Tecnología Industrial al alcance de los ciudadanos: Cogeneración Residencial

por Ismael Lozano | Dic 15, 2021 | Blog CARTIF, Energía

¿Sabes lo que es la cogeneración?

La cogeneración se refiere a la producción simultánea de electricidad y calor, nuestras dos grandes necesidades energéticas básicas. Los beneficios de estas tecnologías son múltiples:

• Es un 40% más eficiente que producir electricidad y calor por separado.
• Unido a este ahorro energético, las emisiones de CO₂ y los costes de generación son menores.
• Puede aprovechar recursos renovables como la biomasa y el biogás.
• Mejora la seguridad del sistema, ya que permite generar la cantidad necesaria de electricidad y calor y absorber la variabilidad implícita de la generación renovable procedente de eólica y solar.
• Los costes de transporte y distribución son reducidos, ya que generalmente la energía se consume en el mismo sitio en el que se produce.

Además de que la cogeneración tiene como objetivo cubrir las necesidades energéticas propias, podemos observar que, según el Informe del Sistema El´éctrico Español elaborado por Red Eléctrica de España correspondiente a 2019, es capaz de cubrir casi un 12% de la demanda española con solo un 5% de participación en la potencia instalada nacional. A nivel europeo, la cogeneración proporciona un 11% de la electricidad consumida y un 15% del calor.

También la Comisión Europea reconoce la necesidad de la presencia de la cogeneración en el sistema energético, citando en la Directiva de Eficiencia Energética que «la cogeneración de alta eficiencia tienen un potencial significativo para ahorrar energía primaria en la Unión» y la necesidad de que «los estados miembros fomenten la introducción de medidas y procedimientos para promover las instalaciones de cogeneración con una potencia térmica nominal total inferior a 5MW con el fin de fomentar la generación de energía distribuida».

Aun teniendo en cuenta todos los beneficios indicados, prácticamente solo se pueden encontrar este tipo de tecnologías en ámbitos industriales o grandes edificios del sector terciario. Por ello, un ámbito con gran potencial es el desarrollo de la micro-generación, es decir, sistemas de cogeneración de baja potencia (menor de 50 kW) que generen el calor y la electricidad necesaria para cubrir las necesidades energéticas de edificios residenciales. Este aspecto es clave tanto para el desarrollo de las Comunidades energéticas locales en las que la figura del consumidor pasivo se difumina como para la consecución de uno de los grandes objetivos medioambientales, la neutralidad climática.

Dentro de los sistemas de cogeneración actuales, podemos encontrar dos grandes grupos:

• Motores de combustión interna convencionales acoplados a un generador eléctrico y del cual se recupera el calor de los gases de escape y de los sistemas de refrigeración. Suelen funcionar empleando gas natural o gasóleo como combustible, llegando a alcanzar rendimientos globales del 80-90%.
• Sistemas de microturbinas compuestos por una turbina de gas en ciclo abierto en las que el aire es aspirado de la atmósfera, se comprime mediante un compresor rotativo para conducirlo a la cámara de combustión y posteriormente aprovechar la expansión en una turbina. La energía eléctrica se obtiene a partir de un alternador, mientras que el calor se recupera de los gases de escape. Llegan a tener rendimientos globales en torno al 90%. La diferencia fundamental respecto a los anteriores es que las turbinas están diseñadas para funcionar en régimen estacionario mientras que los motores permiten una regulación más amplia. Además, la temperatura de los gases de escape de las turbinas es más alta, estando habitualmente en torno a los 300-400ºC. El combustible empleado mayoritariamente es gas natural, pero en este caso es posible emplear otros más sostenibles como puede ser el biogás.

Como hemos visto, la gran mayoría de los sistemas actuales emplean combustibles fósiles en su funcionamiento, lo que no es adecuado de acuerdo a los compromisos ambientales adquiridos. En 2018 solo el 4% de la energía generada mediante cogeneración procedía de fuentes renovables como biocombustibles y residuos (La energía en España 208, MITECO)

Afortunadamente, existen tecnologías tanto en el mercado como en fase de desarrollo enfocadas a cubrir estas necesidades. En primer lugar, podemos nombrar la tecnología de generación fotovoltaica híbrida, capaz de generar tanto electricidad como agua caliente de baja temperatura (60-70ºC) aprovechable en los sistemas de climatización de los edificios. La infraestructura necesaria para la instalación de estos colectores no dista mucho de la empleada en la instalación habitual de paneles fotovoltaicos, incluyendo las tuberías necesarias para la conducción del agua de entrada y salida.

Otra de las tecnologías que está experimentando un gran crecimiento debido a su naturaleza estratégica es la pila de hidrógeno o pila de combustible. Este sistema aprovecha procesos electroquímicos para convertir un combustible, el hidrógeno, y un comburente, el oxígeno presente en el aire, en una corriente eléctrica y calor. La particularidad del hidrógeno como combustible es que presenta una gran densidad energética, puede transportarse a través de canalizaciones similares al gas natural (aunque bajo condiciones especiales) y puede ser generado a partir de la electrólisis del agua empleando para ello fuentes de energía renovables.

Por supuesto, las tecnologías citadas pueden ser combinadas con otras para multiplicar sus posibilidades: bombas de calor tanto alimentadas con la energía eléctrica generada como empleando el calor generado para elevar su rendimiento, hibridación junto a sistemas de almacenamiento que permitan una gestión inteligente, etc.

CARTIF participa en diversos proyectos que integran sistemas de cogeneración en entornos residenciales:

• SUNHORIZON: tiene como objetivo demostrar que la combinación apropiada de tecnologías como paneles solares (Fotovoltaico, híbridos, térmicos) y bombas de calor (compresor térmico, adsorción, reversible) gestionadas con un controlador con capacidades predictivas permite ahorrar energía, maximizar el uso de renovables, incrementar el autoconsumo, reducir la factura energética y reducir las emisiones de CO₂.
• REGENBy2: contribuimos al desarrollo de una nueva planta de energía integrada, capaz de convertir cualquier tipo de fuente térmica de energía renovable, de baja a alta temperatura, en electricidad, calefacción y/o refrigeración simultáneamente.
• HysGRID+: cuyo objetivo es fomentar la cooperación de centros tecnológicos españoles con un elevado nivel de complementariedad con el fin último de investigar y desarrollar soluciones tecnológicas novedosas que faciliten la creación de comunidades energéticas locales (CEL) con balance neto positivo de alta eficiencia y basadas en sistemas híbridos de generación renovable y almacenamiento. En el contexto de este proyecto, CARTIF ha sido capaz de instalar dos bancos de ensayos: uno para testar bombas de calor de hasta 100 kW térmicos, y otro para caracterizar el comportamiento de paneles solares híbridos PVT.
• H24NewAge: desarrollamos tecnologías avanzadas a lo largo de toda la cadena de valor del hidrógeno para finalmente crear una red de infraestructuras para dar servicio a las empresas y como demostración de las tecnologías del hidrógeno desarrolladas. El objetivo final es que el proyecto sea un referente para el tejido empresarial español facilitando una transferencia de conocimiento bidireccional y adaptable. Otra de las acciones es la investigación de la aplicación de pilas de combustible en microgeneración residencial.