Congreso Internacional sobre Desarrollo, Medio Ambiente y Recursos Naturales 11-13 Julio 2007, Cochabamba, Bolivia Actas del Congreso (Editor: J. Feyen et al.), Vol. III, pp. 1832-1839
Poligeneración: hacia una utilización sostenible de los recursos naturales L. Serra, J. Ramos, M. Lozano y A. Ensinas GITSE – I3A, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Zaragoza c/ María de Luna, 3 50018 – Zaragoza (España)
[email protected] Palabras clave: Poligeneración, cogeneración, trigeneración, ahorro de energía
Resumen En los últimos años se han registrado aumentos importantes del consumo de recursos naturales no renovables a causa del crecimiento demográfico y del desarrollo económico. La poligeneración busca el máximo aprovechamiento de los recursos consumidos en una planta mediante la producción eficiente de varios productos y utilizando técnicas de integración energética de procesos. En este artículo se discuten los conceptos de poligeneración e integración energética y se aplican a dos casos: i) planta de energía en la producción industrial de azúcar y electricidad a partir de caña, y ii) producción de electricidad, calor y frío para distritos urbanos a partir de gas natural.
1. Introducción En la Asamblea General de Naciones Unidas celebrada en el año 2000 se aprobó la Declaración del Milenio [1], fijándose una serie de objetivos para el año 2015, entre los que se encuentra la reducción de la pobreza mundial a la mitad. Durante los últimos años, debido al crecimiento demográfico y al desarrollo económico a nivel mundial se ha registrado un aumento importante de: i) el consumo de recursos naturales no renovables; ii) las demandas de minerales, agua y servicios energéticos; iii) la contaminación del medio ambiente; y paradójicamente iv) la pobreza en numerosos países subdesarrollados como fruto de las crecientes desigualdades. La Energía es una solución y a la vez representa un problema para el desarrollo sostenible, ya que siendo necesaria para todo y constituyendo el último recurso, capaz de sustituir a cualquier otro, su utilización actual constituye la principal fuente de contaminación del medio ambiente. Las estadísticas señalan a las industrias, medios de transporte y edificios como los grandes consumidores de recursos energéticos. Las tecnologías de poligeneración, ampliamente desarrolladas en la industria química [2] y energética [3] y que empiezan a emplearse en los edificios, aportan: i) máximo aprovechamiento de la energía consumida, ii) reducción del coste unitario de los productos manufacturados; y iii) disminución del impacto ambiental.
En este trabajo se emplean los conceptos de poligeneración e integración energética para determinar la configuración óptima de equipos de la planta de suministro de energía para: 1) una fábrica de azúcar; y 2) una central energética para calefacción y refrigeración de un distrito urbano.
Recurso 1
Producto 1
Recurso 2
SISTEMA DE POLIGENERACIÓN
RECURSOS NATURALES Recurso “m”
Producto 2
SERVICIOS ENERGÉTICOS & PRODUCTOS
Producto “n”
Agua de mar Caña de azúcar Maíz Girasol Gas natural Petróleo Carbón Leña Biomasa Etc.
Electricidad Agua caliente Vapor de agua Agua potable Azúcar Biodiesel Biogás Gas de síntesis H2, CO2 ,etc. Etc.
Residuos
a) Poligeneración: proceso de transformación multi-recurso y multi-producto Electricidad (W)
MOTOR TÉRMICO
Fuel (F)
Electricidad (W)
MOTOR TÉRMICO
Fuel (F)
RECUPERADOR DE CALOR
RECUPERADOR DE CALOR
Calor (QC)
Calor (QC) ENFRIADORA DE ABSORCIÓN
b)
Sistema de cogeneración
c)
Electricidad Fuel
Frío (QF)
Sistema de trigeneración
Electricidad
PLANTA DE COGENERACIÓN Calor
Caña de Azúcar
PROCESO FABRICACIÓN AZÚCAR
Bagazo
PLANTA DE COGENERACIÓN
Electricidad
Vapor
Agua Salada
PROCESO DESALACIÓN
Agua Potable
Azúcar Melaza
d) Sistema de producción de energía y agua
e) Sistema de producción de energía y azúcar
Fig. 1: Sistemas de poligeneración
2. Poligeneración e integración energética de procesos La poligeneración se define como la producción conjunta de dos o más servicios energéticos y/o productos manufacturados, realizada de forma simultanea y buscando aprovechar al máximo el potencial termodinámico de los recursos consumidos. La Fig. 1a muestra una representación genérica de los sistemas de poligeneración que se caracterizan por ser siempre multiproducto, a veces multirecurso y por evitar en lo posible la formación de residuos inútiles o inconvenientes. Algunos ejemplos son: i) los sistemas de cogeneración (Fig. 1b); ii) los sistemas de trigeneración (Fig. 1c); iii) las plantas de desalación (Fig. 1d); y iv) los ingenios azucareros (Fig. 1e). La integración energética de procesos es una metodología orientada al diseño y mejora de los sistemas de producción, efectuando el análisis termodinámico y económico desde los procesos individuales hasta la planta completa, y enfatizando el uso eficiente de los recursos consumidos. Sus fundamentos cabe buscarlos en el análisis exergético [4], el método “pinch” [5] y las técnicas de optimización para síntesis de procesos capaces de manejar variables discretas [6].
3. Ejemplos de aplicación Las aplicaciones potenciales de la poligeneración se extienden a diferentes industrias y procesos productivos, habiendo alcanzado algunas de ellas, como la cogeneración, una gran difusión y la madurez tecnológica. En este trabajo presentamos dos estudios de poligeneración aplicados al sector agroindustrial y al sector residencial. Caso 1: Producción integrada de azúcar, melaza y electricidad En este caso se estudiaron diferentes configuraciones de equipos de una planta de cogeneración de una industria azucarera con el objetivo de evaluar la producción de excedentes de electricidad que podrían venderse en el mercado eléctrico [7, 8]. La industria azucarera de este estudio se localiza en el Estado de Sao Paulo (Brasil). El esquema de la Fig. 2a muestra las diferentes etapas del proceso de producción del azúcar. La planta azucarera en estudio opera 185 días/año, tritura caña a razón de 22000 t/día, lo que significa que procesa 4.070.000 t/año; consumiendo vapor saturado (a 2,1 bar) a razón de 335 kg/t caña. El bagazo húmedo que se obtiene del proceso de molienda como subproducto se estima en 228 kg/t caña. Se estudiaron varias opciones de configuración. En las Tablas 1 y 2 se muestran los valores de los parámetros considerados para todas las configuraciones analizadas. En todos los casos se asumió que las máquinas de extracción de jugo se accionan con motores eléctricos en lugar de accionamiento directo con turbinas de vapor. A continuación se describen tres de ellas, indicadas en la Fig. 2 como #1 (Fig. 2b), #2 (Fig. 2c) y #3 (Fig. 2d).
Caña de Azúcar
Electricidad a procesos
Electricidad a procesos
Caldera
Bagazo
Bagazo Molienda
Flujos de revaporizado
Bagazo excedente
Electricidad excedente
Vapor a procesos
PLANTA DE COGENERACIÓN
Clarificación
PROCESOS
Vapor a procesos
Evaporación
Desgasificador
Zona de PROCESOS
Tratamiento
Electricidad excedente
Turbina de vapor
b) Configuración #1: ciclo de vapor a contrapresión Bagazo
Cocción Cristalización Centrifugación
Electricidad a procesos
Caldera
Electricidad excedente
Turbina de vapor (TAP)
Secado
Vapor a procesos
Turbina de vapor (TBP)
PROCESOS
Azúcar
Melaza
Condensador
Desgasificador
a)
Esquema de producción integrada de electricidad, azúcar y melaza
c) Configuración #2: ciclo a contrapresión condensación Electricidad a procesos
Gasificador de biomasa
Bagazo
Bagazo externo
Electricidad excedente
Turbina de Gas
Vapor AP Sobrecalentador
