INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREY
PRESENTE.
Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra
denominada
, en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto
Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que
efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución,
distribución pública y reproducción, así como la digitalización de la misma, con
fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO, dentro del círculo de la
comunidad del Tecnológico de Monterrey.
El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a
otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas
anteriormente de la obra.
De la misma manera, manifiesto que el contenido académico, literario, la
edición y en general cualquier parte de LA OBRA son de mi entera
responsabilidad, por lo que deslindo a EL INSTITUTO por cualquier violación a
los derechos de autor y/o propiedad intelectual y/o cualquier responsabilidad
relacionada con la OBRA que cometa el suscrito frente a terceros.
Estudio y Análisis del Desempeño de un Sistema de
Cogeneración Bajo un Esquema de Control Avanzado -Edición
Única
Title
Estudio y Análisis del Desempeño de un Sistema de
Cogeneración Bajo un Esquema de Control Avanzado
-Edición Única
Authors
Alejandro Cadena Ramírez
Affiliation
Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey
Issue Date
2011-12-01
Item type
Tesis
Rights
Open Access
Downloaded
18-Jan-2017 13:04:59
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
PROGRAMA DE GRADUADOS
ESCUELA DE INGENIERÍA Y
TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN
ESTUDIO Y ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE UN
SISTEMA DE COGENERACI
Ó
N BAJO U N ESQUEMA
DE CONTROL AVANZADO
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA
OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD E N
INGENIERÍA ENERGÉTICA
POR:
ALEJANDRO CADENA RAMÍREZ
MONTERREY, N,
L.,
DICIEMBRE
20
11
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
PROGRAMA DE GRADUADOS
ESCUELA DE INGENIERÍA Y
TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN
ESTUDIO Y ANÁLISIS DEL DESEMPEŃO
DE UN SISTEMA DE COGENERACIÓN
BAJO UN ESQUEMA DE CONTROL AVANZADO
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER
EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN
INGENIERÍA ENERGÉTICA
POR:
ALEJANDRO CADENA RAMÍREZ
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN
Los m i e m b r o s del c o m i t é de tesis r e c o m e n d a m o s q u e la presente tesis del Ingeniero A l e j a n d r o Cadena Ramírez sea aceptada c o m o requisito parcial para o b t e n e r el grado a c a d é m i c o d e :
MAESTRO EN CIENCIAS
CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA
Comité de tesis:
Asesor
Sinodal Sinodal
APROBADO:
Dr. Osvaldo Miguel Micheloud Vernackt
Director de la Maestría en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Energética
Dedicatoria
A mis padres Raúl y Cristina
Agradecimientos
A mi asesor, el Dr. A n t o n i o Favela por su guía y consejo a lo largo d e este trabajo de investigación; p o r h a b e r c o m p a r t i d o c o n m i g o su c o n o c i m i e n t o y s o b r e t o d o su amistad.
A mis sinodales, el Dr. José de Jesús Rodríguez por sus o b s e r v a c i o n e s y sugerencias para e n r i q u e c e r este trabajo d e tesis y al M C . A n g e l o Raimondi p o r sus valiosas aportaciones sobre la modelación de la planta y p o r haber c o m p a r t i d o c o n m i g o su experiencia sobre el control a v a n z a d o .
A la e m p r e s a Sistemas de Energía Internacional S.A. de C.V., p o r h a b e r m e facilitado información r e f e r e n t e a su Unidad d e C o g e n e r a c i ó n M ó v i l . Al Ing. A l e j a n d r o Hinojosa p o r sus aportaciones r e f e r e n t e s al c o n t r o l y o p e r a c i ó n d e la Unidad de Cogeneración M ó v i l y e n especial al Dr. José R a m ó n V e g a p o r c o m p a r t i r su c o n o c i m i e n t o y experiencia sobre los sistemas de cogeneración, q u e f u e r o n d e incalculable valor para la realización de este trabajo d e tesis.
A los p r o f e s o r e s , Dr. O s v a l d o M i c h e l o u d , Dr. Alejandro M o n t e s i n o s , Dr. E d u a r d o Uresti, M C . Jesús Báez, M C . V e r ó n i c a Patino, Dra. Alińe Drivet, Dra. Blanca López y M C . Carlos W e b b por su t i e m p o y a p o y o a lo largo d e mis estudios de posgrado.
Y a mis c o m p a ń e r o s E d u a r d o Mariscal, A r t u r o Delgado, Carlos C e d e ń o , Gilberto Rubio, F e r n a n d o Martell, M a r t í n López, J o h n y Calderón y V í c t o r Castańeda
Resumen
En el presente trabajo de tesis, se realiza un estudio de los sistemas de cogeneración. La justificación del estudio y posterior análisis de estos sistemas se basa en los objetivos planteados por el Programa Especial de Cambio Climático 20092012, para fomentar la generación de energía a través del aprovechamiento de fuentes renovables y la cogeneración por parte del sector privado.
Aún y cuando los sistemas de cogeneración hacen uso de combustibles fósiles como fuente primaria de energía, han resultado ser de muy alta eficiencia, de bajas emisiones y de alta versatilidad en el uso de tecnologías limpias. Por lo que los hace ideales en la transición hacia el uso de fuentes de energía alternativas.
Después de revisar los diferentes sistemas de cogeneración, se propone una planta de cogeneración. El diseńo de esta planta se realizó tomando en cuenta las ventajas de las diferentes tecnologías, una fuente de energía primaria limpia y un enfoque sobre el uso final de cada tipo de energía generadas por la planta.
En el presente trabajo de tesis se plantea como objetivo principal el incrementar la eficiencia de la planta de cogeneración propuesta, sin afectar su diseńo constructivo. Este objetivo se logro al sustituir el control de la planta por un control avanzado haciendo uso de control predictivo basados en modelos.
La base formulada para lograr este objetivo, parte de la premisa que para lograr la máxima eficiencia de una planta, ésta debe ser operada sobre puntos de operación óptimos, especificados para su diseńo. Esto no siempre se logra en la práctica, debido a que dichos puntos se encuentran frecuentemente muy cercanos a límites de operación, lo que hace difícil al sistema de control mantener estos puntos. Ligado al incremento de eficiencia, se busca tener un mejor desempeńo de la planta de cogeneración al reducir el consumo de combustible.
Para medir el incremento en la eficiencia y desempeńo de la planta de cogeneración, se llevó a cabo un experimento en simulación computacional sobre un modelo de la planta, controlando la operación de ésta, utilizando una estrategia de control clásico y una estrategia de control avanzado. Para después llevar a cabo un análisis comparativo de ambos experimentos.
índice General
Justificación ix Objetivos xi
Metodología xi Organización de la Tesis xii
Capítulo 1. Panorama y Perspectiva de la Cogeneración en México 1
1. Introducción 2 1.1 Definición y conceptos principales de la Cogeneración 2
1.2 Antecedentes históricos de la Cogeneración 5 1.3 Marco regulatorio e institucional aplicado a la Cogeneración 6
1.3.1 Marco regulatorio 6 1.3.1.1 Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos 7
1.3.1.2 Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica 7 1.3.1.3 Reglamento de la Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica 8
1.3.1.4 Instrumentos regulatorios 9
1.3.2 Marco institucional 10 1.3.2.1 Comisión Reguladora de Energía 10
1.3.2.2 Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía 11
1.3.2.3 Comisión Federal de Electricidad 12
1.4 Perspectiva de la Cogeneración 12 1.4.1 Consumo de combustibles para la generación de electricidad 13
1.4.2 Potencial de Cogeneración en México 13
1.5 Beneficios de la Cogeneración 15 1.5.1 Ahorro de energía primaria y reducción de emisiones de GEI 15
1.5.2 Beneficios para el Sistema Eléctrico Nacional 15 1.5.3 Beneficios asociados a la generación distribuida 16 1.5.4 Beneficios asociados a nuevas inversiones y creación de empleo 16
1.5.5 Beneficios para las empresas que operen con sistemas de cogeneración 16
1.6 Sistema de Cogeneración propuesto 17
Capítulo 2. Análisis del Proceso de Cogeneración 19
2. Introducción 20 2.1 Análisis de los ciclos de potencia de la unidad de Cogeneración 20
2.1.1 Ciclo Brayton 21 2.1.2 Ciclo Rankine 27
2.1.3 Ciclo Combinado 30 2.2 Análisis de operación de la Turbina de Gas 32
2.2.1 Transferencia de energía entre fluido y máquina 32
2.2.2 Operación del Compresor Axial 34 2.2.3 Operación del combustor o cámara de combustión 35
2.2.4 Operación del Expansor o Turbina 36 2.3 Análisis de operación del Recuperador de calor 37
2.3.1 Transferencia de calor entre gases y fluido 38
2.3.1.1 Tecnología Pinch 39 2.3.2 Operación del Sobrecalentadory Economizador 40
2.3.3 Operación del Evaporador 42
Capítulo 3. Teoría de Control 44
3. Introducción 45 3.1 Definiciones 45 3.2 Regulador PID. Acciones básicas de control 47
3.2.1 Acción de control Proporcional 47 3.2.2 Acción de control Proporcionallntegral 48
3.2.3 Acción de control ProporcionalDerivativa 49 3.2.4 Acción de control ProporcionalIntegralDerivativa 50
3.3.5 Sintonización del controlador 50
3.3.5.1 Método de ganancia última 51 3.3.5.2 Método de % de decaimiento 52 3.3.5.3 Método por criterios integrales 53 3.3 Control predictivo basado en modelos 54
3.3.1 Formulación del control predictivo 54 3.3.2 Controladores predictivos en la industria 56
3.3.3 Dynamic Matrix Control 56 3.3.3.1 Ecuación de predicción 57 3.3.3.2 Cálculo de la respuesta libre del sistema 59
Capítulo 4. Control y Operación de la Planta de Cogeneración 63 4. Introducción 64 4.1 Unidad de Cogeneración Móvil 67 4.1.1 Sistema de control 67 4.1.2 Secuencias de operación 68 4.1.2.1 Secuencia de arranque 68 4.1.2.2 Secuencia de paro 69 4.1.2.3 Secuencia de paro de emergencia 70 4.1.3 Descriptivas de operación 71 4.1.3.1 Operación de la turbina de gas 71 4.1.3.2 Operación del recuperador de calor 73
Capitulo 5. Estrategia de Control Implementada 76
5. Introducción 77 5.1 Estrategia de control clásica 78 5.1.1 Identificación de la planta 79 5.1.1.1 Identificación lazo de potencia 79 5.1.1.2 Identificación lazo de temperatura 80 5.1.1.3 Identificación lazo de flujo 82 5.1.1.4 Identificación lazo de nivel 83 5.1.2 Estimación y ajuste de los parámetros de sintonía 84 5.1.2.1 Sintonía lazo de potencia 85 5.1.2.2 Sintonía lazo de temperatura 86 5.1.2.3 Sintonía lazo de flujo 87 5.1.2.4 Sintonía lazo de nivel 88 5.2 Estrategia de control avanzada 89 5.2.1 Estimación de parámetros de sintonía 90 5.2.1.1 Sintonía lazo de potencia 90 5.2.1.2 Sintonía lazo de temperatura 91 5.2.1.3 Sintonía lazo de flujo 92
Capítulo 6. Análisis Comparativo y de Desempeńo 94
6. Introducción 95 6.1 Diseńo del experimento 95
6.2 Metodología para el cálculo de eficiencia 97 6.3 Resultados y análisis comparativo 99
Capítulo 7. Conclusiones y Trabajos Futuros 105
7. Conclusiones y Trabajos Futuros 106
7.1 Conclusiones 106 7.2 Trabajos futuros 107
Figura 44 Comparativa entre el modelo y la respuesta de la planta [lazo de flujo] 83
Figura 45 Identificación de un proceso integrador 83
Figura 46 Prueba escalón lazo de Nivel 84 Figura 47 Control de potencia de la Turbina [Pl] 86 Figura 48 Control de temperatura de la Turbina [Pl] 87 Figura 49 Control de flujo de vapor HRSG [Pl] 88 Figura 50 Control de nivel del Evaporador [PID] 89 Figura 51 Control de potencia de la Turbina [MPC] 91 Figura 52 Control de temperatura de la Turbina [MPC] 92 Figura 53 Control de flujo de vapor HRSG [MPC] 93 Figura 54 Esquemático. Experimento para análisis de desempeńo de la Unidad 96
Figura 55 Comparativa generación de potencia eléctrica 99 Figura 56 Comparativa generación de potencia térmica 100 Figura 57 Comparativa consumo de energía primaria 101 Figura 58 Cálculo de eficiencia para simulación con control clásico 102
Figura 59 Cálculo de eficiencia para simulación con control avanzado 102
Figura 60 Factores de Emisiones por Combustible 103
índice de Tablas
Tabla 1 Eficiencias típicas comparativas de Generación y Cogeneración 4
Tabla 2 Potencial de Cogeneración por Sector Industrial 14 Tabla 3 Fórmulas para estimación de parámetros PID. Ganancia última 52
Tabla 4 Fórmulas para estimación de parámetros PID. 1/4 de Decaimiento 52 Tabla 5 Parámetros óptimos para criterios integrales. PID Industrial 53 Tabla 6 Datos para la identificación del modelo. Lazo de potencia 80 Tabla 7 Datos para la identificación del modelo. Lazo de temperatura 81 Tabla 8 Datos para la identificación del modelo. Lazo de flujo 82
Tabla 9 Parámetros de sintonía Pl. Lazo de potencia 85 Tabla 10 Parámetros de sintonía Pl. Lazo de temperatura 86 Tabla 11 Parámetros de sintonía Pl. Lazo de flujo 87 Tabla 12 Parámetros de sintonía PID. Lazo de nivel 89 Tabla 13 Parámetros de sintonía MPC. Lazo de potencia 91 Tabla 14 Parámetros de sintonía MPC. Lazo de temperatura 92 Tabla 15 Parámetros de sintonía MPC. Lazo de flujo 93 Tabla 16 Valores de referencia para centrales con tecnología actual 98
Tabla 17 Factores de pérdida. Criterio para la Cogeneración Eficiente 98
Tabla 18 Cálculo de C 02 Equivalente 103
Tabla 19 Comparativa entre Estrategias de Control Implementadas 104
Justificación
El proceso de cambio climático se perfila como el problema ambiental global más relevante de nuestro siglo, en función de sus impactos previsibles sobre los recursos hídricos, los ecosistemas, la biodiversidad, los procesos productivos, la infraestructura, la salud pública y en general sobre los diversos c o m p o n e n t e s que configuran el proceso de desarrollo.
La necesidad y la conveniencia de actuar ahora resulta cada vez más evidente y no debe posponerse una acción que, además de contrarrestar el cambio climático y sus impactos adversos, podría contribuir al logro de múltiples objetivos que confluyen en el desarrollo h u m a n o sustentable, como la seguridad energética y alimentaria, la salud pública, la defensa del capital natural o la utilización racional de nuestros recursos naturales.
El Plan Nacional de Desarrollo (PND) 20072012 incorpora, por primera v e z de manera explícita, el tema del cambio climático. Muchos de los Programas Sectoriales que de él derivan hacen también
referencia clara al t e m a .
El Programa Especial de Cambio Climático (PECC) 20092012, a través de sus 105 objetivos y 294 metas, contribuye al logro del P N D , en respuesta frente al desafío que presenta el cambio climático, tanto en su vertiente de mitigación, que consiste en el control y la reducción de las emisiones, c o m o en la de adaptación, que abate la vulnerabilidad y limita los impactos negativos del cambio
climático. Así, enfrentar el cambio climático implica desarrollar de inmediato actividades de mitigación, o reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), y de adaptación, o reducción de la vulnerabilidad y de los riesgos para la vida, para el orden natural y el desarrollo.
Este Programa recoge algunas actividades que se encuentran en la interfase entre las competencias del Gobierno Federal y las de otros órdenes de gobierno, así c o m o de la iniciativa privada. Previsiblemente, la movilización de estados, municipios y de la sociedad civil, en particular de las instancias empresariales, permitirá ampliar los alcances del PECC. A ello contribuirán también los proyectos de Mecanismo de Desarrollo Limpio del Protocolo de Kioto, así c o m o el desarrollo de un mercado nacional que pueda interactuar, en un futuro p r ó x i m o , con otros mercados de carbono regionales.
En el Plan Nacional de Desarrollo 20072012, se establece el fomento al aprovechamiento de fuentes renovables de energía, y específicamente en el Programa Sectorial de Energía se plantea el incremento en la capacidad de generación a partir de fuentes renovables de 23% en 2006, a 26% en 2012.
Adicionalmente, a partir de la reforma energética y de la publicación de la Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financíamiento de la Transición Energética (LAERFTE), el 28 de noviembre del 2008, se establece por primera vez que la Secretaría de Energía "considerará los beneficios económicos netos potenciales a generarse por el aprovechamiento de las energías renovables" y "elaborará una metodología para valorar las externalidades asociadas con la generación de electricidad, basada en energías renovables".
Para promover el incremento de generación de energía eléctrica a partir de las energías renovables, el PECC plantea el siguiente objetivo:
Objetivo 2.1.9 Fomentar la participación del sector privado en la generación de energía eléctrica con fuentes renovables de energía y en la cogeneración.
La Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financíamiento de la Transición Energética, otorga diversas atribuciones a la Comisión Reguladora de Energía con el objeto de regular el aprovechamiento de fuentes de energía renovables y las tecnologías limpias para generar electricidad con fines distintos a la prestación del servicio público de energía eléctrica.
En su artículo 20 la LAERFTE seńala que las atribuciones de la Comisión Reguladora de Energía, establecidas en el artículo 7 de la misma ley, se aplicarán a los sistemas de cogeneración aunque no utilicen energías renovables, siempre y cuando dichos sistemas cumplan con el criterio de eficiencia establecido por la Comisión Reguladora de Energía.
Con lo que tomando en consideración el objetivo planteado por el Programa Especial de Cambio Climático 20082012 en materia de fomento de la participación del sector privado en la generación de energía eléctrica con fuentes renovables de energía y la cogeneración eficiente, como herramientas para la reducción de emisión de gases de efecto invernadero, todo aquel sistema de cogeneración que cumpla con los criterios de Cogeneración Eficiente, tendrá acceso a los mismos beneficios otorgados a los sistemas de generación con fuentes renovables, sumando así mayores beneficios a la planta productiva que opte por instalar sistemas de cogeneración.
Objetivos
Los objetivos planteados para el presente trabajo de tesis se centran en el desempeńo del sistema de cogeneración propuesto. Es decir, se busca incrementar y / o mejorar los aspectos más importantes del sistema durante el proceso de generación, al buscar que la regulación de la planta sea sobre puntos de operación óptimos, especificados para su diseńo; que permita la generación de energía de forma más limpia y eficiente.
Así, se plantean dos objetivos principales para el presente trabajo de tesis:
• Incrementar la eficiencia de una planta de cogeneración sin afectar su diseńo constructivo, a través de un esquema de control predictivo.
• Y ligado al incremento de eficiencia, se busca tener un mejor desempeńo de la planta de cogeneración, al reducir el consumo de combustible primario usado por ésta, así como optimizar el uso de la energía residual del sistema principal de la planta de cogeneración.
Metodología
Para lograr los objetivos planteados, se llevo a cabo la siguiente metodología para el desarrollo del trabajo de tesis:
• Diseńo propuesto para la planta de cogeneración a evaluar.
• Construcción de un modelo de la planta en el ambiente de simulación AspenHysys.
• Simulación del modelo bajo esquemas de control convencional y control predictivo.
• Cuantificación y análisis del desempeńo de la planta para cada u n o de los esquemas.
Objetivos
Los objetivos planteados para el presente trabajo de tesis se centran en el desempeńo del sistema de cogeneración propuesto. Es decir, se busca incrementar y / o mejorar los aspectos más importantes del sistema durante el proceso de generación, al buscar que la regulación de la planta sea sobre puntos de operación óptimos, especificados para su diseńo; que permita la generación de energía de forma más limpia y eficiente.
Así, se plantean dos objetivos principales para el presente trabajo de tesis:
• Incrementar la eficiencia de una planta de cogeneración sin afectar su diseńo constructivo, a través de un esquema de control predictivo.
• Y ligado al incremento de eficiencia, se busca tener un mejor desempeńo de la planta de cogeneración, al reducir el consumo de combustible primario usado por ésta, así como optimizar el uso de la energía residual del sistema principal de la planta de cogeneración.
Metodología
Para lograr los objetivos planteados, se llevo a cabo la siguiente metodología para el desarrollo del trabajo de tesis:
• Diseńo propuesto para la planta de cogeneración a evaluar.
• Construcción de un modelo de la planta en el ambiente de simulación AspenHysys.
• Simulación del modelo bajo esquemas de control convencional y control predictivo.
• Cuantificación y análisis del desempeńo de la planta para cada u n o de los esquemas.
• Análisis comparativo entre los resultados de cada simulación.
Organización de la Tesis
El trabajo de tesis se encuentra organizado en 7 capítulos. En el capítulo 1, se da una panorámica y perspectiva de la cogeneración dentro del sector eléctrico mexicano. Al abordar aspectos como el marco regulatorio, su potencial y beneficios tanto para el usuario directo como para la nación, así también se revisaran los beneficios y ventajas que los usuarios pueden obtener al utilizar las plantas de cogeneración en su forma de generación distribuida, la cual es el enfoque principal de este trabajo de investigación.
En el capítulo 2, se establece el marco teórico sobre el proceso de cogeneración analizando primeramente los ciclos termodinámicos ideales con los que la planta opera, para después proceder con el análisis de las pérdidas en los componentes de la planta. También se expone a lo largo de este capítulo, los fundamentos teóricos de operación de cada uno de los componentes de la planta de cogeneración.
En el capítulo 3, se exponen los conceptos teóricos básicos de la estrategia de control clásica, así como de la estrategia de control predictivo basado en modelos. Ambos esquemas de control fueron ˇmplementados sobre el modelo de simulación de la planta de cogeneración y evaluados posteriormente.
En el capítulo 4, se presenta el control y operación de la planta de cogeneración, así como se definen los principales lazos de control aplicados a una unidad de cogeneración desarrollada por la compańía SEISA y que se encuentra en operación actualmente, la cual se tomo como guía para la implementación de la estrategia de control en el modelo de simulación.
En el capítulo 5, se presentan las estrategias de control implementadas a la planta de cogeneración propuesta, mostrando el desarrollo del procedimiento que se llevo a cabo para cada una de las estrategias de control.
En el capítulo 6, se expone el experimento diseńado para medir la eficiencia y desempeńo de la planta, así como se muestran los resultados de las simulaciones y un análisis comparativo entre cada uno de los experimentos desarrollados para cada estrategia de control.
1. Introducción
En los últimos ańos se han registrado grandes fluctuaciones en el precio de los energéticos, así como también se ha experimentado un aumento continuo en las tarifas eléctricas. Lo anterior impacta la competitividad de las empresas que hacen un uso intensivo de la energía. El escenario descrito obliga a buscar alternativas confiables para el suministro energético, tales como combustibles alternativos y generación propia de electricidad por parte de las empresas; privilegiando los esquemas de cogeneración y la implementación de medidas de ahorro y uso eficiente de energía. En el presente capítulo se da una panorámica y perspectiva de la cogeneración dentro del sector eléctrico mexicano al abordar aspectos como el marco regulatorio, su potencial y beneficios tanto para el usuario directo como para la nación. Se revisaran los beneficios y ventajas que los usuarios pueden obtener al utilizar las plantas de cogeneración en su forma de generación distribuida, la cual es, el enfoque principal de este trabajo de investigación. El objetivo del capítulo es el crear un marco de referencia sobre la generación en México y la importancia que juega la cogeneración en la transición hacia otras formas de generación de energía más eficientes y limpias.1.1 Definición y conceptos principales de la Cogeneración
Los sistemas inferiores, g e n e r a n la electricidad a partir de la energía t é r m i c a n o utilizada e n los procesos industriales, c o m o los gases calientes de h o r n o s o los gases combustibles. Estos sistemas t i e n e n su principal aplicación e n la industria del c e m e n t o , del acero, del vidrio y e n algunas industrias p e t r o q u í m i c a s y q u í m i c a s .
La eficiencia de la c o n v e r s i ó n d e e n e r g í a primaria a energía útil es s i e m p r e m a y o r c o n la c o g e n e r a c i ó n q u e con los sistemas c o n v e n c i o n a l e s . La c o g e n e r a c i ó n p r o p o r c i o n a e n t r e 20 y 45 por ciento de a h o r r o d e e n e r g í a primaria ú n i c a m e n t e por su eficiencia de c o n v e r s i ó n , a d e m á s de reducir las pérdidas e n t r a n s m i s i ó n y distribución d e e n e r g í a eléctrica, resultado de la fricción y el calor c u a n d o se t r a n s m i t e d e s d e la planta g e n e r a d o r a hasta el c o n s u m i d o r . Esto no s u c e d e con la c o g e n e r a c i ó n , y a q u e la energía eléctrica se g e n e r a e n el sitio q u e se r e q u i e r e .
En la siguiente tabla se m u e s t r a una c o m p a r a t i v a e n t r e las eficiencias típicas de g e n e r a c i ó n e n plantas c o n v e n c i o n a l e s y e n plantas d e c o g e n e r a c i ó n , haciendo uso del m i s m o t i p o d e t e c n o l o g í a .
Tabla 1 Eficiencias típicas comparativas de Generación y Cogeneración
En la siguiente figura se m u e s t r a una c o m p a r a c i ó n del a p r o v e c h a m i e n t o d e la e n e r g í a de los combustibles para g e n e r a r e n e r g í a eléctrica y v a p o r , e n t r e la c o g e n e r a c i ó n y el a r r e g l o c o n v e n c i o n a l s e p a r a d o (planta g e n e r a d o r a d e e n e r g í a eléctrica y calderas). C o m o se p u e d e o b s e r v a r para un análisis de 100 unidades de e n e r g í a eléctrica y 160 unidades de energía t é r m i c a , útiles para la industria; m e d i a n t e la c o g e n e r a c i ó n se o b t i e n e una m a y o r eficiencia y se eliminan las pérdidas de t r a n s m i s i ó n y distribución.
Al e f e c t u a r el diseńo d e u n a planta d e c o g e n e r a c i ó n , se seleccionan los equipos eléctricos y t é r m i c o s más apropiados para satisfacer los r e q u e r i m i e n t o s del p r o c e s o , c o n u n e n f o q u e d e diseńo eléctrico o t é r m i c o .
En el diseńo eléctrico se c o n f i g u r a el sistema para satisfacer los r e q u e r i m i e n t o s eléctricos. En la m a y o r í a de los procesos c o n relaciones térmicas/eléctricas ( R T E ) m a y o r e s a 1.2, n o es posible q u e la c o g e n e r a c i ó n s u m i n i s t r e el v a p o r t o t a l r e q u e r i d o , p o r lo q u e d e b e n c o m p l e m e n t a r s e c o n las calderas existentes.
En el d i s e ń o t é r m i c o , el sistema se configura para satisfacer los r e q u e r i m i e n t o s t é r m i c o s ; e n configuraciones d e t u r b i n a d e g a s , n o r m a l m e n t e existe la posibilidad d e c o n t a r c o n e x c e d e n t e s eléctricos. A l c o n f i g u r a r el s i s t e m a para cubrir la totalidad d e la d e m a n d a t é r m i c a , n o r m a l m e n t e se o b t e n d r á n e x c e d e n t e s eléctricos, los cuales p o d r á n e n t r e g a r s e a establecimientos asociados al p e r m i s o de c o g e n e r a c i ó n o al Sistema Eléctrico Nacional.
La m a x i m i z a c i ó n d e la eficiencia global se logra al configurar el sistema para m i n i m i z a r el uso d e energía primaria, s e g ú n se m u e s t r a e n la siguiente figura.
Figura 2 Alternativas de diseńo para la Cogeneración
1.2 Antecedentes históricos de la Cogeneración
No fue hasta finales de los setentas cuando se renovó el interés por la cogeneración a consecuencia de las alzas en los precios del petróleo, resultado de las crisis energéticas de 1973 y 1979. De esta forma, las industrias encontraron que podían reducir su demanda de energía si construían plantas de cogeneración adaptadas a sus demandas de energía térmica y eléctrica. No obstante, algunas compańías generadoras no aceptaban la compra de energía excedente proveniente de las plantas cogeneradoras, lo cual limitaba su generación de energía eléctrica. Esta situación obligó en 1978 a la creación del PURPA (Public Utility Regulatory Act), con el fin de disminuir las barreras creadas contra la cogeneración, algunas de las cuales quedaron latentes en la década de los ochentas. La creación de esta regulación se presentó como un reconocimiento hacia esta práctica dados los múltiples beneficios en términos de eficiencia energética. A partir de 1980 se presentó un alto crecimiento de la cogeneración en los Estados Unidos. La capacidad instalada creció de menos de 10 G W e a casi 44 G W e en 1993. La mayor parte de esta capacidad fue instalada en la industria del papel, del petróleo y petroquímicas.
En México las reformas realizadas a la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE), en el ańo 1992, abrieron las puertas a la modalidad de cogeneración. En esta época ya existían plantas operando con esquemas de cogeneración con permisos denominados "usos propios continuos" con capacidad de 550 M W operando. Desde entonces la capacidad de cogeneración en el país ha aumentado sólo paulatinamente, pese a los esfuerzos de promoción y difusión realizados por la SENER a través de la CONUEE y otros organismos. En la actualidad la capacidad instalada es de 3,300 M W de acuerdo con los permisos autorizados por la CRE a la fecha. En un primer estudio realizado por la CONUEE en 1995 y complementado en 1997, el potencial teórico de cogeneración se estimó entre 8,369 M W y 15,698 M W en instalaciones y procesos de Pemex, grandes industrias y de los sectores comercial y de servicios, considerados respectivamente. A pesar de que por lo general la cogeneración tiene una alta viabilidad económica, diversos factores han impedido internalizar plenamente sus ventajas. Son varios los obstáculos y limitantes que siguen frenando los proyectos de cogeneración, en demérito de su desarrollo. Ante esta situación, el Gobierno Federal tomó la decisión de llevar a cabo la actualización del estimado del potencial de cogeneración a fin de suministrar insumos que permitan establecer las estrategias para el fomento de la cogeneración en gran escala y a nivel nacional, considerando únicamente las empresas del sector industrial con demandas mayores a 1000 k W y susceptibles de aplicar cogeneración de tipo superior.
1.3 Marco regulatorio e institucional aplicado a la Cogeneración
El marco regulatorio e institucional del sector eléctrico compila todos los ordenamientos jurídicos aplicables a las actividades de generación, conducción, transmisión, transformación, distribución, abastecimiento, importación y exportación de energía eléctrica, así como a los órganos administrativos encargados de su gestión.
1.3.1 M a r c o r e g u l a t o r i o
1.3.1.1 Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos Las disposiciones constitucionales aplicables al sector eléctrico, se encuentran fundamentalmente consignadas en los artículos 25, 27 y 28 de nuestra Carta Magna. De acuerdo con lo dispuesto en el Artículo 25, en sus párrafos primero, segundo y cuarto, "corresponde al Estado la rectoría del desarrollo nacional para garantizar que éste sea integral y sustentable, que fortalezca la Soberanía de la Nación y su régimen democrático y que, mediante el fomento del crecimiento económico y el empleo y una más justa distribución del ingreso y la riqueza, permita el pleno ejercicio de la libertad y la dignidad de los individuos, grupos y clases sociales, cuya seguridad protege esta Constitución". "El Estado planeará, conducirá, coordinará y orientará la actividad económica nacional, y llevará a cabo la regulación y fomento de las actividades que demande el interés general en el marco de libertades que otorga esta Constitución..." Asimismo, establece que el sector público tendrá a su cargo, de manera exclusiva, las áreas estratégicas que se seńalan en el Artículo 28, párrafo cuarto de la Constitución, "...manteniendo siempre el Gobierno Federal la propiedad y el control sobre los organismos que en su caso se establezcan". El Artículo 28, párrafo cuarto, precisa que no constituirán monopolios las funciones que el Estado ejerza de manera exclusiva en las áreas estratégicas que se determinan en dicho artículo, entre las que se encuentra la electricidad. Este precepto también establece que el Estado lleva a cabo estas actividades estratégicas, a través de organismos y empresas que requiera para su eficaz manejo. Conforme a lo establecido en el artículo 27, corresponde exclusivamente a la Nación generar, conducir, transformar, distribuir y abastecer energía eléctrica que tenga por objeto la prestación de servicio público. En esta materia no se otorgarán concesiones a los particulares y la Nación aprovechará los bienes y recursos naturales que se requieran para dichos fines.
1.3.1.2 L e y de Servicio Público de Energía Eléctrica
Con la expedición de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE) en 1975, se establece que la participación de las personas físicas y morales en la generación de energía eléctrica puede realizarse, sujeta a previo permiso otorgado por la Comisión Reguladora de Energía (CRE), oyendo la opinión de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Con el objetivo de incentivar la participación de particulares en la expansión del sistema eléctrico, el Congreso de la Unión ha modificado la LSPEE en diferentes ocasiones para incorporar nuevas modalidades de generación de energía eléctrica que no se consideran servicio público, tal es el caso de la reforma a dicha Ley publicada en el Diario Oficial de la Federación el 23 de diciembre de 1992, en la cual se incorporaron las modalidades de: cogeneración, productor independiente, pequeńa producción y exportación e importación de energía eléctrica. La Secretaría de Energía, Minas e Industria Paraestatal, considerando los criterios y lineamientos de la Política Energética Nacional y oyendo la opinión de la Comisión Federal de Electricidad, otorgará con las condiciones indicadas en la LSPEE y su reglamento permisos de: • Producción independiente, para la generación de energía eléctrica proveniente de una planta con capacidad mayor de 30 M W , destinada exclusivamente a su venta a la Comisión Federal de Electricidad o a la exportación (Art. 108 del Reglamento de la LSPEE).
• Autoabastecimiento, para la utilización de energía eléctrica para fines de autoconsumo, siempre y cuando dicha energía provenga de plantas destinadas a la satisfacción de las necesidades del conjunto de los copropietarios o socios (Art. 101 del Reglamento de la LSPEE). • Cogeneración, para generar energía eléctrica producida conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria o ambos, cuando la energía térmica no aprovechada en los procesos se utilice para la producción directa o indirecta de energía eléctrica o cuando se utilicen combustibles producidos en sus procesos para la generación directa o indirecta de energía eléctrica y siempre que se trate, de cualesquiera de los casos indicados en la Ley. (Art. 36 de la LSPEE; Art. 103 del Reglamento de la LSPEE). La electricidad generada por la cogeneración deberá destinarse a la satisfacción de las necesidades de establecimientos asociados a la misma, siempre que se incrementen las eficiencias energética y económica de todo el proceso y que la primera sea mayor que la obtenida en plantas de generación convencionales. El permisionario puede no ser el operador de los procesos que den lugar a la cogeneración. El solicitante se obligará a poner sus excedentes de producción de energía eléctrica a la disposición de la Comisión Federal de Electricidad (Art. 36Bis de la LSPEE). • Pequeńa producción, para la generación de energía eléctrica destinada a: 1. La venta a la Comisión Federal de Electricidad de la totalidad de la electricidad generada, en cuyo caso los proyectos no podrán tener una capacidad total mayor de 30 M W en un área determinada por la Secretaría; 2. El autoabastecimiento de pequeńas comunidades rurales o áreas aisladas que carezcan del servicio de energía eléctrica, en cuyo caso los proyectos no podrán exceder de 1 M W , y 3. La exportación, dentro del límite máximo de 30 M W (Art. 111 del Reglamento de la LSPEE). • Generación de energía eléctrica destinada a la exportación, para la generación de energía eléctrica para destinarse a la exportación, a través de proyectos de cogeneración, producción independiente y pequeńa producción (Art. 116 del Reglamento de la LSPEE). • Utilización de energía eléctrica de importación, para adquirir energía eléctrica proveniente de plantas generadoras establecidas en el extranjero mediante actos jurídicos celebrados directamente entre el abastecedor de la electricidad y el consumidor de la misma (Art. 120 del Reglamento de la LSPEE).
1.3.1.3 Reglamento de la L e y de Servicio Público de Energía Eléctrica
• Se establece la posibilidad de venta de energía eléctrica al SEN (Art. 72) y se prohibe vender o revender energía eléctrica a terceros (Art. 90).
• Se indica que la entrega de energía eléctrica al SEN, con un máximo de 20 M W , se sujetará a las reglas de despacho (Arts. 135 y 147 al 152). • Se establece que CFE proporcionarán capacidad de respaldo. 1.3.1.4 Instrumentos regulatorios Para realizar las actividades mencionadas, los particulares requieren de un permiso salvo en los casos siguientes: • La generación destinada al uso en emergencias derivadas de interrupciones en el servicio público, y
• Metodología para la Determinación de los Cargos por Servicios Conexos, La conexión a la red por parte de los permisionarios implica que éstos reciban diferentes servicios por parte del suministrador (como regulación de frecuencia y voltaje, entre otros). Con objeto de retribuir por estos servicios, la metodología establece el procedimiento para determinar la contraprestación correspondiente, la cual está basada en el cargo autorizado para la demanda reservada en el caso del respaldo para falla. • Convenio de Servicio de Transmisión, establece las bases, procedimientos, términos y condiciones para que el suministrador transporte la electricidad desde la fuente de energía eléctrica del permisionario hasta su centro de consumo. Estos convenios contienen anexos con la finalidad de establecer los procedimientos y parámetros de cálculo para determinar los pagos que deberá realizar el permisionario al suministrador. • Metodología para la Determinación del Costo Total de Corto Plazo (CTCP), esta metodología debe utilizarse para el pago por la energía excedente que los permisionarios entregan a los suministradores. El CTCP se constituye por la suma de los costos variables de generación y los costos variables de transmisión.
1.3.2 M a r c o i n s t i t u c i o n a l
Los actores encargados de la gestión y regulación del sector eléctrico en México son los siguientes.
1.3.2.1 C o m i s i ó n R e g u l a d o r a de E n e r g í a
• Aprobar los criterios y las bases para determinar el monto de las aportaciones de los gobiernos de las entidades federativas, ayuntamientos y beneficiarios del servicio público de energía eléctrica, para la realización de obras específicas, ampliaciones o modificaciones de las existentes, solicitadas por aquellos para el suministro de energía eléctrica.
• Verificar que en la prestación del servicio público de energía eléctrica, se adquiera aquélla que resulte de m e n o r costo y ofrezca además, óptima estabilidad, calidad y seguridad para el Sistema Eléctrico Nacional. • Aprobar las metodologías para el cálculo de las contraprestaciones por la adquisición de energía eléctrica que se destine al servicio público. • Aprobar las metodologías para el cálculo de las contraprestaciones por los servicios de conducción, transformación y entrega de energía eléctrica. • Otorgar y revocar los permisos y autorizaciones que, conforme a las disposiciones legales aplicables, se requieren para la realización de las actividades reguladas. • Aprobar y expedir modelos de convenios y contratos de adhesión para la realización de las actividades reguladas, y • Expedir y vigilar el cumplimiento de las disposiciones administrativas de carácter general, aplicables a las personas que realicen actividades reguladas. Cabe mencionar que el 28 de noviembre de 2008 se publicó en el Diario Oficial de la Federación, la Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financíamiento de la Transición Energética (LAERFTE), donde se le confieren a la CRE atribuciones con la finalidad de regular la generación de electricidad a partir de fuentes de energía renovable, así como de sistemas de cogeneración. De igual forma, en el Reglamento de la LAERFTE (publicado el 2 de septiembre de 2009 en el DOF), se menciona que la cogeneración eficiente es la generación de energía eléctrica, conforme a lo establecido en la fracción II del artículo 36 de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica, siempre que el proceso tenga una eficiencia superior a la mínima que establezca la CRE.
1.3.2.2 C o m i s i ó n Nacional p a r a el Uso Eficiente de la E n e r g í a
La Secretaría de Energía, a través de la CONUEE, expide las Normas Oficiales Mexicanas de eficiencia energética, las cuales son elaboradas por el Comité Consultivo Nacional de Normalización para la Preservación y Uso Racional de los Recursos Energéticos (CCNNPURRE), en colaboración y con el consenso de los sectores público, privado, social, y de investigación y desarrollo tecnológico.
1.3.2.3 C o m i s i ó n F e d e r a l de Electricidad
Para dar respuesta a situaciones que no permitían el desarrollo económico del país, el Gobierno Federal decidió crear, el 14 de agosto de 1937, la Comisión Federal de Electricidad, que en una primera etapa se dio a la tarea de construir plantas generadoras para satisfacer la demanda, sobre todo con alumbrado público y para casas habitación. La CFE tiene como misión: • Asegurar, dentro de un marco de competencia y actualizado tecnológicamente, el servicio de energía eléctrica, en condiciones de cantidad, calidad y precio, con la adecuada diversificación de fuentes de energía. • Optimizar la utilización de su infraestructura física, comercial y de recursos humanos. • Proporcionar una atención de excelencia a sus clientes. • Proteger el medio ambiente, promover el desarrollo social y respetar los valores de las poblaciones donde se ubican las obras de electrificación. Al finalizar diciembre del ańo 2007, la CFE contaba con una capacidad instalada para servicio público de 49,855 M W ; una red de transmisión en alta tensión de 48,566 Km.; 184,362 M V A en transformación y
una red de distribución de 664,224 Km.
1.4 Perspectiva de la Cogeneración
1.4.1 C o n s u m o d e c o m b u s t i b l e s p a r a l a g e n e r a c i ó n d e e l e c t r i c i d a d
Para el cálculo d e los r e q u e r i m i e n t o s d e c o m b u s t i b l e s para g e n e r a c i ó n d e e l e c t r i c i d a d e n el s e r v i c i o p ú b l i c o , se c o n s i d e r a la e f i c i e n c i a t é r m i c a d e las plantas, los p r e c i o s d e los c o m b u s t i b l e s , los v a l o r e s m í n i m o s o p e r a t i v o s , así c o m o la n o r m a t i v i d a d a m b i e n t a l aplicable, e n t r e o t r o s f a c t o r e s . La canasta de t e c n o l o g í a s c o n s i d e r a d a s e n el P r o g r a m a de R e q u e r i m i e n t o s d e C a p a c i d a d 20092024 ( P R C ) , d e f i n e el t i p o y c a n t i d a d d e c o m b u s t i b l e s r e q u e r i d o s . D e a c u e r d o c o n u n a e s t r a t e g i a d e d i v e r s i f i c a c i ó n d e f u e n t e s d e e n e r g í a , p a r a el p r o g r a m a d e e x p a n s i ó n 20092024 se ha c o n s i d e r a d o la posibilidad d e asignar la c a p a c i d a d libre a d i v e r s a s f u e n t e s d e e n e r g í a , tales c o m o r e n o v a b l e s , c a r b ó n , r e s i d u a l e s d e r e f i n a c i ó n , u r a n i o , y e n a l g u n o s c a s o s , i m p o r t a c i ó n d e e n e r g í a e l é c t r i c a .
Se e s t i m a q u e e n t r e 2009 y 2024 la p a r t i c i p a c i ó n del gas n a t u r a l e n la m e z c l a d e c o m b u s t i b l e s fósiles para g e n e r a c i ó n e l é c t r i c a e n M é x i c o a u m e n t e d e 58.6% a 66.4%, m i e n t r a s q u e el c a r b ó n t e n d r í a el m a y o r i n c r e m e n t o e n s u p a r t i c i p a c i ó n al pasar d e 17.9% a 27.0%. La utilización del c o m b u s t ó l e o se r e d u c i r á d e casi 23% e n el t o t a l d e c o m b u s t i b l e s fósiles e n 2008 a 5.6% e n 2024.
Figura 3 • Participación por combustible fósil en la Canasta de generación
A lo largo del h o r i z o n t e de planeación, la p r o y e c c i ó n del uso d e combustibles fósiles e n el p a r q u e de g e n e r a c i ó n indica una i m p o r t a n t e disminución en los v o l ú m e n e s del c o m b u s t ó l e o r e q u e r i d o , e s t o es, una baja de 8.1% e n p r o m e d i o anual. Por el contrario, el c a r b ó n y el Gas N a t u r a l registrarán los m a y o r e s i n c r e m e n t o s p r o m e d i o anuales c o n 5.5% y 5.3%, r e s p e c t i v a m e n t e . Estas t e n d e n c i a s estarán impulsadas por los cambios q u e se e x p e r i m e n t a r á n e n la g e n e r a c i ó n t e r m o e l é c t r i c a al recurrir cada v e z m e n o s a centrales c o n v e n c i o n a l e s q u e usan c o m b u s t ó l e o y orientar la g e n e r a c i ó n de electricidad hacia procesos más eficientes y c o n m e n o r i m p a c t o a m b i e n t a l , c o m o las centrales de ciclo c o m b i n a d o .
1.4.2 P o t e n c i a l d e C o g e n e r a c i ó n e n M é x i c o
El e s t i m a d o d e l p o t e n c i a l d e c o g e n e r a c i ó n e n M é x i c o ha sido r e a l i z a d o p o r C O N U E E e n v a r i a s o c a s i o n e s , s i e n d o el ú l t i m o el d e l a ń o d e 1997. E n e s t e c o n t e x t o , C O N U E E j u n t o c o n la C R E , s o l i c i t a r o n la e l a b o r a c i ó n u n e s t u d i o s o b r e la c o g e n e r a c i ó n e n el s e c t o r i n d u s t r i a l e n M é x i c o , el cual t i e n e c o m o o b j e t i v o p r i n c i p a l :
• Establecer acciones, d e n t r o d e las estrategias y líneas de acción del P r o g r a m a Sectorial d e Energía 20072012, para lograr e n el c o r t o plazo el desarrollo e f e c t i v o d e la c o g e n e r a c i ó n e n M é x i c o .
El estudio e f e c t ú a u n e s t i m a d o del potencial de c o g e n e r a c i ó n e n M é x i c o , c o n s i d e r a n d o los sectores industriales con d e m a n d a s m a y o r e s a 1,000 k W y factores de carga m a y o r e s a un 50%, así c o m o el caso particular d e los ingenios a z u c a r e r o s y P E M E X . Se e f e c t u a r o n análisis del potencial t e ó r i c o , el potencial t é c n i c a m e n t e factible y el e c o n ó m i c a m e n t e factible, con y sin e x c e d e n t e s al Sistema Eléctrico Nacional.
El estudio estima q u e el potencial nacional m á x i m o de c o g e n e r a c i ó n , e c o n ó m i c a m e n t e factible con e x c e d e n t e s al Sistema Eléctrico Nacional, es de 10,164 M W . El estudio establece t a m b i é n q u e no es posible desarrollar t o d o el potencial de c o g e n e r a c i ó n identificado, e n el c o r t o y m e d i a n o plazo. De esta m a n e r a , para e s t i m a r los beneficios d e r i v a d o s del desarrollo d e la c o g e n e r a c i ó n , plantea c u a t r o escenarios s e g ú n su nivel de d e s a r r o l l o .
Estos escenarios c o n s i d e r a n la e l i m i n a c i ó n progresiva de ciertas barreras existentes e n el m a r c o legal y regulatorio, así c o m o e n los aspectos restrictivos del s u m i n i s t r o de combustibles. P r o p o n e n t a m b i é n una serie d e i n s t r u m e n t o s d e p r o m o c i ó n e incentivos, t a n t o ambientales c o m o e c o n ó m i c o s , fiscales y culturales, para su f o m e n t o . De este m o d o , se e s t i m ó que el potencial nacional d e c o g e n e r a c i ó n q u e podría desarrollarse e n M é x i c o , varía desde un m í n i m o de 849 M W a u n m á x i m o de 8,457 M W para los sectores estudiados.
La visión para el a ń o 2030 es q u e el sector e n e r g é t i c o m e x i c a n o o p e r e con políticas públicas y u n m a r c o fiscal, laboral y r e g u l a t o r i o q u e p e r m i t a contar con una oferta diversificada, suficiente, c o n t i n u a , de alta calidad y a precios c o m p e t i t i v o s ; m a x i m i z a r la renta e n e r g é t i c a ; asegurar, al m i s m o t i e m p o , un desarrollo sostenible e n t é r m i n o s e c o n ó m i c o s , sociales y ambientales y lograr q u e el s e c t o r a p r o v e c h e las tecnologías disponibles y desarrolle sus propios recursos tecnológicos y h u m a n o s .
La siguiente tabla m u e s t r a el potencial de c o g e n e r a c i ó n , para cada u n o d e los escenarios y sectores incluidos e n el estudio.
Tabla 2 Potencial de Cogeneración por Sector Industrial
• Escenario Bajo: Al igual que en el escenario anterior, se asume que PEMEX desarrollaría sus proyectos para satisfacer requerimientos internos, sin excedentes al SEN. Los Ingenios no desarrollarían su potencial, y el desarrollo en la industria se haría sin excedentes, pero explotando un 25% del su potencial máximo. • Escenario Medio: En este escenario se estima un desarrollo en la industria de un 60% de su potencial máximo, mientras que los ingenios desarrollarían un 30% de su potencial. Por otro lado, se asume que PEMEX desarrollaría su potencial planeado de 3,100 M W .
• Escenario Máximo: Por último, este escenario asume que el desarrollo en la industria sería de 80% de su potencial máximo y los ingenios y PEMEX desarrollarían su potencial en 50% y 3,100 M W , respectivamente.
1.5 Beneficios de la Cogeneración
El desarrollo de la cogeneración permitiría utilizar menos combustibles para obtener la misma energía en forma de calor y electricidad, con importantes beneficios adicionales, tanto ambientales como económicos. En el caso particular de México, los principales beneficios por el desarrollo de la cogeneración son: • Ahorro de energía primaria de combustibles nacionales. • Reducción en la importación de combustibles. • Disminución de las emisiones de C02 a la atmósfera. • Nuevas inversiones, desarrollo regional y creación de empleos. • Liberación de capacidad de la red y de las subestaciones eléctricas en el SEN. • Reducción de pérdidas de transmisión, transformación y distribución en el SEN.
1.5.1 Ahorro de energía primaria y reducción de emisiones de GEI
La Secretaría de Energía estima que las importaciones de gas natural crecerán 92.6% de 2006 a 2016, registrando un volumen de 1,962 mmPCD, de los cuales 1,500 mmPCD provendrán de contratos de GNL. El cálculo de ahorro de gas natural como consecuencia de implementar proyectos de cogeneración en el escenario máximo, significaría una reducción de importación de este energético de 556 mmPCD para la industria y una sustitución de gas natural en PEMEX de 890 mmPCD. Esto daría un total de 1,446 mmPCD, lo que significaría un 74% de las importaciones proyectadas.
El cálculo realizado arroja adicionalmente un ahorro de 593 miles de m3 de combustóleo por ańo en el sector azucarero.
Con las estimaciones anteriores y considerando las relaciones de emisión de C 02 por tipo de
combustible, se estimó que con el desarrollo de la cogeneración bajo el escenario planteado, se tendrá una reducción de emisiones equivalente a 11,992 miles de toneladas de C 02 anuales.
1.5.2 Beneficios para el Sistema Eléctrico Nacional
El desarrollo de la Cogeneración en el escenario medio, evitará instalar capacidad de nuevas plantas de generación en el SEN por 5,872 M W . Esto permitirá mayor margen de planeación del sector eléctrico. Adicionalmente esta reducción de capacidad producirá un ahorro de generación en el SEN de 38,629 G W h por ańo.
La cogeneración además de ahorrar energía primaria reduce las pérdidas en transmisión y distribución porque las plantas de cogeneración quedan localizadas en los centros de consumo. En la generación eléctrica convencional, las plantas se localizan lejos de los centros de consumo con las consecuentes pérdidas de transmisión y distribución.
La Secretaría de Energía en su publicación de indicadores del Sector Eléctrico Nacional y con datos integrados de CFE a marzo de 2008, indica que se tienen pérdidas de transmisión y distribución del 18.2%. Con este indicador y con la reducción de energía que se dejaría de transmitir por el SEN se calcula para el escenario medio, un ahorro adicional del SEN de 4,743 G W h por ańo.
1.5.3 Beneficios asociados a la generación distribuida
La experiencia internacional ha demostrado que al contar con generación distribuida, como es el caso de los proyectos de cogeneración se obtiene:
• Una mejora en la capacidad para mantener operando en sincronismo las unidades generadoras, inmediatamente después de una contingencia crítica de generación o transmisión, por lo que estos proyectos facilitarían el apoyo durante emergencias e incrementarían la confiabilidad de la operación.
• Se mejora la posibilidad de mantener el voltaje y la frecuencia dentro de los rangos aceptables, con el correspondiente aseguramiento de la calidad del servicio.
• Igual, o mejor, confiabilidad por la reducción del riesgo esperado en el suministro de la energía, imposible de ofrecer si existen posibles fallas de los elementos del sistema.
1.5.4 Beneficios asociados a nuevas inversiones y creación de empleo
La inversión que ocurriría en el escenario medio de desarrollo de la cogeneración ascendería a unos 11,256 millones de dólares.
De esta inversión se tendrá una inversión extranjera directa cercana a los 7,000 millones de dólares, una derrama en materiales, construcción e ingeniería nacional cercana a los 4,000 millones de dólares y la creación de empleos con un estimado de cerca de 12,000 plazas en ingeniería nacional y de 100,000 plazas en la construcción.
1.5.5 Beneficios para las empresas que operen con sistemas de cogeneración
Adicionalmente, existen beneficios tangibles para las empresas que operen con sistemas de cogeneración, tales como:
• Mayor eficiencia y confiabilidad de la energía utilizada en sus procesos. • Disminución de la factura energética (electricidad y combustible). • Mejor calidad de la energía utilizada.
• Incremento de competitividad por reducción de costos de producción.
1.6 Sistema de Cogeneración propuesto
2. Introducción
L o s d i s p o s i t i v o s o s i s t e m a s u s a d o s p a r a g e n e r a r p o t e n c i a n e t a , y a s e a p o t e n c i a t é r m i c a o e l é c t r i c a , s o n c o m ú n m e n t e l l a m a d o s m á q u i n a s t é r m i c a s . E s t o s s i s t e m a s o p e r a n e n c i c l o s t e r m o d i n á m i c o s c o n o c i d o s c o m o c i c l o s d e p o t e n c i a , l o s c u a l e s p u e d e n s e r c a t e g o r i z a d o s e n c i c l o s d e g a s y c i c l o s d e v a p o r ; d e p e n d i e n d o d e la f a s e d e l f l u i d o d e t r a b a j o . E n e l c i c l o d e g a s , e l f l u i d o d e t r a b a j o p e r m a n e c e e n s u f a s e g a s e o s a d u r a n t e t o d o e l c i c l o ; m i e n t r a s q u e e n e l c i c l o d e v a p o r , e l f l u i d o d e t r a b a j o s e e n c u e n t r a e n s u f a s e d e v a p o r d u r a n t e u n a p a r t e d e l c i c l o y e n f a s e l í q u i d a d u r a n t e la o t r a p a r t e .
U n s i s t e m a d e c o g e n e r a c i ó n , e s c u a l q u i e r s i s t e m a q u e c o m b i n a d o s c i c l o s d e g e n e r a c i ó n d e p o t e n c i a , q u e u s a n f l u i d o s d e t r a b a j o q u e o p e r a n a d i f e r e n t e s t e m p e r a t u r a s . L a s p l a n t a s d e c o g e n e r a c i ó n c o n s i s t e n d e u n n ú m e r o d e c o m p o n e n t e s ( m á q u i n a t é r m i c a , g e n e r a d o r y r e c u p e r a d o r d e c a l o r ) , i n t e g r a d o s c o m o u n a s o l a u n i d a d . E l t i p o d e e q u i p o q u e i m p u l s a e l s i s t e m a e n g e n e r a l , e s e l q u e i d e n t i f i c a a la p l a n t a d e c o g e n e r a c i ó n . E s t o s e q u i p o s i n c l u y e n m o t o r e s r e c i p r o c a n t e s , t u r b i n a s d e g a s , t u r b i n a s d e v a p o r , m i c r o t u r b i n a s y c e l d a s d e c o m b u s t i b l e .
C u a n d o d o s c i c l o s t e r m o d i n á m i c o s s o n c o m b i n a d o s e n u n a s o l a p l a n t a la e f i c i e n c i a q u e s e p u e d e l o g r a r es m a y o r q u e la q u e s e t i e n e c o n u n ú n i c o c i c l o . N o r m a l m e n t e , c u a n d o d o s c i c l o s t e r m o d i n á m i c o s s o n c o m b i n a d o s e l c i c l o q u e o p e r a a m á s a l t a t e m p e r a t u r a e s l l a m a d o c i c l o s u p e r i o r . E l c a l o r d e d e s p e r d i c i o q u e é s t e p r o d u c e , e s e n t o n c e s u s a d o e n u n s e g u n d o p r o c e s o q u e o p e r a a m e n o r t e m p e r a t u r a y e s p o r e s t o q u e s e l e l l a m a c i c l o i n f e r i o r .
C o n e l f i n d e d e f i n i r e l p r o c e s o d e g e n e r a c i ó n d e la p l a n t a , s e h a c e útil r e v i s a r p r i m e r a m e n t e los c i c l o s t e r m o d i n á m i c o s i d e a l e s c o n l o s q u e la p l a n t a o p e r a . Y a q u e e n é s t o s s e a s u m e p e r f e c c i ó n e n l o s c o m p o n e n t e s ; p e r m i t i e n d o e s t u d i a r los e f e c t o s d e los p r i n c i p a l e s p a r á m e t r o s q u e g o b i e r n a n al c i c l o , s i n d e t e n e r s e e n los d e t a l l e s .
U n a v e z e s t a b l e c i d a la o p e r a c i ó n d e l o s c i c l o s t e r m o d i n á m i c o s i n v o l u c r a d o s e n e l p r o c e s o d e g e n e r a c i ó n , s e p r o c e d e r á al a n á l i s i s d e las p é r d i d a s e n los c o m p o n e n t e s d e la p l a n t a . L o c u a l n o s d a r á u n a c e r c a m i e n t o a l d e s e m p e ń o d e l c i c l o r e a l . P a r a d e s p u é s r e v i s a r l o s c o n c e p t o s d e l o s s i s t e m a s d e c i c l o c o m b i n a d o , q u e n o s p e r m i t a n a n a l i z a r e l d e s e m p e ń o d e la p l a n t a c o n a m b o s c i c l o s a c o p l a d o s .
T a m b i é n s e a n a l i z a a l o l a r g o d e l c a p í t u l o , la o p e r a c i ó n d e la p l a n t a d e c o g e n e r a c i ó n . P a r a h a c e r m á s s e n c i l l a s u c o m p r e n s i ó n , s e d e s c r i b e d e f o r m a s e p a r a d a c a d a u n o d e l o s c o m p o n e n t e s , c o m e n z a n d o p r i m e r a m e n t e p o r los f u n d a m e n t o s t e ó r i c o s , s e g u i d o d e la d e f i n i c i ó n d e los p u n t o s b á s i c o s d e c a d a u n o d e l o s c o m p o n e n t e s . A s í , p a r a la t u r b i n a d e g a s s e a n a l i z a n la o p e r a c i ó n d e l c o m p r e s o r , la c á m a r a d e c o m b u s t i ó n y e l e x p a n s o r . M i e n t r a s q u e p a r a e l r e c u p e r a d o r d e c a l o r , s e a n a l i z a n l o s i n t e r c a m b i a d o r e s d e c a l o r ( S o b r e c a l e n t a d o r y E c o n o m i z a d o r ) , y e l g e n e r a d o r d e v a p o r o e v a p o r a d o r .
![Figura 44 Comparativa entre el modelo y la respuesta de la planta [lazo de flujo]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4440259.34953/15.612.84.528.70.305/figura-comparativa-entre-modelo-respuesta-planta-lazo-flujo.webp)
