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1. Introducción

La energía está en todas partes y esencialmente constituye todo lo que nos rodea, pues jamás se crea y se destruye, solo se transforma. La ciencia ha debido recorrer un largo camino para llegar a esta evidencia iluminadora: los primeros atisbos los entregó la ley de conservación del moméntum en épocas de Newton, algunas décadas más tarde salió a la luz la ley de conservación de la materia gracias a estudios de Lomonósov y Lavoisier, y finalmente los avances en física cuántica aunaron todo este conocimiento en una única ley de conservación y equivalencia de materia-energía, cuyos fundamentos los encontramos en la conocida fórmula E = mc².

Así mismo, desde la segunda revolución industrial el ser humano ha podido gozar plenamente de la utilización de la energía eléctrica en pueblos, ciudades y metrópolis. Sin embargo, desde un comienzo la siguiente interrogante azotó a los científicos de la época: ¿cómo podemos optimizar la producción de energía?

Hoy día esa inquietud ha adoptado nuevas formas, la mayoría de las cuales tienden a abordar la producción energética de manera eficiente, sobre todo en un contexto global en el que la limitación de los recursos y el incremento insostenible de los gases de efecto invernadero urgen a tomar acción.

¿Cómo podemos generar energía para las distintas industrias siendo conscientes de lo que la humanidad y el planeta necesitan? ¿Cómo podemos aprovechar los conocimientos termodinámicos para aprovechar al máximo la energía residual? ¿Es posible sacar un máximo provecho de la materia en tanto energía?

La respuesta a todo lo anterior se fundamenta en la cogeneración eficiente.

2. Energía en el Mundo

Es difícil imaginar un solo día de nuestras vidas sin corriente eléctrica. Se trata de uno de los bienes cotidianos más importantes y sin embargo muchas personas desconocen de dónde proviene la electricidad y cómo es producida.

¿Dónde y cómo se genera la electricidad?

Actualmente la electricidad es producida en centrales eléctricas principalmente mediante el empleo de ciertos recursos primarios que al liberar su energía accionan movimientos mecánicos en turbinas, activando así a los generadores eléctricos (tal como indica su nombre, los encargados de generar la electricidad). La ciencia detrás de este último proceso se centra en la inducción eléctrica y otros fundamentos del electromagnetismo.

Las centrales eléctricas se distinguen unas de otras de acuerdo al tipo de recursos energéticos que utilizan para generar energía, y en general es posible diferenciarlas en dos grandes grupos:

  • Las de energías no renovables (carbón y otros combustibles fósiles, uranio, etc.).
  • Las de energías renovables (plantas solares, hidroeléctricas, eólicas, etc.).

Existen otras formas de diferenciar a las centrales de energía, básicamente porque cada una opera de manera distinta y porque independientemente del recurso primario que emplean sus eficiencias pueden diferir de forma considerable.

Tendencias globales en el sector de energía

De acuerdo con el informe de 2018 de Enerdata respecto de las tendencias globales en el sector de energía y de sus diferencias respecto al año anterior, cabe destacar algunos datos de utilidad:

  • Se presentó un 2% de incremento en las emisiones de CO2 luego de 3 años de estabilización, reforzado al parecer por el crecimiento de la economía global.
  • La aceleración en el crecimiento económico global fue de un 3,7%. El mayor crecimiento se observa en China e India, dentro del rango del 6-7%.
  • El consumo energético en el mundo aumentó un 2,1% en 2017, el doble de lo que incrementó en 2016, posiblemente impulsado por la electrificación de los usos cotidianos.
  • La producción de electricidad mediante energías renovables logró alcanzar el 10% de la generación total a nivel mundial.
  • Más del 80% de la producción energética proviene de energías fósiles.

Como conclusiones principales se observa que las medidas para emplear energía eficientemente son insuficientes basándose en la comparación de la tasa de uso de energía contra el PIB, y más aún considerando que las energías renovables solo abarcan un 10% de las necesidades energéticas globales.

Además, la electrificación cotidiana se evidencia por sí misma como una tendencia creciente: diversidad en aumento de electrodomésticos, celulares inteligentes y apps cada vez más necesarios, el internet de las cosas, migración de actividades económicas hacia los dispositivos electrónicos, entre otras cosas.

Por ende, urge emplear métodos de cogeneración eficiente de energía para hacer frente a las necesidades contemporáneas, en tanto este tipo de producción energética logra suplir las demandas globales para diversos tipos de centrales eléctricas a la vez que logra una eficiencia mucho mayor a la de los métodos tradicionales.

3. ¿Qué es la cogeneración eficiente?

En todo proceso termodinámico en que se transforma la energía, se libera al ambiente un excedente que jamás se recupera, ni siquiera en el más ideal de los casos. Las bases de esta realidad se sedimentan en la segunda ley de la termodinámica, la entropía, cuya consecuencia más inquietante se resume en que la entropía del universo aumenta inexorablemente, sin un final aparente.

Sea como fuere, los hallazgos científicos en el campo de la termodinámica han permitido hacer uso de este mismo concepto para controlar lo más posible el desecho energético, maximizando lo que se conoce como energía útil y por lo tanto la eficiencia de todo el sistema. Así es como nace el concepto de cogeneración eficiente.

La esencia de la cogeneración se remite a su propio nombre: generar simultáneamente. La cogeneración eficiente consiste en la producción tanto de calor útil como de electricidad usando como base una misma fuente de energía primaria o combustible.

En toda central eléctrica se libera muchísimo calor residual al ambiente, sobre todo en aquellas que utilizan procesos de combustión para activar las bobinas. La idea de la cogeneración eficiente es que la energía producida se pueda aprovechar para diversos usos, tales como vapor, agua caliente o helada, calefacción y otros procesos térmicos en las cercanías de la planta energética.

Diferencias entre sistemas de cogeneración eficiente y tradicionales

Mientras que con un sistema tradicional de producción energética se puede perder alrededor de un 70% del calor producido como energía residual, con un sistema de cogeneración eficiente esta cifra llega solo a un 15%, aproximadamente.

Otra forma de verlo es así: mientras en una planta con sistemas tradicionales de producción de electricidad se utilizan 150 unidades energéticas, en una planta con sistemas de cogeneración eficiente se emplean solo 100 unidades energéticas.

Por lo tanto, una central térmica tradicional se enfoca solo en la producción de electricidad, mientras que una planta con cogeneración eficiente puede tener otros objetivos además de la generación eléctrica, comenzando por la autosustentabilidad.

Además, estas últimas se diferencian de las primeras en que se caracterizan por su diversidad de tecnologías y diseños, de acuerdo con las necesidades de cada planta en particular.

Aplicaciones de la cogeneración eficiente

Sus aplicaciones, en la actualidad principalmente industriales, son diversas y dependen mayoritariamente de las necesidades de abastecimiento y de demandas de electricidad de cada planta de energía. Además, las formas de emplear la cogeneración energética cambian mucho de un país a otro, sobre todo al considerar las condiciones climáticas de cada región y sus condiciones de mercado.

En cualquier caso, los sistemas de cogeneración no son exclusivos del sector industrial, también es posible aprovechar sus utilidades en sectores comerciales y residenciales, e incluso en diversos aspectos del sector público.

Por ejemplo, en edificios corporativos o residenciales pueden existir distintas demandas para diferentes épocas del año, pudiéndose emplear la cogeneración eficiente para suplir necesidades de electricidad por una parte y de calor por otra, o incluso de calor, electricidad y frío, según el caso.

Beneficios de la cogeneración eficiente

Los beneficios inmediatos de la cogeneración eficiente se concluyen de su misma definición: aprovechar el calor residual como energía, además de la electricidad generada. Estos son algunos de los más evidentes:

  • Mayor eficiencia energética al necesitarse una menor cantidad de energía para ejecutar los mismos procesos.
  • Generación de electricidad in situ, lo que permite depender en menor cantidad de la red principal de transmisión, de sus precios y posibles imprevistos.
  • Adquisición de energía en lugares remotos, en los que sea más difícil conectarse la red de transmisión.
  • Ahorro de energía y por ende de recursos, ya que con una misma cantidad de recursos primarios se obtienen más ganancias energéticas.
  • Competitividad en el mercado gracias a reducción de costos.
  • Abastecimiento energético y térmico más confiable y continuo.
  • Procesos más productivos al poderse contar con más energía para cada uno.
  • Obtención de certificados de energía limpia.
  • Disminución sustancial de las emisiones, puesto que al aumentar la eficiencia de todos los procesos se reduce la quema de combustibles fósiles, contribuyendo de forma importante al cuidado del medioambiente.

4. Panorama mundial de la cogeneración eficiente

Conocida en inglés por el acrónimo CHP (Combined Heat and Power), el mercado de la cogeneración eficiente es un nicho en sí mismo a nivel global. De hecho, se espera un considerable aumento en estas actividades para dentro de los próximos años.

De acuerdo con datos de Global Market Insights, se proyecta un crecimiento global en el mercado de la cogeneración eficiente que pase de los 20 millones de dólares que generó en ganancias durante 2016 a más de 45 millones de dólares para el año 2024.

Además, con base en información de Smart Energy y Powermag, nos encontramos con las siguientes evidencias, desde políticas públicas y recursos por sectores, hasta datos de cogeneración a niveles regionales:

Políticas e incentivos tributarios

Estos datos se fundan en distintas evidencias, siendo una de las más relevantes la importancia que están imponiendo dentro de sus políticas los países emergentes en cuanto al reemplazo de centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles para lograr reducciones en la huella de carbono, dejando a la intemperie todo un mercado potencial para futuros inversores.

Además de esto, se están presentando condiciones favorables con respecto a las rebajas de impuestos y otros incentivos tributarios para todas aquellas empresas que contribuyan a la utilización de energías más limpias, en donde la cogeneración eficiente adopta un importante protagonismo al ayudar a las compañías a obtener sus certificados de energía limpia.

Recursos y eficiencia en distintos sectores

Otro factor sustancial que ha estimulado el crecimiento del mercado de CHP es la marcada tendencia en el decaimiento de precios del gas natural y el fácil acceso a este recurso, lo que permite poner en marcha un sistema de cogeneración eficiente sin tantos preámbulos.

Además, al ir demostrando una considerable mejora año a año en cuanto a las tecnologías disponibles para la cogeneración eficiente, se evidencia como una alternativa tentadora para que las compañías optimicen sus procesos y ahorren en sus costos operativos mensuales.

Adicionalmente, al irse expandiendo el conocimiento de la cogeneración eficiente dentro del rubro industrial, inevitablemente se termina presentando como una opción accesible en otros sectores, como el residencial y el comercial, lo cual también deviene en un crecimiento sostenido dentro del mercado.

Cogeneración eficiente por regiones

La cogeneración eficiente provee más de un 15% de todo el calor y 11% de toda la electricidad para 28 miembros de la Unión Europea. Constituye aproximadamente un 15% del área de las energías eficientes en la UE y aporta un 20% de los objetivos climáticos para el 2020, lo que permite a Europa restar 200 millones de toneladas de CO2 por año.

Como en cualquier escenario regional, el aporte de la cogeneración eficiente muestra variaciones importantes de país a país: en Finlandia, Dinamarca, Letonia, Eslovaquia y Lituania esta cubre más del 30% de las necesidades energéticas, mientras que en Chipre, Grecia y Malta no alcanza a cubrir más del 5%. Con todo, los niveles de utilización de cogeneración eficiente han permanecido más o menos estables los últimos años.

El gigante latinoamericano, Brasil, ha demostrado adoptar de forma sustancial sistemas de cogeneración eficiente durante los últimos años, más que nada producto de la creciente inversión en el desarrollo de manufactura a pequeña escala, presentándose como una buena oportunidad de negocios para los distintos participantes.

Al respecto, se espera que la industria de la cogeneración eficiente en Brasil crezca de manera importante los próximos 7 años, con una tasa anual del 8%. Se estima además que los sistemas de cogeneración basados en combustión de biomasa cubran un 17% de todos los requerimientos de electricidad en el país para el año 2030.

En China, el mercado que los últimos años se ha mantenido liderando el podio del crecimiento económico, también ha mostrado un interés explícito hacia la cogeneración eficiente. Además de las políticas que urgen a minimizar las emisiones de carbono y a reemplazar plantas tradicionales con centrales de energías limpias, más que todo por el apremio global y buscando solucionar la contaminación excesiva en algunas de sus ciudades, el gobierno chino declaró que espera cambiar sus centrales eléctricas basadas en carbón con plantas de cogeneración eficiente que emplean gas natural.

Otro gigante asiático, Japón, constituye un excelente ejemplo de implementación efectiva de cogeneración eficiente. Luego del terremoto de 2011 y de los accidentes nucleares que le sucedieron, el país se obligó a implementar y favorecer políticas energéticas más limpias que pudieran mitigar desastres futuros. El sector de cogeneración eficiente creció progresivamente y en 2015 el gobierno japonés se impuso la meta de incrementar la cogeneración eficiente hasta una producción de 119 mil millones de kWh para el 2030.

En Alemania, por su parte, se proyecta una capacidad que exceda los 3 GW a nivel de mercado nacional en cuanto a cogeneración eficiente para el año 2024.

Finalmente, gracias a la conciencia general en torno a la sustentabilidad de la combustión de recursos fósiles, y sobre todo en un escenario global en que todos los mercados aún dependen en su mayoría de ellos, se calcula que la tasa de crecimiento anual compuesto en el mercado de la cogeneración basada en gas natural en el mundo sea de un 10% entre los años 2016 y 2024.

5. Sistemas de cogeneración eficiente

Las plantas de cogeneración eficiente varían de industria a industria principalmente por el sistema que más se adapte a sus necesidades de abastecimiento energético, siempre respetando la máxima de aprovechar el calor residual u otros recursos energéticos como combustible para otros procesos.

Durante la combustión de ciertos recursos fósiles se desprende energía que puede ser recuperada de diversas formas, principalmente tres: en vapor, en agua caliente y en agua fría. De acuerdo con esto, algunos de los sistemas de cogeneración más importantes son los siguientes.

Cogeneración con vapor

Uno de los métodos más efectivos para hacer uso de la cogeneración con vapor es el que emplea calderas de recuperación de calor, también conocidas como HRSG (por las palabras en inglés Heat Recovery Steam Generator). Este tipo de calderas se subdividen a su vez en distintos sistemas: con o sin postcombustión, calderas verticales u horizontales y por la cantidad de veces que el agua atraviesa la caldera.

En esencia lo que hace una caldera de recuperación de calor es sacar provecho de la energía proveniente de los gases de escape que escapan de la turbina de gas, energía que posteriormente es convertida en vapor. Mediante la utilización de otra turbina de gas, este vapor se convierte en electricidad que puede ser usada tanto en sistemas de calefacción como en otros procesos industriales.

Cogeneración con agua caliente

En la cogeneración con agua caliente, esta última se emplea en sistemas de calefacción y para surtir calderas. Para ser aprovechada, el agua caliente se puede producir de dos maneras distintas:

  • Como resultado de enfiramiento: al producirse energía eléctrica por combustión, la inyección de agua fría ejerce funciones refrigerantes para enfriar todo el sistema. A causa de este último proceso, el agua alcanza temperaturas que van desde los 60 hasta los 80 grados centígrados.
  • Por colector de gases: cuando se lleva a cabo el proceso de combustión para generar electricidad, se liberan gases que son llevados a un condensador. Allí, mediante un sistema intercambiador de calor, se produce el agua caliente.

La cogeneración con agua caliente puede ser aprovechada para distintos tipos de organizaciones, gracias a la diversidad de usos que se le puede dar en calefacción, calderas e incluso esterilización. Algunas de estas son: edificios habitacionales, industrias químicas y alimenticias, farmacéuticas, refresqueras, lavanderías, restaurantes, hotelería, hospitales y textiles.

Cogeneración con agua helada

La cogeneración con agua fría se basa en el mismo principio que en la de agua caliente, y se diferencia de esta última en que al sistema en cuestión se le incorpora un proceso en el que la energía térmica recuperada es llevada a un filtro en donde se enfría la temperatura del agua, quedando lista para su distribuicón.

Uno de los elementos más importantes de la cogeneración con agua helada es el enfriador de absorción (también conocido como “chiller” de abosrción), cuya incorporación a la planta de generación simultánea es esencial para capturar el vapor o el agua caliente.

La cogeneración con agua fría es considerada una de las más prolíficas, pues se puede utilizar en todo tipo de viviendas (edificios, casas, comunidades), además de oficinas, centros comerciales, clubes deportivos y básicamente en todo tipo de industrias, especialmente en las alimentarias, farmacéuticas y de conserva, ya que este sistema permite ahorrar en electricidad y combustibles necesarios para mentener en funcionamiento los sistemas de refrigeración.

6. Cogeneración eficiente en México

Las oportunidades de cogeneración en México, al igual que en el resto del mundo, resultan prometedoras por los mismos motivos: una oferta sostenida y una demanda en crecimiento. Además, los valores para el cumplimiento de los Certificados de Energías limpias (CELs) de acuerdo al porcentaje de consumo total anual de empresas e industrias va en aumento:

  • Un 5% en 2018.
  • Un 5,9% para 2019.
  • Un 7,4% para 2020.
  • Un 10,9% para 2021.
  • Un 13,9% ya para 2022.

Las centrales eléctricas acreditadas en México por la Comisión Reguladora de Energía (CRE) son 30 y representaron un total del 1,7% de la capacidad instalada en nuestro país, lo que equivale a 1.251 MW, y generaron además un 2,1% de la electricidad durante el año 2017.

En Veracruz y Tabasco se encuentra la mayor capacidad disponible en cuanto a cogeneración eficiente, ascendiendo a 767 MW y representando una generación de electricidad del 70,8% por medio de esta tecnología, certificada ante la CRE.

Finalmente, uno de los datos más importantes de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) hace alusión al potencial de cogeneración eficiente en México: un valor que asciende a los 7.045 MW, muy por sobre otras energías limpias como la bioenergía (1.478 MW), la hidroeléctrica (2.692 MW) o la geotérmica (2.610 MW).

Los cimientos para este mercado en México están dados y solo apuntan a un crecimiento sostenido durante los próximos años. Si las empresas y las industrias buscan cumplir con las necesidades medioambientales de México y del mundo, además de invertir en una evidente ganancia a mediano plazo, es indispensable adoptar sistemas de cogeneración eficiente para sus procesos.

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