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8.5: Usos de energía

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    Híbridos eléctricos y enchufables

    Desde principios del siglo XX, el petróleo y el motor de combustión interna han dominado el transporte. Las fortunas del petróleo y los vehículos se han entrelazado, con las carreras petroleras para satisfacer las demandas energéticas de la creciente potencia y número de vehículos personales, vehículos que conducen más lejos en respuesta a las crecientes oportunidades de carreteras interestatales para viajes personales de larga distancia y envío de carga, y mayores movilidad personal que produce patrones de vida en suburbios lejanos que requieren petróleo y automóviles para funcionar. En años recientes y futuros, el mayor crecimiento del transporte será en países en desarrollo donde la necesidad y el mercado del transporte está creciendo rápidamente. China tiene una clase media emergente que es más grande que toda la población de Estados Unidos, señal de que los países en desarrollo pronto dirigirán o influirán fuertemente en el surgimiento de nuevas tecnologías diseñadas para atender sus necesidades. Más allá de desplegar nuevas tecnologías, los países en desarrollo tienen una segunda ventaja potencialmente grande: no necesitan seguir el mismo camino de desarrollo a través de tecnologías intermedias obsoletas tomadas por el mundo desarrollado. Saltar directamente a las tecnologías más avanzadas evita las infraestructuras heredadas y los largos tiempos de rotación, permitiendo la innovación y el despliegue a una escala acelerada.

    El motor de combustión interna y los vehículos que alimenta han logrado enormes avances de ingeniería en el último medio siglo, aumentando la eficiencia, durabilidad, comodidad y agregando características estándar como aire acondicionado, control de crucero, uso de teléfonos celulares manos libres y sistemas de posicionamiento global. Simultáneamente, la industria automotriz se ha vuelto global, aumentando drásticamente la competencia, la elección del consumidor y el alcance de marketing. La tendencia más reciente en el transporte son las oscilaciones dramáticas en el precio del petróleo, el alma de los vehículos tradicionales propulsados con motores de combustión interna.

    El hidrógeno como combustible alternativo

    La sinergia tradicional del petróleo con los automóviles ahora puede estar mostrando signos de tensión. La dependencia de los vehículos en un solo combustible cuyo precio muestra fuertes fluctuaciones y cuyo rumbo futuro es en última instancia insostenible presenta desafíos comerciales a largo plazo. Motivada por estas preocupaciones de negocios y sustentabilidad, la industria automotriz comienza a diversificarse hacia otros combustibles. El hidrógeno hizo su debut a principios de la década de 2000, y demostró que tiene el potencial de alimentar vehículos usando celdas de combustible para producir electricidad a bordo para motores eléctricos (Eberle y von Helmholt, 2010, Crabtree, Dresselhaus, & Buchanan, 2004). Una ventaja del hidrógeno es la eficiencia, hasta 50 por ciento o más para las pilas de combustible, hasta 90 por ciento o más para los motores eléctricos que alimentan el automóvil, en comparación con la eficiencia del 25 por ciento para un motor de combustión interna. Una segunda ventaja es la reducción de la dependencia del petróleo extranjero: el hidrógeno puede producirse a partir del gas natural o de recursos totalmente renovables como la descomposición solar del agua. Una tercera ventaja potencial del hidrógeno es la ambiental: las emisiones del automóvil de hidrógeno son inofensivas: agua y una pequeña cantidad de calor, aunque las emisiones de la cadena de producción de hidrógeno pueden compensar significativamente esta ventaja.

    La visión de los autos de hidrógeno propulsados por pilas de combustible sigue siendo fuerte. Debe superar desafíos significativos, sin embargo, antes de volverse práctico, como almacenar hidrógeno a bordo de vehículos a altas densidades, encontrar catalizadores baratos y abundantes en la tierra para promover la reducción de oxígeno a agua en las celdas de combustible, y producir suficiente hidrógeno a partir de fuentes renovables como la solar división de agua impulsada para alimentar la industria automotriz (Crabtree & Dresselhaus, 2008). Las cadenas portacables de hidrógeno y eléctricas para automóviles se ilustran en la Figura\(\PageIndex{1}\). Muchos científicos y compañías automotrices están explorando el hidrógeno como una alternativa a largo plazo al petróleo.

    Transporte Eléctrico
    Figura Transporte\(\PageIndex{1}\) Eléctrico El transporte se electrifica reemplazando el motor de gasolina por un motor eléctrico, alimentado por electricidad de una batería a bordo del automóvil (panel superior) o electricidad de una pila de combustible y sistema de almacenamiento de hidrógeno a bordo del automóvil (panel inferior). Para una máxima efectividad, ambas rutas requieren producción renovable de electricidad o hidrógeno. Fuente: George Crabtree usando imágenes de Rondol, skinnylawyer, Tinu Bao, Departamento de Energía de Estados Unidos, Oficina de Ciencias

    La electricidad como combustible alternativo

    Los autos eléctricos representan una segunda alternativa al petróleo para el transporte, con muchas similitudes con el hidrógeno (ver Figura\(\PageIndex{1}\)). Los vehículos eléctricos son manejados por un motor eléctrico, como en un automóvil de pila de combustible, hasta cuatro veces más eficientes que un motor de gasolina. El motor eléctrico es mucho más simple que un motor de gasolina, teniendo solo una parte móvil, un eje que gira dentro de una carcasa estacionaria y rodeado por una bobina de alambre de cobre. La electricidad proviene de una batería, cuya capacidad de almacenamiento, como la de los materiales de hidrógeno, es demasiado pequeña para permitir la conducción de larga distancia. Desarrollar baterías de mayor densidad de energía para vehículos es un desafío importante para la industria del automóvil eléctrico. La batería debe cargarse antes de conducir, lo que se puede hacer desde la red utilizando el exceso de capacidad disponible por la noche, o durante el día desde estaciones especiales de carga solar que no agregan carga adicional a la red. Debido a que la carga suele tardar horas, una alternativa potencialmente atractiva es cambiar la batería en cuestión de minutos por una recién cargada en estaciones especiales de intercambio. Una gran flota de autos eléctricos en Estados Unidos requeriría electricidad adicional significativa, hasta 130 GW si toda la flota de pasajeros y camiones ligeros se convirtiera en electricidad, o el 30 por ciento del uso promedio de electricidad de Estados Unidos en 2008.

    El consumo de energía de los autos eléctricos es aproximadamente un factor de cuatro menos que para los autos de gasolina, consistente con la mayor eficiencia de los motores eléctricos sobre los motores de combustión interna. Aunque los autos de gasolina varían significativamente en su eficiencia energética, un valor “típico” en medio de la carretera para un automóvil de cinco pasajeros es de 80KWh/100km. Un típico auto eléctrico (como el Think Ox de Noruega, el Chevy Volt que opera en su modo eléctrico, o el Nissan Leaf) utiliza ~ 20 kWh/100km. Si bien el costo energético de los autos eléctricos en el punto de uso es significativamente menor, se debe considerar el costo en el punto de producción, la planta generadora de electricidad. Si la electricidad del vehículo proviene del carbón con una eficiencia de conversión del 33 por ciento, el costo de la energía primaria es de 60 kWh/100 km, acercándose pero aún más pequeño que el del auto de gasolina. Si la electricidad es generada por turbinas de gas natural de ciclo combinado con 60 por ciento de eficiencia, el costo de energía primaria es de 33 kWh/100 km, menos de la mitad del costo de energía primaria para los autos de gasolina. Estas comparaciones se presentan en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

    Motor Gasolina 5 Autos de Pasajeros Batería Eléctrica Nissan Leaf, Chevy Volt (modo de batería), Think Ox
    Energía en el Punto de Uso 80 kWh/100 km 20 kWh/100 km
    Uso de energía en el punto de producción: Carbón con 33% de eficiencia 60 kWh/100 km
    Gas Natural de Ciclo Combinado con 60% de eficiencia 33 kWh/100 km
    Tabla\(\PageIndex{1}\) Comparaciones de Uso EnergéticoComparación del uso de energía para automóviles impulsados por gasolina y baterías, para los casos de generación ineficiente de carbón (33%) y generación eficiente de gas natural de ciclo combinado (60%) de electricidad. Fuente: George Crabtree.
    Motor Gasolina 5 Autos de Pasajeros Batería Eléctrica Nissan Leaf, Chevy Volt (modo batter), Think Ox
    Emisiones de CO 2 en el punto de uso 41 lbs ~ 0
    Emisiones de CO 2 en el punto de producción: Carbón @ 2.1 lb CO 2 /kWh 42 lbs
    Gas a 1.3 lb CO 2 /kWh 25 lbs
    Nuclear, hidroeléctrica, eólica o solar < 1 lb
    Cuadro\(\PageIndex{2}\) Comparaciones de emisiones de carbonoComparación de emisiones de carbono de automóviles impulsados por gasolina y baterías, para los casos de generación de carbón de alta emisión (2.1 lb CO2/kWh), menor emisión de gas natural (1.3 lbCO2/kWh) y electricidad nuclear, hidroeléctrica, eólica o solar de muy bajas emisiones. Fuente: George Crabtree.

    La huella de carbono de los autos eléctricos requiere un cálculo similar. Para la electricidad de carbón que produce 2.1 lb CO2/kWh, conducir 100km produce 42 lbs (19 kgs) de dióxido de carbono; para la electricidad de gas que produce 1.3 lb CO2/kWh, 100km de conducción produce 26 lbs (11.7 kgs) de dióxido de carbono. Si la electricidad es producida por energía nuclear o renovable como eólica, solar o hidroeléctrica, no se produce dióxido de carbono. Para un auto de gasolina “típico”, 100km de conducción produce 41 lbs (18.5 kgs) de dióxido de carbono. Así, la huella de carbono de un automóvil eléctrico “típico” es, en el peor de los casos igual, a la de un automóvil de gasolina y, en el mejor de los casos, cero. La tabla\(\PageIndex{3}\) resume las comparaciones de la huella de carbono.

    Las soluciones híbridas

    A diferencia de los autos eléctricos, los vehículos híbridos dependen únicamente de la gasolina para su potencia. Sin embargo, los híbridos tienen un motor eléctrico suplementario y un sistema de accionamiento que opera solo cuando el rendimiento del motor de gasolina es débil o necesita un impulso: al comenzar desde una parada, pasar o escalar colinas. Los autos de gasolina convencionales tienen un solo motor que debe propulsar el auto en todas las condiciones; por lo tanto, debe dimensionarse para la tarea más grande. En condiciones normales de conducción el motor es más grande y menos eficiente de lo que necesita ser. El híbrido resuelve este dilema al proporcionar dos trenes motrices, un motor de gasolina para conducción normal y un motor eléctrico para necesidades de alta potencia al arrancar, escalar colinas y pasar. El motor y el motor se adaptan a sus respectivas tareas, permitiendo que cada uno sea diseñado para lograr la máxima eficiencia. Como el motor eléctrico es en general mucho más eficiente, su uso puede aumentar significativamente el ahorro de combustible.

    La batería en los autos híbridos tiene dos funciones: acciona el motor eléctrico y además recoge energía eléctrica del frenado regenerativo, convertida a partir de la energía cinética en las ruedas por pequeños generadores. El frenado regenerativo es efectivo en la conducción de arranque y parada, aumentando la eficiencia hasta en un 20 por ciento. A diferencia de los motores de gasolina, los motores eléctricos no utilizan energía mientras están quietos; por lo tanto, los híbridos apagan el motor de gasolina cuando el automóvil se detiene para ahorrar la energía al ralentí. Los motores de gasolina son notoriamente ineficientes a bajas velocidades (de ahí la necesidad de bajas relaciones de transmisión), por lo que el motor eléctrico acelera el híbrido a ~15 mph (24 kph) antes de que el motor de gasolina se reinicie. Al apagar el motor de gasolina mientras está parado, aumenta la eficiencia hasta un 17 por ciento.

    Las características de ahorro de energía de los híbridos suelen reducir sus requerimientos de energía de 80 kWh/100 km a 50-60 kWh/100 km, un ahorro significativo. Es importante señalar, sin embargo, que a pesar de un sistema de accionamiento por motor eléctrico suplementario, toda la energía de un híbrido proviene de la gasolina y ninguna de la red eléctrica.

    El híbrido enchufable se diferencia de los híbridos convencionales en aprovechar tanto la gasolina como la red eléctrica por su energía. La mayoría de los híbridos enchufables están diseñados para funcionar con electricidad primero y con gasolina en segundo lugar; el motor de gasolina arranca solo cuando se agota la batería. El híbrido enchufable es así un automóvil eléctrico con un motor de gasolina suplementario, lo contrario de los autos híbridos convencionales descritos anteriormente. El valor del híbrido enchufable es que resuelve la “ansiedad por el campo de prácticas” del consumidor: no hay preocupaciones de llegar a casa con seguridad de un viaje que resulta ser más largo de lo esperado. La desventaja del híbrido enchufable es la tecnología suplementaria adicional del motor de gasolina, lo que agrega costo y complejidad al automóvil.

    El desafío de la batería

    Para lograr un rango de prácticas razonable, los autos eléctricos y los híbridos enchufables necesitan baterías grandes, uno de sus mayores desafíos de diseño y una barrera de consumo potencialmente significativa para las ventas generalizadas. Incluso con las baterías prácticas más grandes, el rango de manejo de la electricidad es limitado, quizás a ~100km. El diseño de baterías de mayor densidad de energía es actualmente un foco importante de investigación energética, y se espera que los avances en la tecnología de baterías de iones de litio traigan mejoras La segunda barrera potencial para la aceptación pública de los vehículos eléctricos es el tiempo de carga, hasta ocho horas desde una toma doméstica estándar. Esto puede adaptarse a la carga nocturna en casa, pero podría ser un problema para viajes más allá del alcance de la batería: con un automóvil de gasolina el conductor simplemente se llena en unos minutos y está en camino. Se están considerando nuevas soluciones de infraestructura como estaciones de intercambio de baterías para viajes largos.

    Desde una perspectiva de sustentabilidad, resulta interesante la comparación de autos de gasolina, eléctricos, híbridos e híbridos enchufables. Los autos híbridos toman toda su energía de la gasolina y representan la menor diferencia con los autos de gasolina. Sus sistemas suplementarios de propulsión eléctrica reducen el consumo de gasolina entre 30 y 40 por ciento, promoviendo así la conservación de un recurso finito y reduciendo la dependencia del petróleo extranjero. Los autos eléctricos, sin embargo, obtienen toda su energía de la electricidad de la red, una fuente de energía doméstica, eliminando por completo la dependencia del petróleo extranjero y el uso de recursos petroleros finitos. Por lo tanto, su valor de sustentabilidad es mayor que los híbridos. Los híbridos enchufables tienen el mismo potencial que todos los vehículos eléctricos, siempre que sus motores de gasolina se utilicen con moderación. En términos de emisiones de carbono, el valor de sustentabilidad de los vehículos eléctricos depende enteramente de la fuente eléctrica: neutral para el carbón, positivo para el gas y altamente positivo para energía nuclear o renovable hidroeléctrica, eólica o solar. Desde una perspectiva energética, los autos eléctricos utilizan un factor de cuatro menos energía que los autos de gasolina en el punto de uso, pero esta ventaja se ve parcialmente comprometida por ineficiencias en el punto de generación eléctrica. Incluso la ineficiente electricidad a carbón deja una ventaja para los autos eléctricos, y la electricidad eficiente de ciclo combinado a gas deja a los autos eléctricos más que un factor de dos más eficiencia energética que los autos de gasolina.

    Resumen

    La electricidad ofrece una alternativa atractiva al petróleo como combustible de transporte: se produce a nivel nacional, utiliza la energía de manera más eficiente y, dependiendo del modo de generación de electricidad, puede emitir mucho menos carbono. Los vehículos eléctricos pueden ser alimentados por pilas de combustible que producen electricidad a partir de hidrógeno, o de baterías cargadas desde la red eléctrica. La opción de hidrógeno presenta mayores desafíos tecnológicos de costo y durabilidad de las celdas de combustible y alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno a bordo. La opción de batería está lista para su implementación en un plazo más cercano, pero requiere baterías de mayor densidad de energía para un rango de conducción extendido, y una alternativa de carga rápida o intercambio de baterías a tiempos de carga largos de la batería.

    Combinación de calor y potencia

    La electricidad en Estados Unidos se genera, en su mayor parte, a partir de centrales eléctricas de centrales centrales con una eficiencia de conversión de aproximadamente 30 a 35 por ciento. Es decir, por cada 100 unidades de energía de combustible en una planta eléctrica de estación central de ciclo simple, obtenemos solo de 30 a 35 unidades de electricidad. El resto de la energía en el combustible se pierde a la atmósfera en forma de calor.

    Los requisitos térmicos de nuestros edificios e instalaciones se proporcionan generalmente in situ mediante el uso de una caldera u horno. Las eficiencias de este equipo han mejorado a lo largo de los años y ahora es común contar con calderas y hornos en instalaciones comerciales e industriales con eficiencias de 80 por ciento y superiores. Es decir, por cada 100 unidades de energía de combustible en la caldera/horno, obtenemos alrededor de 80 unidades de energía térmica útil.

    Las instalaciones comerciales e industriales que utilizan el sistema de energía convencional que se encuentra en los Estados Unidos (electricidad suministrada desde la red eléctrica y energía térmica producida in situ mediante el uso de una caldera/horno) a menudo experimentarán eficiencias generales de combustible de entre 40 y 55 por ciento ( la eficiencia real depende de la relación calor a potencia de las instalaciones).

    La combinación de calor y energía (CHP) es una forma de generación distribuida. Es un sistema integrado ubicado en o cerca del edificio/instalación que genera electricidad de grado de utilidad que satisface al menos una porción de la carga eléctrica de la instalación, y captura y recicla el calor residual del equipo generador eléctrico para proporcionar energía térmica útil a la instalación.

    El CHP convencional (también conocido como CHP de ciclo de cobertura) utiliza una única fuente de combustible dedicada para producir secuencialmente energía eléctrica y térmica útil. La Figura\(\PageIndex{2}\) proporciona un diagrama de un sistema CHP de ciclo de cobertura típico. Una variedad de combustibles fósiles, combustibles renovables y productos de desecho se utilizan como combustible de entrada para alimentar un motor principal que genera energía mecánica del eje (la excepción son las celdas de combustible). Los motores principales pueden incluir motores alternativos, turbinas de gas, turbinas de vapor o celdas de combustible. La potencia mecánica del eje se convierte en electricidad de grado para servicios públicos a través de un generador altamente eficiente. Dado que el sistema CHP se encuentra en o cerca del edificio/instalación, el calor perdido a través del motor principal se puede reciclar a través de un intercambiador de calor y proporcionar calefacción, enfriamiento (enfriadores de absorción) y/o deshumidificación (desecantes) para satisfacer la carga térmica del edificio. Estos sistemas pueden alcanzar eficiencias de uso de combustible de hasta 75 a 85 por ciento (frente al sistema de energía convencional en aproximadamente 40 a 55 por ciento).

    CHP Convencional (Ciclo de Topping)
    Figura El diagrama de CHP\(\PageIndex{2}\) convencional (ciclo de cobertura) ilustra un ciclo de cobertura típico de los sistemas de CHP. Fuente: John Cuttica

    En nuestro ejemplo de 100 unidades de combustible en el sistema CHP, solo se generan de 30 a 35 unidades de electricidad, pero otras 40 a 50 unidades de la energía de los combustibles pueden ser recuperadas y utilizadas para producir energía térmica. Lo que esto nos dice es que para que los sistemas de CHP convencionales alcancen el alto nivel de eficiencia, debe haber un uso para la energía térmica recuperada. Por lo tanto, un factor clave para los sistemas de CHP convencionales es la coincidencia de cargas eléctricas y térmicas en el edificio. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). El eje “Y” representa el costo de generar electricidad con un sistema CHP que utiliza un motor alternativo eficiente del 32 por ciento. El eje “X” representa el costo del gas natural utilizado para operar el sistema CHP y también el valor del gas natural que se desplaza si se puede utilizar el calor reciclado del motor. Las líneas en el gráfico muestran varios niveles de calor recuperable disponibles desde el motor. Si no se recupera calor (no se utiliza la energía térmica), el costo de generar electricidad con el sistema CHP es de $0.08/kWhr. Cuando se recupera la cantidad total de calor del motor (uso completo de la energía térmica), el costo de generar electricidad con el sistema CHP luego cae a $0.03/kWhr.

    Importancia de la recuperación de calor residual
    Figura\(\PageIndex{3}\) Importancia de la Recuperación de Calor Residual El gráfico muestra la importancia de la recuperación de calor residual en sistemas de CHP. Fuente: John Cuttica

    Dado que la alta eficiencia de un sistema de CHP depende del uso efectivo del calor recuperable, los sistemas de CHP a menudo se dimensionan para satisfacer la carga térmica de la aplicación y la cantidad de electricidad producida es el subproducto. La electricidad se utiliza para apagar la electricidad comprada de otra manera a la compañía eléctrica local. Cuando el sistema CHP no produce suficiente electricidad para satisfacer la carga, la empresa suministra la diferencia con respecto a la red. Cuando el sistema CHP (dimensionado a partir de los requerimientos térmicos) produce más electricidad de la que requiere la carga, el exceso de electricidad puede venderse a la compañía local (normalmente al costo de energía evitado para la empresa).

    Hay tres modos generales de operación para los generadores de CHP in situ en relación con la red eléctrica:

    • Stand Alone (totalmente aislado de la grilla)
    • Aislado de la red con respaldo de servicios públicos (cuando sea necesario)
    • Operación en paralelo con la rejilla

    El modo preferido de operación es paralelo con la rejilla. Tanto el sistema CHP in situ como la red de suministro eléctrico alimentan la instalación simultáneamente. Con un dimensionamiento y configuración adecuados del sistema CHP, el modo de operación paralelo proporciona la mayor flexibilidad. Si la red se cae, el sistema CHP puede seguir funcionando (por ejemplo, durante el apagón noreste de 2003 y el huracán Katrina 2005), y si el sistema CHP cae, la red eléctrica puede suministrar energía a la carga. Se incrementa la confiabilidad general de la potencia a la carga.

    Los componentes básicos de un sistema CHP convencional (ciclo de cobertura) son:

    • Motor Prime que genera energía mecánica del eje
      • Motor reciprocante
      • Turbinas (gas, micro, vapor)
      • Pila de combustible (las pilas de combustible justifican un proceso electroquímico en lugar de un proceso de eje mecánico)
    • El generador convierte la energía mecánica del eje en energía eléctrica
      • Generador síncrono (proporciona la mayor flexibilidad e independencia de la red)
      • Generador de inducción (la red baja - el sistema CHP deja de funcionar)
      • Inversor (utilizado principalmente en celdas de combustible - convierte la energía de CC en energía de CA de grado de utilidad)
    • La recuperación de calor residual es uno o más intercambiadores de calor que capturan y reciclan el calor del motor principal
    • El equipo de utilización térmica convierte el calor reciclado en calefacción útil, enfriamiento (enfriadores de absorción) y/o deshumidificación (deshumidificadores de desecante)
    • Los sistemas de control operativo aseguran que los componentes de CHP funcionen correctamente juntos

    Reducción de emisiones de CO 2

    En 2007, McKinsey & Company publicó un estudio sobre la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos. El informe analizó el costo y el impacto potencial de más de 250 opciones tecnológicas en cuanto a la contribución a la reducción de emisiones de CO2. Dos conclusiones señaladas en el informe fueron:

    • Las oportunidades de reducción están muy fragmentadas y repartidas por toda la economía.
    • Casi el 40 por ciento de la reducción se pudo lograr con costos marginales negativos.

    La figura\(\PageIndex{4}\) enfatiza ambos puntos. Es interesante señalar que la CHP (tanto aplicaciones industriales como comerciales), cuando se dimensiona e instala adecuadamente, entrega reducciones de CO 2 a un costo marginal negativo. Todas las tecnologías que muestran un costo marginal negativo en el gráfico generan rendimientos económicos positivos a lo largo del ciclo de vida de la tecnología. La cifra también muestra que en términos de rentabilidad de la amplia gama de tecnologías de reducción, las medidas de eficiencia energética son mucho más efectivas que las tecnologías renovables, nucleares y de generación de carbón limpio. Las tecnologías de cogeneración destacan por tener costos marginales negativos y rentabilidad general positiva comparable a la mayoría de las medidas de eficiencia energética.

    Costo de las tecnologías de reducción de CO2
    La figura muestra el costo de las tecnologías de reducción de CO2. Fuente: Laboratorio Nacional Oak Ridge (2008), p. 13, y McKinsey & Company, “Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos: ¿cuánto a qué costo? ,” diciembre, 2007

    Aplicaciones de CHP

    Hoy en día existen más de 3,500 instalaciones de CHP en Estados Unidos, totalizando más de 85,000 MW de generación eléctrica. Eso representa aproximadamente el 9 por ciento de la capacidad total de generación eléctrica en Estados Unidos. Los 85,000 MW de CHP instalados reducen el consumo de energía en 1.9 Quads (10 15 Btus) anuales y eliminan aproximadamente 248 millones de toneladas métricas (MMT) de CO 2 anualmente.

    Los sistemas de CHP son generalmente más atractivos para aplicaciones que tienen una o más de las siguientes características:

    • Buena coincidencia entre cargas eléctricas y térmicas
    • Diferencial máximo de costos entre el costo de electricidad de la compañía local y el costo del combustible utilizado en el sistema CHP (denominado dispersión de chispa)
    • Largas horas de funcionamiento (normalmente más de 3,000 horas anuales)
    • Necesidad de una buena calidad de energía y confiabilidad

    Las siguientes son solo algunas de las aplicaciones de tipo donde CHP tiene sentido:

    • Hospitales
    • Colegios y Universidades
    • Escuelas Secundarias
    • Gimnasios
    • Edificios de Oficinas
    • Hoteles
    • Centros de datos
    • Prisiones
    • Molinos de Pulpa y Papel
    • Plantas de Manufactura Química
    • Instalaciones de fabricación de metales
    • Fabricantes de Vidrio
    • Plantas de Etanol
    • Plantas de procesamiento de alimentos
    • Instalaciones de tratamiento de aguas residuales
    • Granjas Ganaderas

    Beneficios de CHP

    La CHP no es la única solución a nuestros problemas energéticos. De hecho, CHP no es la solución más rentable en todas las aplicaciones o en todas las áreas del país. Existen muchas variables que determinan la viabilidad de las instalaciones de CHP. Sin embargo, cuando se cumplen los requisitos técnicos y financieros de la aplicación, un sistema CHP bien diseñado, instalado y operado brinda beneficios para el propietario de la instalación (usuario final), la compañía eléctrica y la sociedad en general. La alta eficiencia alcanzada por el sistema CHP proporciona al usuario final menores costos de energía generales, confiabilidad eléctrica mejorada, calidad de energía eléctrica mejorada y seguridad energética mejorada. En áreas donde la red de distribución eléctrica necesita expansión y/o actualizaciones, los sistemas CHP pueden proporcionar a la compañía eléctrica un medio para aplazar modificaciones costosas a la red. Aunque la electricidad generada en el sitio por el usuario final desplaza la electricidad comprada a la compañía eléctrica local y es vista como una pérdida de ingresos por muchos servicios públicos, la eficiencia energética y los menores costos de servicios públicos son lo mejor para el cliente de servicios públicos y deben considerarse como un cliente razonable opción por servicios públicos orientados al cliente con visión de futuro. Finalmente, la sociedad en general se beneficia de las altas eficiencias realizadas por los sistemas de CHP. Las altas eficiencias se traducen en menos contaminantes del aire (menores emisiones de gases de efecto invernadero y NOx) que los producidos por las centrales eléctricas de la estación central.

    Residuos de calor a alimentación

    Existe un segundo tipo de sistema CHP, denominado Calor Residual a Energía (Ciclo de Bottoming CHP). A diferencia del CHP convencional, donde un combustible dedicado se quema en un motor principal, los sistemas Waste Heat to Power CHP capturan el calor que de otro modo se desperdiciaría en un proceso industrial o comercial. El calor residual, en lugar del combustible de proceso, se convierte en la fuente de combustible del calor residual al sistema de alimentación. Se utiliza para generar vapor o agua caliente, que a su vez se utiliza para impulsar una turbina de vapor o (para temperaturas más bajas) un motor térmico de ciclo rankine orgánico. En este caso, el calor residual del proceso industrial/comercial se convierte en energía eléctrica. Figura\(\PageIndex{5}\).

    Calor residual a energía (ciclo de fondo) CHP
    Figura Calor\(\PageIndex{5}\) residual a energía (ciclo de fondo) El diagrama de CHP ilustra un sistema de CHP de calor a energía residual (ciclo de fondo). Fuente: John Cuttica

    Resumen

    La combinación de calor y energía (CHP) representa una opción de energía alternativa probada y efectiva a corto plazo que puede mejorar la eficiencia energética, garantizar la calidad ambiental y promover el crecimiento económico. El concepto de generar electricidad en el sitio permite capturar y reciclar el calor residual del motor principal proporcionando eficiencias de uso de combustible tan altas como 75 a 85 por ciento. Al igual que otras formas de energía alternativa, la CHP debe ser considerada e incluida en cualquier cartera de opciones energéticas.

    Referencias

    1. Crabtree, G.W., Dresselhaus, M.S., & Buchanan, M.V. (2004). La economía del hidrógeno, la física hoy, 57, 39-45. Recuperado el 2 de septiembre de 2011 de tecnet.pte.enel.it/depositi/t... en_economy.pdf
    2. Crabtree, G.W. & Dresselhaus, M.S. (2008). La Alternativa al Combustible de Hidrógeno. Boletín,33, 421-428. Recuperado el 2 de septiembre de 2011 de www.physics.ohio-state.edu/~w... ergy/hfuel.pdf
    3. Doucette, R.T. & McCulloch, M.D. (2011). Modelado de las emisiones de CO2 de los vehículos eléctricos de batería dadas las mezclas de generación de energía de diferentes países. Política Energética, 39, 803-811. doi: 10.1016/j.enpol.2010.10.054
    4. Eberle, U. & Helmolt, R.V. (2010). Transporte sustentable basado en conceptos de vehículos eléctricos: una breve visión general. Energía y Ciencias Ambientales, 3, 689-699. doi: 10.1039/C001674H
    5. Laboratorio Nacional Oak Ridge. (2008). Calor y energía combinados, soluciones energéticas efectivas para un futuro sustentable. Recuperado el 26 de septiembre de 2011 de www1.eere.energy.gov/industry... port_12-08.pdf

    Preguntas

    1. El transporte depende casi exclusivamente de su combustible en petróleo, cuyo precio fluctúa significativamente en respuesta a la geopolítica global y cuya disponibilidad a largo plazo es limitada. ¿Cuáles son las motivaciones para que cada uno de los interesados, incluidos los ciudadanos, las empresas y los gobiernos, encuentren alternativas al petróleo como combustible para el transporte?
    2. La electricidad puede reemplazar al petróleo como combustible de transporte de dos maneras: por la producción a bordo en una celda de combustible de hidrógeno, y por almacenamiento a bordo en una batería. ¿Qué retos de investigación y desarrollo, infraestructura y producción deben superarse para que cada una de estas opciones de electrificación sea ampliamente desplegada?
    3. Los autos eléctricos y de gasolina utilizan energía y emiten dióxido de carbono. ¿Cuál es más sustentable?
    4. ¿Cómo se comparan los autos impulsados por gasolina, baterías e híbridos (como el Prius) para (i) eficiencia energética, (ii) emisiones de carbono y (iii) reducción de la dependencia del petróleo extranjero?
    5. ¿Qué impulsa la eficiencia del sistema en un sistema CHP convencional?

    6. Para garantizar una alta eficiencia del sistema, ¿cómo dimensionaría un sistema CHP convencional?

    7. ¿Cuál es el método preferido para operar un sistema CHP que proporciona la mayor flexibilidad con la red eléctrica?

    8. ¿Por qué los sistemas de cogeneración se consideran una de las prácticas de reducción de CO2 más rentables?

    9. Nombra al menos tres características de aplicación que hagan de CHP una opción atractiva.

    Glosario

    Vehículo Híbrido

    Un automóvil que contiene dos sistemas de accionamiento, uno basado en el motor de combustión interna y otro en el motor eléctrico. Los híbridos convencionales, como el Toyota Prius, utilizan el motor eléctrico solo cuando se necesita alta potencia: comenzando desde una parada, pasando y subiendo. La electricidad para hacer funcionar el motor es generada a bordo por un alternador accionado por el motor de combustión interna y por rotura regenerativa. Los híbridos enchufables como el Chevy Volt, en contraste, utilizan el motor eléctrico como unidad principal para el automóvil, confiando en el motor de gasolina solo cuando la batería está baja o vacía.

    Motor de combustión interna

    El motor que convierte la energía química de la gasolina en la energía mecánica del movimiento, al explotar pequeñas cantidades de combustible en el espacio confinado del cilindro fijo que contiene un pistón móvil. Se debe medir una cantidad precisa de combustible y crear una chispa en un momento preciso del recorrido del pistón para producir la máxima fuerza explosiva para impulsar el pistón. El motor de combustión interna es una maravilla de la ingeniería (la palabra ingeniería lo celebra) perfeccionada a lo largo de más de un siglo. En contraste, el motor eléctrico es mucho más simple, más eficiente y menos costoso para la misma potencia de salida.

    Punto de Producción

    El primer (o al menos un temprano) paso en la cadena de energía, donde la energía que finalmente realizará una función en el punto de uso se pone en su forma de trabajo. Para los autos impulsados por gasolina, esta es la refinería donde se produce gasolina a partir del petróleo crudo, para los autos impulsados por baterías esta es la planta de generación de energía donde se produce la electricidad. Luego se entrega gasolina a la bomba y finalmente al automóvil, donde se convierte (el punto de uso) en movimiento mecánico por el motor. De igual manera, la electricidad es entregada a la batería de un automóvil eléctrico por la red, y convertida por el motor eléctrico del automóvil (el punto de uso) a movimiento mecánico.

    Punto de Uso

    El último paso en la cadena de energía, donde la energía cumple su función pretendida. Para los vehículos, esta es la conversión de la energía química en los autos a gasolina o energía eléctrica en los autos a batería al movimiento de las ruedas que mueve al auto por la carretera.

    Chiller Absorción

    Utiliza calor en lugar de energía mecánica para proporcionar refrigeración. Se utiliza un compresor térmico (alimentado por el calor residual del sistema CHP) en lugar de un compresor mecánico alimentado eléctricamente en el proceso de refrigeración.

    Costo de energía evitado

    El costo marginal de una empresa de servicios públicos para producir una unidad más de energía.

    Combinación de calor y potencia (CHP)

    Un sistema integrado, ubicado en o cerca del edificio o instalación, que genera electricidad de grado de utilidad que satisface al menos una porción de la carga eléctrica de la instalación y captura/recicla el calor residual del equipo generador eléctrico para proporcionar energía térmica útil a la instalación.

    CHP Convencional (Ciclo de Topping CHP)

    Utiliza una sola fuente de combustible dedicada para producir secuencialmente energía eléctrica y térmica útil.

    Deshumidificación desecante

    Proceso que elimina la humedad (carga latente) de una corriente de aire del edificio pasando el aire sobre una rueda desecante (normalmente un gel de sílice). El calor recuperado de un sistema de CHP se utiliza para regenerar el desecante expulsando la humedad de la rueda desecante hacia el exterior.

    Pila de combustible

    Una reacción electroquímica exotérmica que combina iones hidrógeno y oxígeno a través de un material electrolítico para generar electricidad (CC) y calor.

    Turbina de gas

    Un motor de combustión interna que consiste esencialmente en un compresor de aire, cámara de combustión y rueda de turbina que es girada por los productos en expansión de la combustión.

    Generador de Inducción

    Convierte la potencia mecánica del eje del motor principal CHP a la potencia de corriente alterna de grado de utilidad. Un generador de inducción solo puede funcionar cuando está conectado a una fuente de energía reactiva externa (normalmente proporcionada por la red eléctrica).

    Inversor

    Convierte la energía eléctrica de corriente continua en energía eléctrica de corriente alterna de grado de utilidad. Normalmente se usa con sistemas de celdas de combustible.

    Ciclo de Rankine Orgánico (ORC)

    Utiliza un fluido orgánico de alta masa molecular con un cambio de fase líquido-vapor o punto de ebullición que ocurre a una temperatura más baja que el cambio de fase agua-vapor. El fluido permite la recuperación de calor del ciclo rankine de fuentes de menor temperatura donde el calor se convierte en trabajo útil, que luego se puede convertir en electricidad.

    Prime Mover

    El término utilizado para denotar el equipo del sistema CHP que convierte el combustible de entrada en potencia de eje mecánico (motor alternativo, turbina de gas, turbina de vapor, microturbina).

    Motor reciprocante

    Un motor térmico que utiliza uno o más pistones alternativos para convertir la presión en potencia mecánica del eje giratorio.

    Turbina de vapor

    Utiliza el ciclo Rankine para extraer calor del vapor y transformar el calor en potencia mecánica del eje expandiendo el vapor de alta presión a baja presión a través de las palas de la turbina.

    Generador síncrono

    Convierte la potencia mecánica del eje del motor principal CHP a la potencia de corriente alterna de grado de utilidad. Un generador síncrono es autoexcitante (contiene su propia fuente de potencia reactiva) y puede funcionar independientemente de, o aislado de, la red eléctrica.

    Calor residual a energía (ciclo de fondo CHP)

    Captura el calor residual generado por un proceso industrial o comercial, utilizando el calor residual como fuente de combustible libre para generar electricidad.

    Densidad Energética

    La energía contenida en un volumen o masa dividida por el volumen o masa que ocupa. Los materiales de alta densidad de energía empaquetan una gran energía en un espacio o masa pequeños; los materiales de baja densidad de energía requieren más espacio o masa para almacenar la misma cantidad de energía. La energía eléctrica de las baterías se encuentra en el extremo inferior de la escala de densidad energética, la energía química de la gasolina está en el extremo alto, aproximadamente un factor de 30-50 más grande que las baterías.


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