda de calor.
Esta tecnología, pues, representa un uso más eficiente del combustible porque el calor desperdiciado de la generación de electricidad se utiliza de manera productiva. Las plantas combinadas de calor y energía (CHP) recuperan energía térmica desperdiciada para el calentamiento. Esto también se llama calefacción combinada y electricidad de distrito. Las centrales pequeñas de cogeneración son un ejemplo de energía descentralizada. El calor del subproducto a temperaturas moderadas (100–180 ° C) también puede utilizarse en sistemas de refrigeración por absorción para enfriamiento.
En las termoeléctricas tradicionales, sólo el 34.4 por ciento del contenido de calor de una fuente de energía térmica primaria –biomasa, carbón, luz solar, gas natural, petróleo o uranio–, llega al consumidor, aproximadamente. La eficiencia puede ser del 20 por ciento para plantas muy antiguas y del 45 por ciento para las centrales de gas más nuevas. En comparación, un sistema CHP convierte del 15 al 42 por ciento del calor primario en electricidad. La mayor parte del excedente calorífico se captura para proporcionar agua caliente o brindar calefacción a los espacios. En total, más del 90 por ciento de la fuente de energía primaria (basado en LHV) puede usarse cuando la producción de calor no excede la demanda térmica (Figura 3).
La cogeneración, por lo tanto, aumenta el uso total de energía de las fuentes primarias, como el combustible y la energía solar térmica concentrada. Gracias a esto, los CHP han ganado popularidad en todos los sectores de la economía energética. Además, ante el aumento de los costos de la electricidad y los combustibles fósiles, la posibilidad de ahorrar y reducir el impacto del cambio climático también representa un gran aliciente.
MCHP: un modelo sustentable de generación distribuida
Los sistemas microcombinados de calor y potencia, en este sentido, son un ejemplo de generación de energía descentralizada. De acuerdo con el documento Política Pública para promover la Generación Distribuida en México, emitido por el Gobierno Federal en 2018, la Ley de la Industria Eléctrica (LIE) define a la generación distribuida (GD) “como la generación de energía eléctrica realizada por un generador exento, por lo que la capacidad instalada de la central de generación debe ser menor a 500 kW y además que se interconecte a un circuito de distribución que contenga una alta concentración de Centros de Carga; la Ley de Transición Energética (LTE) indica que si la generación se realiza a partir de energías limpias es Generación Limpia Distribuida (GLD)”.
En ese mismo documento se establece que la energía eléctrica de la GD se genera por medio de electrogeneradores que, a su vez, se utilizan como sistemas de emergencia, de cogeneración, de autoabastecimiento o de energías renovables, entre otros. Como ya se mencionó, la GD ha tenido un desarrollo favorable; por ello, es muy importante trabajar con grupos colegiados y con el apoyo de organismos nacionales e internacionales para ampliar la visión y emitir las regulaciones necesarias para el óptimo uso de esta tecnología. Un ejemplo de estas regulaciones es el Manual de Interconexión para Centrales de Generación con Capacidad menor a 0.5 MW, en el cual se establecen lineamientos generales de administración e infraestructura para GD, las disposiciones administrativas de carácter general que incluyen los modelos de contrato, la metodología de cálculo de contraprestación y las especificaciones técnicas generales, aplicables a las centrales eléctricas de GD y GLD. También se define la metodología de cálculo de la contraprestación y los modelos de contratos de interconexión entre el distribuidor y el solicitante (dueño de la GD).
Alternativas de sistemas microcombinados
Las instituciones del sector, empresas productivas del estado, la iniciativa privada, la academia y la sociedad, deberán trabajar de manera conjunta para promover acciones a corto, mediano y largo plazo para el desarrollo de la GD en México, acorde con las políticas públicas del país.
La microcogeneración, pues, es un recurso de energía distribuida (DER) en el que la instalación suele ser inferior a 5 kW para una casa o pequeña empresa. En lugar de quemar combustible para simplemente calentar el espacio o el agua, algunos sistemas convierten el calor en electricidad. Esta electricidad se puede usar dentro del hogar o negocio, o bien, si la administración de la red lo permite, volver a venderla a la red eléctrica.
Las instalaciones de MCHP utilizan cinco tecnologías diferentes: microturbinas, motores de combustión interna, motores Stirling, motores de vapor de ciclo cerrado y celdas de combustible.
En 2008 se dijo que los motores Stirling eran la opción más redituable de las llamadas tecnologías de cogeneración para reducir las emisiones de carbono. Por su parte, en 2013, un informe de Ecuity Consulting declaró que los sistemas MCHP son el método más eficiente y competitiva de utilizar gas para generar energía a nivel doméstico. Sin embargo, los avances tecnológicos de motores de reciprocidad están agregando eficiencia a la planta de cogeneración, particularmente en el campo del biogás. Tanto la MCHP como la CHP reducen las emisiones y podrían desempeñar un papel importante en el campo de la reducción de CO2 de los edificios, donde es posible reducir hasta un 14 por ciento de sus emisiones.
Asimismo, en 2017, la Universidad de Cambridge informó acerca de un prototipo rentable de motor de vapor que tiene el potencial de ser comercialmente competitivo en las siguientes décadas.
En algunos hogares, ya es posible encontrar plantas de MCHP con celdas de combustible, que pueden operar con hidrógeno, gas natural o GLP, entre otras sustancias inflamables. Cuando funciona con gas natural, se basa en el reformado con vapor para convertir el gas natural en hidrógeno antes de usarlo en la celda de combustible. Esto, por lo tanto, aún emite CO2, pero puede ser una buena solución hasta el punto en que el hidrógeno comienza a distribuirse a través del sistema de tuberías de gas natural (Figura 4).
Sistemas MCHP: macroeficientes y rentables
Los sistemas de cogeneración y trigeneración han beneficiado al sector industrial desde el comienzo de la revolución industrial. Durante tres décadas, los esquemas de CHP más grandes eran más justificables económicamente que los sistemas microcombinados, debido a la economía de escala. Después del año 2000, el modelo de MCHP se ha vuelto rentable en muchos mercados de todo el mundo, debido al aumento de los costos de energía.
El desarrollo de sistemas de microcogeneración también se ha visto facilitado por los recientes desarrollos tecnológicos de pequeños motores térmicos. Esto incluye un rendimiento mejorado y rentabilidad de las celdas de combustible, motores Stirling, máquinas de vapor, turbinas de gas, motores diesel y motores Otto, entre otros.
Políticas para promover el desarrollo de la GD en México
- Las disposiciones en materia de generación distribuida priorizarán las acciones contenidas en los instrumentos de planeación de la política energética nacional, con una visión de corto, mediano y largo plazo.
- El desarrollo de la GD se realizará mediante el uso de diversas tecnologías, promoviendo de manera especial el uso de las energías limpias.
- El crecimiento de la GD deberá contribuir a la democratización de la generación de energía eléctrica y al acceso universal al servicio eléctrico.
- La GD deberá contribuir con el cumplimiento de las metas de energías limpias, establecidas en la LTE y otros documentos que emanan de ésta, así como con las metas de reducción de emisiones de GEI, establecidas en la política nacional de cambio climático.
- El fomento de la GD incidirá positivamente en el desarrollo de la cadena de valor y de capacidades nacionales, así como en la calidad y el cumplimiento con estándares reconocidos a nivel nacional e internacional.
- La planeación del Sistema Eléctrico Nacional deberá establecer condiciones propicias para el desarrollo de la GD.
- Las normas, directivas y demás disposiciones de carácter administrativo que se emitan deberán dar certidumbre y viabilidad, además de promover el desarrollo de la GD.
- Se deberá fomentar un vínculo entre la academia y el sector privado para promover la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación en materia de GD.
Fuente: Política Pública para promover la generación distribuida en México.
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Eleazar Rivera
Consultor en eficiencia energética y temas de la industria HVAC en la Dirección de Fomento Energético de la Secretaría de Economía y Trabajo de Nuevo León.
