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⭐GUÍA TÉCNICA PARA LA MEDIDA Y DETERMINACIÓN DEL CALOR ÚTIL, DE LA ELECTRICIDAD Y DEL AHORRO DE ENERGÍA PRIMARIA DE COGENERACIÓN DE ALTA EFICIENCIA
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Rosa María Guzmán Crespo
1 GUÍA TÉCNICA PARA LA MEDIDA Y DETERMINACIÓN DEL CALOR ÚTIL, DE LA ELECTRICIDAD Y DEL AHORRO DE ENERGÍA PRIMARIA DE COGENERACIÓN DE Esta guía técnica presenta un método de cálculo del calor útil de cogeneración, electricidad de cogeneración y ahorro de energía primaria de acuerdo con el Real Decreto 661/2007 de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial, el Real Decreto 616/2007 de 11 de mayo, sobre fomento de la cogeneración, la Directiva Europea 2004/8/CE del 11 de Febrero sobre la promoción de la cogeneración y la Decisión de la Comisión del 21 de diciembre 2006 donde se establecen valores de referencia para las eficiencias de producción separada de electricidad y calor Abril 20082 3 CONTENIDOS 1. MOTIVACIÓN DE LA GUÍA INTRODUCCIÓN ÁMBITO TEMPORAL DE LA GUÍA ESTRUCTURACIÓN DE LA GUÍA EL AHORRO DE ENERGÍA PRIMARIA COMO PRINCIPIO FUNDAMENTAL EL CALOR ÚTIL PRODUCIDO EN UNA PLANTA DE COGENERACIÓN DEFINICIONES DE CALOR ÚTIL H CHP Y CALOR DE NO COGENERACIÓN H NO-CHP DETERMINACIÓN DEL CALOR ÚTIL DE ACUERDO AL MEDIO TRANSMISOR DE CALOR AGUA LÍQUIDA Y FLUIDOS TÉRMICOS VAPOR DE AGUA GASES CALIENTES REFRIGERACIÓN CONSIDERACIÓN DEL PROCESO DEMANDANTE DE ENERGÍA TÉRMICA EN EL CÁLCULO DEL CALOR ÚTIL EL CALOR ÚTIL EN LA EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE EFICIENCIA Y LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN EL VALOR DE REFERENCIA DE LA EFICIENCIA PARA LA PRODUCCIÓN SEPARADA DE CALOR (REF H η ) EN LOS PARÁMETROS DE EFICIENCIA INFORMACIÓN TÉCNICA PARA LA CERTIFICACIÓN DEL RENDIMIENTO ELÉCTRICO EQUIVALENTE (REE) LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN COMO BASE DE LAS GARANTÍAS DE ORIGEN CÁLCULO DE LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN E CHP MODO DE COGENERACIÓN TOTAL DETERMINACIÓN DEL PARÁMETRO C RÉGIMEN TRANSITORIO PARA LA DETERMINACIÓN DEL PARÁMETRO C COMBUSTIBLE DE UNA PLANTA DE COGENERACIÓN AHORRO DE ENERGÍA PRIMARIA Y COGENERACIÓN DE AHORRO PORCENTUAL DE ENERGÍA PRIMARIA PARA EXPEDICIÓN DE GARANTÍAS DE ORIGEN CÁLCULO DE RENDIMIENTOS DE COGENERACIÓN INFORMACIÓN TÉCNICA PARA LA CERTIFICACIÓN DE LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN (E CHP ) Y EL AHORRO PORCENTUAL DE ENERGÍA PRIMARIA (PES) PUNTOS DE MEDIDA DE MAGNITUDES DE UTILIDAD PARA LA DETERMINACIÓN DEL CALOR ÚTIL Y LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN PRINCIPIOS GENERALES COMBUSTIBLES CONSUMIDOS ENERGÍA ELÉCTRICA CALOR ENTREGADO Y RETORNOS CASOS PRÁCTICOS REFERENCIAS...32 ANEXO 1. VALORES DE REFERENCIA PARA LA PRODUCCIÓN SEPARADA DE CALOR Y ELECTRICIDAD, DE ACUERDO CON LA DECISIÓN DE LA COMISIÓN DE 21/12/ ANEXO 2. NOMENCLATURA DE PARÁMETROS EMPLEADOS Y DIAGRAMAS DE FLUJO4 ANEXO 3. METODOLOGÍA DE CÁLCULO DEL FACTOR DE PÉRDIDAS...39 ANEXO 4. FICHA TÉCNICA RESUMEN DE DATOS PARA EL CÁLCULO DEL RENDIMIENTO ELÉCTRICO EQUIVALENTE...41 ANEXO 5. FICHA TÉCNICA RESUMEN DE DATOS PARA EL CÁLCULO DE LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN Y DEL AHORRO PORCENTUAL DE ENERGÍA PRIMARIA5 1. MOTIVACIÓN DE LA GUÍA 1.1. Introducción La nueva legislación constituida por el RD 616/2007 [2] de fomento de la cogeneración (que transpone a legislación española la Directiva 2004/8/CE [3]), y el RD 661/2007 [1] que determina el régimen económico de la cogeneración, requiere una guía de aplicación que permita: Calcular los complementos retributivos en función de su eficiencia Determinar la electricidad que es objeto de las garantías de origen Evaluar los índices de eficiencia de las plantas de cogeneración para discriminar las que deben ser objeto de fomento Estos índices de eficiencia son función del ahorro de energía primaria y pueden determinarse a partir del calor (H), la energía eléctrica producida (E) y el combustible consumido (F). Por otra parte, la electricidad de cogeneración (E CHP ), debe determinarse a partir del Anexo II de la Directiva Europea o el Anexo II del RD 616/2007 [2] y es función del rendimiento global de la planta y de sus características de diseño. Existen asimismo diferentes criterios de evaluación de las plantas: así, el RD 661/2007 [1] se basa en el rendimiento eléctrico equivalente (REE) y en el RD 616/2007 [2] el índice empleado es el PES, que consiste en el ahorro de energía primaria porcentual y determina cuándo la electricidad de cogeneración es de alta eficiencia. La existencia de diferentes criterios en la Legislación vigente para la evaluación y cualificación de las plantas de cogeneración, requiere un análisis previo y la aceptación preliminar de unos principios fundamentales que permitan conducir a un conjunto de soluciones que deben ser razonables técnicamente, aceptables económicamente y coherentes con las diferentes legislaciones vigentes, no sólo en España sino en el conjunto de los Estados Miembros de la Unión Europea. Los principios en los que se basa este documento pueden resumirse en: El objetivo de la cogeneración es el máximo ahorro de energía primaria entendida como ahorro de combustible 1 La base de dimensionamiento de las plantas de cogeneración es la demanda de calor útil que de otra forma debería producirse con combustible El RD 616 define la electricidad de cogeneración y la cogeneración de alta eficiencia. Se entiende la electricidad de cogeneración como base de las garantías de origen, de manera que cuando la cogeneración sea de alta eficiencia tendrá la mencionada garantía de origen de electricidad de cogeneración de alta eficiencia La alta eficiencia conseguida por las plantas de cogeneración en la producción de energía eléctrica es debida al aprovechamiento del calor que se produce simultáneamente La evaluación de estas plantas es relativamente compleja, no sólo por la complejidad legislativa sino por la complejidad y diversidad tecnológica de las mismas y por la dificultad de la medida de los parámetros que determinan su eficiencia y especialmente de la medida 1 Artículo 1 de la Directiva Europea 2004/08/EC - 5 -6 del calor útil producido. Por ello, es necesaria la elaboración de un documento de carácter práctico suficientemente ilustrado que clarifique la forma y el método para evaluar las plantas de cogeneración. Esta Guía técnica propone una metodología de cálculo del calor útil, electricidad de cogeneración de alta eficiencia y el ahorro de energía primaria para las plantas de cogeneración dentro del contexto de la Directiva 2004/8/CE [3] relativa al fomento de cogeneración y al Real Decreto 661/2007 [2] por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Esta Guía es una herramienta de ayuda en el estudio de casos reales sobre la medición y determinación de estas magnitudes. Esta Guía armoniza los sistemas de cálculo, de forma que puedan aplicarse de manera clara a partir de las medidas obtenidas en las instalaciones. Esta Guía será de interés para los siguientes colectivos: Administraciones competentes para la autorización e inclusión de equipos de cogeneración en el régimen especial Entidades competentes en el seguimiento del cumplimiento de requisitos técnicos (cumplimiento del REE) Titulares de instalaciones de cogeneración tanto existentes como nuevas Asociaciones sectoriales cuyos usuarios utilicen equipos de cogeneración 1.2. Ámbito temporal de la Guía La Comisión Europea está elaborando unas Guías para la implementación de la Directiva 2004/8/CE que actualmente se encuentran en fase de discusión. En el momento en el que se publiquen estas Guías europeas, será necesario realizar una revisión en conjunto y en su caso corrección de la presente Guía que servirá para introducir nuevos criterios, y modificar ó eliminar aspectos no contemplados en la presente Guía. De acuerdo a lo anterior, la presente Guía es de aplicación desde la fecha de su publicación oficial hasta su adaptación y revisión en su caso, de acuerdo a los criterios armonizados que finalmente la Comisión Europea exprese en las Guías para la implementación de la Directiva 2004/8/CE Estructuración de la Guía Este documento muestra en primer lugar un capítulo dedicado a la importancia del ahorro de energía primaria como principio básico del apoyo a las cogeneraciones. Este punto es de carácter genérico y se incluye con objeto de aportar una clarificación conceptual del principio mencionado. A continuación se dedican cuatro capítulos a describir e indicar la metodología de cálculo de los siguientes conceptos: Calor útil producido en una planta de cogeneración Electricidad de cogeneración Combustible de una planta de cogeneración Ahorro de energía primaria - 6 -7 A lo largo del documento se describen las distintas posibles situaciones y la forma de cálculo de los parámetros objeto de la Guía. Del mismo modo se indican los principios que en todo momento se tienen en cuenta en el cálculo de dichos parámetros. Como complemento a lo indicado, también se incluye una sección dedicada a los puntos en los cuales es necesario realizar las mediciones en planta para el cálculo de parámetros de interés. Por último, se incluyen cinco anexos con el siguiente contenido: Metodología de corrección de los valores de referencia para la producción separada de calor y electricidad Nomenclatura de parámetros empleados y diagramas de flujo Metodología de cálculo del factor β Ficha técnica resumen del cálculo del rendimiento eléctrico equivalente Ficha técnica resumen del cálculo de la electricidad de cogeneración y el ahorro porcentual de energía primaria El segundo anexo es de especial interés al contener un listado de todas las expresiones de parámetros contenidas en esta Guía, ya que la misma contiene un número importante de conceptos y definiciones relativamente complejos8 2. EL AHORRO DE ENERGÍA PRIMARIA COMO PRINCIPIO FUNDAMENTAL El objetivo final de la cogeneración y de las diferentes políticas energéticas en España y en Europa es el ahorro de energía primaria. Esta Guía considera como principios básicos los siguientes: 1. Toda planta que ahorre energía primaria a partir de cierta cuantía es beneficiosa para el sistema eléctrico y debería tener acceso a los beneficios que permite la Directiva Europea y el RD 661/2007 [2] 2. El ahorro de energía primaria por las plantas de cogeneración se obtiene gracias a la generación de energía eléctrica, y dicho ahorro se otorga en su totalidad a dicha energía producida 3. Para obtener dicho ahorro en la generación de energía eléctrica, las plantas de cogeneración deben aprovechar el calor que inevitablemente se produce 4. Los tres parámetros que definen un sistema de cogeneración son el combustible utilizado, la energía eléctrica generada, y el calor producido. Los dos primeros suelen ser objetos de contratos de compraventa entre entidades diferentes y son fáciles de medir, no prestándose a equívocos y siendo fácil asegurar su origen y uso (de cogeneración o no). Por el contrario, el valor del calor es de medición o evaluación más compleja, y por este motivo se ha realizado esta Guía, al ser este valor el más determinante para asegurar los objetivos definidos El objetivo de todos los procesos de cogeneración es ahorrar combustible y, en consecuencia, emisiones de gases de efectos nocivos. Si bien, en general, todas las plantas de cogeneración bien diseñadas aportan estos ahorros, su capacidad de ahorrar puede ser muy diferente en función de su tamaño y sobre todo de lo ajustado de su diseño a la demanda de calor. Por ello, la legislación suele fijar índices de eficiencia en lugar de ahorros en valor absoluto para evaluar la calidad del diseño de una planta de cogeneración. Los índices más utilizados son los siguientes: Rendimiento global (η), que expresa una relación entre la producción conjunta de energía eléctrica y calor respecto al combustible empelado para ello. Es un valor intrínseco y no comparativo de una planta de cogeneración Rendimiento Eléctrico Equivalente (REE), es el rendimiento eléctrico comparable con una planta de sólo generación de energía eléctrica, descontando del combustible consumido el necesario para producir por sistemas convencionales el calor. Este índice permite comparar la eficiencia eléctrica de una planta de cogeneración con el rendimiento eléctrico o global de una planta de sólo producción de energía eléctrica. Al ser un índice de cálculo fácil, es utilizado en diversos países. Sin embargo, esta comparación directa con plantas del régimen ordinario no tiene en cuenta las pérdidas evitadas en las redes de transporte y distribución, que es otro de los grandes objetivos perseguidos por la Directiva Europea y el RD 616/9 Los rendimientos eléctricos equivalentes mínimos exigidos se indican en la siguiente tabla: Tipo de combusbilte REE mínimo Combustibles líquidos en centrales con calderas 49 % Combustibles líquidos en motores térmicos 56 % Combustibles sólidos 49 % Gas natural y GLP en motores térmicos 55 % Gas natural y GLP en turbinas de gas 59 % Otras tecnologías y/o combustibles 59 % Biomasa incluida en los grupos b.6 y b.8 30 % Biomasa y/o biogás incluido en el grupo b.7 50 % El REE puede obtenerse a partir del ahorro de energía primaria (AEP), mediante la siguiente expresión: REE = E E AEP Ref E η [ecuación 1] De este modo el REE es un indicativo del ahorro de energía primaria que proporciona una cogeneración. PES (Primary Energy Savings) o ahorro porcentual de energía primaria es la relación entre el ahorro de energía primaria y la energía primaria que se hubiera consumido en generación separada de calor y electricidad. Índice de electricidad limpia (IEL). Este índice indica la proporción de la electricidad que se podría producir con el ahorro de energía primaria10 3. EL CALOR ÚTIL PRODUCIDO EN UNA PLANTA DE COGENERACIÓN La mayor parte de los centros consumidores requieren energía en forma mecánica para el accionamiento de maquinaria y en forma de calor para diferentes procesos industriales, tratamientos térmicos o para usos de calefacción y climatización de locales y residencias. Estos centros generalmente consumen electricidad para transformarla en energía mecánica y combustible para producir la energía térmica y el calor que precisan. En conjunto, se deben cumplir las siguientes condiciones básicas para que una planta de cogeneración produzca los beneficios esperados: Que el calor generado por un combustible con el objeto de producir energía eléctrica pueda aprovecharse sustituyendo a calor que debería haberse producido también utilizando combustible. Esto permite ahorrar todo o parte del combustible para producir calor Que la energía eléctrica generada en el proceso de cogeneración evite la producción de electricidad que de otro modo se generaría en centrales que también usarían combustible Que exista un sistema energético que permita que las plantas de cogeneración estén conectadas, de forma que toda la electricidad pueda aprovecharse a través de la red de distribución, evitando las pérdidas de transporte y distribución de las centrales de producción conectadas a muy alta tensión y alejadas de los centros de consumo La demanda de calor útil, definida a través de su cantidad y calidad es determinante y condiciona la ubicación, el tamaño y la configuración de la planta de cogeneración. En definitiva, la planta de cogeneración se diseña para generar energía eléctrica y simultáneamente suministrar calor a un proceso, que puede pertenecer a un tercero, o al propio tenedor de la planta. En el primer caso, existirán facturas de los valores de H 1, H 2, etc., de los calores útiles. En el caso de que los titulares sean los mismos, dichas mediciones deberán establecerse a través de contadores de calor suficientemente precisos y que puedan verificarse por terceros. El calor generado simultáneamente con la energía eléctrica, es decir, el coproducto térmico de la cogeneración, es un caudal de materia con un contenido de calor. Se podría decir que la cogeneración genera energía eléctrica y fluidos caloportadores de modo simultáneo. Estos fluidos suelen ser agua líquida y fluidos térmicos, gases de escape y vapor de agua, que son útiles al sustituir las demandas térmicas del centro consumidor en su totalidad o como complemento de la demanda térmica satisfecha con el uso de combustibles fósiles Definiciones de Calor Útil H CHP y Calor de no cogeneración H no-chp El cálculo o estimación del calor útil tiene por objetivo el cálculo del combustible evitado (considerando como energía primaria) y debe realizarse si se desconoce este valor. A tal efecto la Decisión de la Comisión de 21 de Diciembre 2006 [4] ha establecido las relaciones a aplicar, de forma armonizada en Europa, entre el calor útil medido o calculado en una instalación de cogeneración y el combustible evitado por este concepto. Deberá asimismo tenerse en cuenta que el calor puede proceder de una planta de cogeneración en la que se ha producido energía eléctrica, o bien puede proceder de un proceso no cogenerativo, partiendo de un combustible que si bien produce calor no ha producido energía eléctrica11 El calor que procede de la cogeneración (H CHP ) se define como calor útil a efectos de evaluar las plantas y el calor que procede de un combustible, se denominará como calor de no cogeneración (H no-chp ) de forma que: H = H CHP + H no CHP [ecuación 2] El calor no cogenerado (H no-chp ) es aquel que se ha producido fuera de un proceso de cogeneración, es decir que sea un calor que previamente no haya sido empleado para la producción de energía eléctrica. Este calor puede ser medido; no obstante en el caso de que no lo sea por dificultades técnicas puede ser estimado a partir del combustible empleado para su producción aplicando el valor de referencia Ref H 2 η indicado en la Decisión para cada tipo de proceso. Dentro de este apartado se consideran los siguientes usos del combustible que generan calor no cogenerado: Calor producido por una caldera convencional o un quemador auxiliar. El combustible utilizado F debe ser medido adecuadamente, de forma que permita evaluar el calor no cogenerado Postcombustión se define como el proceso de combustión complementaria aplicable a unidades de cogeneración (turbinas de gas o motores) en cuyos gases de escape se contengan proporciones suficientemente elevadas de oxígeno como para utilizarlas como comburente con combustible adicional Vapor de extracción de una caldera alimentada con combustible, antes de su uso en una turbina de vapor Vapor sobrante, no recuperable y que suele condensarse produciendo energía eléctrica y/o mecánica en una turbina de condensación Vapor o calor empleado en la propia planta de cogeneración para precalentamientos de agua de alimentación, desgasificación térmica, etc En los casos anteriores, puede determinarse el H no-chp a través de medición directa (caso del vapor de extracción) o a través de la medida del combustible utilizado en postcombustión o en calderas auxiliares y aplicando las eficiencias de referencia publicadas por la Comisión Europea. En términos generales se puede calcular: H no CHP = Fno CHP, H Ref H η [ecuación 3] El calor obtenido por estos procedimientos no se considerará de cogeneración salvo que se emplee para la producción de energía eléctrica y/o mecánica con equipos como las turbinas de contrapresión Determinación del calor útil de acuerdo al medio transmisor de calor Tanto el calor o energía térmica procedentes de una cogeneración como los procedentes de los sistemas convencionales suelen entregarse simultáneamente al proceso del consumidor en alguna de las formas que se describen a continuación. En los casos en los que el titular de la cogeneración considere que el calor útil calculado conforme a lo expuesto en los siguientes puntos , , y no se ajuste a su caso particular, éste podrá solicitar a la Administración Competente que se considere su situación. En estos casos, la cogeneración será objeto de análisis mediante una inspección por parte de la Administración Competente según lo indicado en el artículo 51 del Real Decreto 661/2007, siendo vinculantes sus resultados respecto a la determinación del calor 2 Para producción de vapor o agua caliente con gas natural, este valor es de 0,9 y para uso directo de los gases de escape, el valor es de 0,82 [4]12 útil. Los posibles costes en los que incurra la inspección serán soportados por el titular de la cogeneración que realiza la solicitud Agua líquida y fluidos térmicos. Los fluidos caloportadores (generalmente H 2 O o aceite) circulan en un circuito secundario cerrado y permiten una transferencia de calor para los usos del proceso que demanda energía térmica. El adquiriente contrata su adquisición en condiciones de recepción (entrega del cogenerador), caudal m&, temperatura T y especificación de producto, devolviéndolo sin más alteración que de temperatura T2 < T 1. La transacción se refiere al calor extraído, que es el calor utilizado (H) en este caso y que se puede calcular según la expresiones siguientes: H = m& ( h ) 1 h2 [ecuación 4] H = m& C ( T ) e 1 T2 [ecuación 5] donde h 1 y h 2 son las entalpías de salida y retorno de agua respectivamente y C e es el calor específico medio del fluido si se puede considerar suficientemente constante y significativo. En general los fluidos termoportadores se generan en calderas que usan combustibles cuando no son de cogeneración y en generadores de recuperación en las plantas de cogeneración. En alguna ocasión en plantas con motores alternativos, el agua de refrigeración de los mismos puede usarse directamente para ceder calor útil Vapor de agua Para producir vapor de agua, la unidad dispone de agua que trata convenientemente para cumplir las especificaciones técnicas requeridas por las condiciones prefijadas de presión y temperatura que requiere el proceso y se genera en calderas que usan combustible o en generadores de recuperación de los gases de escape de motores o turbinas de gas. También es usual generar el vapor a presiones y temperaturas muy superiores a las demandadas y generar energía eléctrica y/o mecánica en una turbina de vapor antes de su entrega al proceso en las condiciones requeridas. La configuración física de la cesión del vapor de agua a proceso se verifica con valores especificados de presión (P), temperatura (T) y entalpía (h). Dependiendo del proceso demandante del vapor, puede existir una corriente de retorno del vapor utilizado que ha cedido al proceso la mayor parte de su calor. Esta corriente se denomina comúnmente retorno de condensados y es usual que el agua que circula por la misma se encuentre en un estado mezcla de líquido y vapor. El vapor de agua entregado a un proceso contiene la energía térmica que se pretende utilizar en el mismo, en general a través de intercambiadores de calor en los que el vapor cede calor sensible y latente, directamente por mezcla con el medio a calentar o por inyección. En el primer caso no se aprovecha la totalidad de la energía térmica aportada, ya que los intercambiadores devuelven parte de la misma en forma de condensados de vapor, generalmente subenfriados hasta una temperatura que depende de cada proceso y del nivel térmico del fluido que se pretenda calentar. Los condensados disponen por lo tanto de cierta cantidad de energía que el usuario térmico puede aprovechar en otros procesos o devolver al cogenerador13 La existencia de la corriente de retorno de condensados en una planta de cogeneración que aporta vapor de agua supone una medida de eficiencia energética, ya que el calor contenido en dicha corriente es captada por el proceso de cogeneración en los equipos de generación de vapor, necesitándose de este modo menos combustible para el mismo aporte calórico al proceso. Por añadidura, también supone una medida de ahorro de agua de aporte, con las ventajas económicas y medioambientales que ello supone. El cálculo del calor útil en cogeneraciones que aporten vapor de agua al proceso se realizará en base a la metodología indicada a continuación. Cogeneraciones en las cuales el vapor de agua se incorpora al producto elaborado en el proceso En estos casos no es posible canalizar una corriente de retorno de condensados hasta la cogeneración, con lo que el calor útil únicamente consistirá en el calor de la corriente de vapor entregado a proceso. Su cálculo a todos los efectos se realizará de acuerdo a la siguiente expresión: H = m& h m& h [ecuación 6] V V A A donde: m& V caudal de vapor entregado a proceso m& A caudal de la corriente de agua de aporte a la cogeneración h V entalpía específica del vapor entregado a proceso h A entalpía del agua en estado líquido a 15 C y presión atmosférica (15 kcal/kg ó 63 kj/kg) Cogeneraciones en las cuales el vapor de agua NO se incorpora al producto elaborado en el proceso En estos casos el cálculo del calor útil se realizará de la siguiente forma: A. Si el proceso demandante de calor SI retorna condensados en una cuantía mínima del 70% respecto del vapor entregado a dicho proceso, o bien si el producto de la entalpía del condensado que retorna por el porcentaje del caudal de retorno de condensados respecto al vapor entregado, dividido por 100, resulta igual o superior a 75,5 kcal/kg (316 kj/kg), el calor útil se obtendrá de acuerdo a la siguiente expresión: H = m& h m& h m& h [ecuación 7] V V C C A A donde: m& V caudal medido del vapor entregado a proceso m& C caudal medido de la corriente de retorno de condensados a los equipos de cogeneración m& A caudal de la corriente de agua de aporte a la cogeneración h V entalpía del vapor entregado a proceso obtenida a partir de mediciones h C entalpía del retorno de condensados obtenida a partir de mediciones h A entalpía del agua en estado líquido a 15 C y presión atmosférica (15 kcal/kg ó 63 kj/kg)14 B. En el resto de los casos no contemplados en el anterior punto A el calor útil se obtendrá de acuerdo a la siguiente expresión: H = m& ( h h ) 0 [ecuación 8] V V donde: m& V caudal medido del vapor entregado a proceso h V entalpía del vapor entregado obtenida a partir de mediciones h 0 entalpía del agua en estado líquido a 80 C y presión atmosférica (80 kcal/kg ó 334,9 kj/kg) De forma excepcional, las cogeneraciones inscritas en el Registro administrativo de instalaciones de producción en régimen especial ANTES de la entrada en vigor del RD 661/2007 podrán realizar el cálculo del calor útil únicamente a efectos de la comprobación del cumplimiento del REE mínimo para su permanencia en el Régimen Especial de acuerdo a la ecuación 7 del punto A independientemente de la cuantía de retorno de condensados. Para el cálculo del calor útil a efectos de obtención del complemento por eficiencia y todo lo relativo a garantías de origen y electricidad de cogeneración, en todo caso se aplicará lo indicado en los puntos A y B. En las cogeneraciones en las cuales sólo una parte del vapor producido se incorpore al producto, el calor útil se calculará como la suma de los obtenidos de la corriente de vapor que se incorpora a producto, y de la corriente de vapor que NO se incorpora al producto, aplicando la metodología que le corresponda a cada situación conforme a lo expuesto anteriormente Gases calientes En muchos casos, el calor generado por la planta de cogeneración es el contenido en los gases de escape del motor o la turbina, que pueden aprovecharse directamente en el proceso o a través de un intercambiador que garantice la ausencia de contaminantes. En el primer caso, el producto entregado por la planta de cogeneración consiste en un caudal de gases de composición prefijada, a temperatura especificada y presión aproximadamente atmosférica. Se requiere una determinada sobrepresión para asegurar su circulación, las pérdidas de carga de su paso por los aparatos previstos y la expulsión a la atmósfera. El contenido térmico de los gases entregados se refiere al calor sensible de los mismos a la entrada del proceso, ya que no se prevén cambios de estado en el mismo y el calor utilizado es la diferencia de calores sensibles entre la entrada y salida del proceso. El calor útil es, en este caso, el contenido de calor sensible en los gases entregados menos el que contendrán éstos en su evacuación a la atmósfera. El calor útil (H) puede calcularse en este caso como sigue: H = m& ( h ) 1 h2 [ecuación 9] donde m& es la cantidad de gases correspondiente al período de control considerado, h1 es la entalpía del gas de entrada a los equipos de secado, y h 2 es la entalpía de salida del gas15 de los equipos de secado 3. Siempre que se disponga de datos de caudal fiables suministrados por el fabricante de los equipos que entregan estos gases calientes se emplearán dichos datos; por otra parte también es posible calcular el caudal a partir de mediciones de equipos. La utilización de gases calientes como medio de transferencia térmica tiene su máxima aplicación a procesos de secado de forma que los gases evaporan el agua contenida en el producto y la incorporan a los gases en forma de calor latente. Alternativamente puede calcularse el calor útil sumando al calor latente del agua evaporada el incremento del calor sensible del agua total más el incremento de calor sensible del producto secado, ambos incrementos desde la temperatura del producto húmedo a la entrada al secadero hasta la temperatura final del producto seco. En casos específicos, tales como en el secado de purines y en el secado de lodos, se conviene que el calor, únicamente a efectos de cálculo del REE para comparar el valor de dicho rendimiento con los exigidos por el Anexo I del RD 661/2007, puede calcularse tal como se indica en la Disposición Transitoria segunda del RD 661/2007 [1], asignando los valores allí indicados por unidad de materia alimentada en las condiciones definidas: El calor del proceso de secado de los purines es de 825 kcal/kg equivalente de purines de cerdo del 95% de humedad El calor del secado de lodos derivados de la producción de aceite de oliva es de 724 kcal/kg o 740 kcal/kg para el resto de lodos, equivalente de lodo del 70% de humedad, no admitiéndose lodos para secado superior al 70% Las plantas de secado de purines y secado de lodos, al no producir energía térmica que pueda considerarse útil, no perciben retribución por complemento de mayor eficiencia, por lo que en ningún caso se podrá aplicar lo expuesto para el cálculo de dicho complemento Refrigeración El Anexo I del RD 661/2007 [1] establece que en el caso de que la demanda sea de refrigeración la energía térmica útil correspondiente tomará el mismo valor que la demanda de refrigeración final que satisfaga la cogeneración. Esta indicación ha de entenderse únicamente aplicable al caso de climatización de edificios. La metodología para la obtención del calor útil cuando el calor producido por una cogeneración se emplea en la producción de frío mediante máquinas de absorción se indica a continuación: 3 Esta ecuación puede expresarse en función del calor específico de los gases y sus temperaturas, pudiéndose aplicar la siguiente ecuación que relaciona el calor específico de un gas con gran proporción de aire con su temperatura (expresión válida entre 0 C y 1500 C): [ C ] T 6 = 0, ,1 T Pm 0 10 donde C Pm viene expresado en kj/(kg C) y T se introduce en C. Así, aplicada esta expresión, la ecuación del calor útil sería la siguiente: H = m& 6 6 [( 0, ,1 10 T ) T (0, ,1 10 T ) T ] 1 1 Siendo T 1 y T 2 las temperaturas de entrada y salida de los gases del secadero. Coeficientes extraídos de H.D. Baehr et al. [8]16 A. En el caso que la generación de frío se realice a un nivel de temperatura superior a 0 C el calor útil corresponderá a la demanda de refrigeración final. B. En el caso que la generación de frío se realice a un nivel de temperatura inferior a 0 C el calor útil corresponderá a todo el calor consumido por las máquinas de absorción, siempre que la temperatura de dicho calor consumido sea inferior a 180 C De forma excepcional, las cogeneraciones inscritas en el Registro administrativo de instalaciones de producción en régimen especial ANTES de la entrada en vigor del RD 661/2007 podrán considerar como calor útil únicamente a efectos de la comprobación del cumplimiento del REE mínimo para su permanencia en el Régimen Especial a todo aquel consumido por las máquinas de absorción, independientemente de la temperatura de dicho calor y de la temperatura frío producido. Para el cálculo del calor útil a efectos de obtención del complemento por eficiencia y todo lo relativo a garantías de origen y electricidad de cogeneración, en todo caso se aplicará lo indicado en los puntos A y B Consideración del proceso demandante de energía térmica en el cálculo del calor útil Un sistema de cogeneración se haya estrechamente ligado al proceso al cual suministra energía hasta el punto que no es posible obtener y validar el calor útil que la cogeneración aporta sin realizar un análisis del proceso demandante de calor. Lo indicado en el párrafo anterior se basa en la definición de energía térmica útil indicada en el RD 661/2007 y el RD 616/2007 la cual se transcribe a continuación: Se entiende por energía térmica útil la producida por un proceso de cogeneración para satisfacer, sin superarla, una demanda económicamente justificable de calor y/o refrigeración y, por tanto, que sería satisfecha en condiciones de mercado mediante otros procesos, de no recurrirse a la cogeneración. De este modo, de forma adicional a la obtención del valor de calor útil de acuerdo a lo descrito, es necesaria la realización de un análisis sobre el destino de dicho calor útil (análisis de proceso). Este estudio se centrará en los siguientes puntos: 1. Justificación económica del calor entregado. En ningún caso se considerará útil a aquella energía térmica que se destine a usos que no se realizarían mediante equipos de suministro de calor diferentes a la cogeneración. En los casos donde se dude de la existencia del calor en condiciones de mercado con equipos diferentes a la cogeneración se realizará un estudio económico sobre la rentabilidad y/o necesidad de aportar dicho calor sin cogeneración. Cuando todo o parte del calor procedente de una cogeneración se destine a usos no económicamente justificables es obligado detraer dicha cantidad de calor al total producido para obtener el calor útil. Este último será el que se utilice para el cálculo de los índices de eficiencia indicados en el RD 661/2007 y RD 616/ Sumideros de calor. En línea con las ideas anteriores, el calor entregado a proceso que no se utilice, vertiéndolo, por ejemplo, directamente a la atmósfera nunca tendrá la consideración de útil, siendo obligado detraerlo del aportado por la cogeneración para obtener el calor útil. Este análisis pretende evaluar el uso pleno del calor, no entrando en consideraciones de eficiencia energética u optimización energética del proceso demandante de calor. En esta Guía no se incluye una descripción de los distintos procesos demandantes de calor útil por lo prolijo y extenso que supone; sin embargo la entidad que realice una certificación de calor útil, electricidad de cogeneración e índices de eficiencia ha de realizar un análisis del proceso de acuerdo a los principios indicados en este punto. En el caso de plantas de secado de purines y secado de lodos, la energía térmica generada por la cogeneración no puede considerarse como calor económicamente justificable, ya que17 en ausencia de cogeneración los purines y lodos no se someterían a un proceso de secado con calor procedente de combustible El calor útil en la evaluación de los parámetros de eficiencia y la electricidad de cogeneración El calor útil es una magnitud empleada en el cálculo de, entre otros, los siguientes índices de eficiencia y parámetros: Rendimiento eléctrico equivalente (REE) Ahorro de energía primaria (AEP) Ahorro porcentual de energía primaria (PES) Rendimiento global y rendimientos térmicos Electricidad de cogeneración (E CHP ) De acuerdo a la normativa vigente, el calor útil para el cálculo de las magnitudes indicadas no se aplica sobre los mismos equipos dependiendo del parámetro que se esté calculando. De este modo: Cálculo de REE. El calor útil se calculará sobre equipos que generan calor de cogeneración y dispositivos de postcombustión. De este modo se excluyen dispositivos tales como calderas convencionales, quemadores auxiliares, calderas con extracción de vapor antes de su uso en turbinas de vapor, vapor sobrante, calor para precalentamientos de agua de alimentación, etc. Cálculo de electricidad de cogeneración (E CHP ) y PES. El calor útil únicamente se referirá a dispositivos en los que de forma simultánea a la generación de dicho calor se genera energía eléctrica, excluyéndose todo aquel generado por otros dispositivos (postcombustión, calderas auxiliares, etc). De esta forma este calor corresponde al calor de cogeneración (H CHP ) De acuerdo a lo anterior, la ecuación que se utilizará para el cálculo del REE es la siguiente: donde: E F CC E REE = [ecuación 10] HCHP + H FCC + Fno CHP, H postcombustión Ref F no-chp,h postcombustión H CHP H no-chp postcombustión Ref H η no CHP postcombustión H η energía eléctrica generada por la planta de cogeneración combustible consumido por la cogeneración combustible consumido por dispositivos de postcombustión calor útil producido por la cogeneración calor producido por dispositivos de postcombustión valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor Nótese que esta Guía emplea notación de parámetros de acuerdo a la Directiva 2004/8/CE; de este modo para expresar el combustible y el calor se utiliza F y H respectivamente, en lugar de Q y V que se emplea en el RD 661/18 3.5. El valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor (Ref H η ) en los parámetros de eficiencia El valor de referencia de la eficiencia para la producción separada de calor (Ref H η ) es utilizado para el cálculo de índices de eficiencia asociados a procesos de cogeneración (REE, AEP, PES). En el RD 661/2007 se indica que los valores a emplear para la introducción del Ref H η en el cálculo del REE son los publicados por la Decisión de la UE de 21 de diciembre de 2006, en la cual se incluye una tabla por tipo de combustible y tipo de transferencia del calor al proceso. Del mismo modo los valores de la mencionada tabla son empleados en todos los parámetros definidos en el RD 616/2007. De acuerdo a lo anterior, el valor de Ref H η que se utilizará corresponderá al indicado en la Decisión de la UE de 21 de diciembre de En ningún caso se aplicarán disminuciones de los valores de Ref H η, debiéndose siempre aplicarse tal y como figuran en la tabla de la citada Decisión Información técnica para la certificación del rendimiento eléctrico equivalente (REE) En los documentos cuyo propósito sea la determinación y/o certificación del REE para su comunicación a efectos del cumplimiento de lo exigido en el RD 661/2007 será necesario incluir en el mismo lo siguiente: Ficha técnica resumen que se detalla en el anexo 4 de esta Guía, cumplimentada de acuerdo a las indicaciones e instrucciones que igualmente se indican en el anexo Descripción detallada del cálculo del calor útil19 4. LA ELECTRICIDAD DE COGENERACIÓN Una planta de cogeneración tiene como objetivo último la generación de energía eléctrica con alta eficiencia gracias al aprovechamiento del calor que genera. Sin embargo, esta misma planta puede generar electricidad sin aprovechar el calor, o con un aprovechamiento insuficiente del mismo. Es evidente que este fenómeno ocurre puntualmente en prácticamente todas las plantas de cogeneración y, en términos generales, la electricidad generada (E) podrá dividirse en dos clases: una que podemos denominar E CHP o electricidad de cogeneración, y otra E no-chp que no puede considerarse de cogeneración al no aportar los beneficios que deben atribuirse a la electricidad producida en cogeneración. Esta discriminación procede originalmente de las plantas de calefacción de distrito que generan electricidad mediante un ciclo clásico con turbina de vapor, y aportan calor útil a las redes de calefacción de distrito. Cuando esta demanda de calor es baja o nula, todo el vapor generado se emplea en la producción de electricidad en la turbina de condensación. Esta electricidad de condensación evidentemente no puede considerarse de cogeneración. También las plantas de cogeneración industriales pueden producir electricidad de condensación o de no cogeneración, con independencia de un proceso durante ciertos períodos en los que no hay demanda térmica suficiente y, por razones operacionales, no es conveniente parar la planta de cogeneración (roturas de la lámina en una fábrica de papel, cambios del producto que obligan a parar la producción, etc.). Como resumen de esta introducción, se desprende la necesidad, en algunos casos, de analizar si toda la electricidad generada por una planta es de cogeneración, o solo una parte de la misma puede considerarse que cumple con los requisitos mínimos. A esta electricidad se le otorgan los derechos establecidos en la Legislación vigente para la electricidad de cogeneración y de alta eficiencia (definidas en el RD 616/2007 [2]). En este apartado se explicará más detenidamente la metodología de cálculo de la parte de la electricidad cogenerada que cumple con unos requisitos prefijados. Esta electricidad se puede expresar genéricamente como el producto de un parámetro C i por el calor cogenerado H: E = C H [ecuación 11] i 4.1. La electricidad de cogeneración como base de las garantías de origen De acuerdo al Anexo III de la Directiva Europea [3], una planta de cogeneración que posea un PES 10% se considerará de alta eficiencia. Por otra parte dicha Directiva define el concepto de electricidad de cogeneración (E CHP ) como aquella generada en un proceso relacionado con la producción de calor útil y calculada de acuerdo al Anexo II de la citada Directiva. Siguiendo el razonamiento que realiza la Directiva, en cogeneraciones de alta eficiencia la E CHP es la cantidad de electricidad de cogeneración de alta eficiencia. También en la Directiva se introduce el concepto de garantía de origen de la electricidad de cogeneración de alta eficiencia, como una certificación de la cantidad de electricidad de cogeneración E CHP únicamente para las cogeneraciones de alta eficiencia. De este modo, la E CHP es la base cuantitativa de dichas garantías de origen20 4.2. Cálculo de la electricidad de cogeneración E CHP El Anexo II de la Directiva 2004/8/CE [3] así como el Anexo II del RD 616/2007 [2] establece que la electricidad de cogeneración se considera igual a la producción de electricidad total en el período considerado en el punto de conexión de los generadores (E CHP = E) si se cumple lo siguiente: La eficiencia global del período η es mayor o igual de 75 % para turbinas de vapor de contrapresión, turbinas de gas con recuperación de calor, motores de combustión interna, microturbinas, motores Stirling y pilas de combustible La eficiencia global del período η es mayor o igual de 80 % para turbinas de gas en ciclo combinado y turbinas de vapor a condensación En los casos en que la eficiencia global de la planta sea inferior al valor umbral mencionado, la electricidad de cogeneración se obtendrá mediante la expresión: E CHP = H C [ecuación 12] CHP donde C es la relación entre electricidad y calor funcionando en modo de cogeneración total y H CHP es la cantidad de calor útil procedente de la cogeneración. El modo de cogeneración total no está suficientemente definido en la Directiva 2004/8/CE [3] ni en el RD 616/2007 [2], por lo que se presta a interpretaciones. No obstante, en el borrador más reciente de la Guía de la Directiva [5] editada con fecha marzo de 2007 se procura clarificar este punto Modo de cogeneración total El cálculo de la C a que se refiere el Anexo II de la Directiva 2004/8/EC [3], especifica que esta variable es la relación de la electricidad y del calor útil de una planta, cuando se funciona en modo de cogeneración total, utilizando datos operativos de la unidad concreta. La definición del modo cogeneración total se ilustra en el borrador más reciente de la Guía para la implementación de la Directiva que está siendo desarrollada por la Comisión Europea. En efecto, en este documento se indica en su sección 3.2 que el modo cogeneración total sucede cuando la cogeneración opera con máxima recuperación de calor. Esto significa que del sistema de cogeneración se extrae todo el calor sin sumideros de calor aprovechable (como por ejemplo equipos de by-pass abiertos que desvían todo o parte del calor procedente de la cogeneración). Por otra parte, también el borrador más reciente de la Guía para la implementación de la Directiva establece que las nuevas plantas deben ser diseñadas de forma óptima para el calor útil que satisfagan, con lo que es obligado diseñar y utilizar en toda planta de nueva implantación equipos de máxima eficiencia energética. También para las nuevas plantas es obligatoria la instalación de instrumentación para obtener el parámetro C en las situaciones de cogeneración total Determinación del parámetro C El borrador de las Guías para la Implementación de la Directiva [5] de Marzo 2007 indica que el parámetro C ha de calcularse de acuerdo a datos con el siguiente orden de preferencia: 1. Valores medidos en modo de cogeneración total. 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