UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO PROGRAMA DE MAESTRIA Y DOCTORADO EN INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA DESARROLLO METODOLOGICO PARA EL ANALISIS DE LA VIABILIDAD DE UN PROYECTO DE MICROGENERACION T E S I S QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: MAESTRO EN INGENIERIA ENERGIA PROCESOS Y USO EFICIENTE DE LA ENERGIA P R E S E N T A : IVAN VERA ROMERO TUTOR: ING. AUGUSTO SANCHEZ CIFUENTES 2011 2 JURADO ASIGNADO Presidente: Dr. Cervantes De Gortari Jaime Secretario: Ing. Snchez Cifuentes Augusto Vocal: Ing. Buenda Domnguez Eduardo H. 1er. Suplente: Dr. Reinking Cejudo Arturo Guillermo 2do. Suplente: Dr. Leon de los Santos Gabriel Lugar donde se realiz la tesis: Facultad de Ingeniera de la UNAM Ciudad Universitaria TUTOR DE TESIS: ING. AUGUSTO SANCHEZ CIFUENTES ________________________________ 3 Agradecimientos A mi Madre Por siempre apoyarme en todo momento. Por ensearme a no rendirme an cuando nosevealaluzdelda.Graciaspor sembrar esa lucecita en mi corazn. A mi Padre + Graciasporloquemeenseasteyporque siempre creste en mi. A mis Hermanos Porquesiempremehanapoyadode algunauotraforma.Graciasporque siempre han sido mis hermanos. A mi amigo Francisco Portuapoyoyayudaenlosmementos difciles.A Ana Kin y su Familia Graciasporapoyarmeendarelltimo empujn, jams lo olvidar. A Ericka y su Familia Porquesiemprehanestadoah,lejos,pero siemprealpendientedetodosmispasos. Muchas gracias por su amistad. A mis compaeros de generacin, con los queconvivmomentosinolvidables: Silvi,Tere,Domi,Ovando,Fer,Patio, ngel, Jess QuieroagradecerenespecialalaUNAM, lacualesunainstitucinexcepcionalque me abri las puertas para formar parte de su legado. AlConsejoNacionaldeCienciay Tecnologa (CONACyT), por la beca que me otorg. Al Dr. Javier E. Aguilln Martnez Por su apoyo brindado en un momento que ms lo necesite. ALING.AUGSUTOSNCHEZ CIFUENTES. Porquesiempremeapoyymeayuda quepudieraterminarestetrabajo.Porsu excelentecalidadhumanayporserun excelente profesor e inspiracin. YAtodosaquellosqueconvivieron conmigoesosmomentosdedicha, frustracin,alegra,pesaryquesiempre me vieron con buenos ojos. INDICE LISTA DE TABLAS ........................................................................................................................................ 6 LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................................... 7 RESUMEN........................................................................................................................................................ 9 I INTRODUCIN.......................................................................................................................................... 10 I.1.NECESIDADES ENERGTICAS.......................................................................................................... 11 I.2.COMBUSTIBLES.............................................................................................................................. 13 I.3.PROBLEMTICA TECNOLGICA...................................................................................................... 18 I.3.1.Disponibilidad tecnolgica....................................................................................................... 18 I.4.LA COGENERACIN COMO UNA ALTERNATIVA DE AHORRO DE ENERGA ....................................... 19 I.4.1.Motores trmicos ms usados en la cogeneracin ................................................................... 20 I.4.2.Clasificacin de la cogeneracin ............................................................................................. 22 I.4.3.Clasificacin por el tipo de aplicacin..................................................................................... 23 I.4.4.Caractersticas de los combustibles empleados para la generacin elctrica y trmica ......... 24 I.5.LEY DEL SERVICIO PBLICO DE ENERGA ELCTRICA ................................................................... 25 II ALTERNATIVAS DE SOLUCIONES TECNOLGICAS ................................................................... 31 II.1.TIPOS DE MICROGENERACIN Y COSTOS......................................................................................... 31 II.1.1.Microgeneracin con microturbina de gas.......................................................................... 32 II.1.2.Ventajas y desventajas de las microturbinas de gas............................................................ 34 II.1.3.Comparacin con otras turbinas ......................................................................................... 35 II.1.4.Comparacin con motores reciprocantes ............................................................................ 35 II.1.5.Combustibles para la microgeneracin............................................................................... 36 II.1.6.Microturbina accionada con Biogas.................................................................................... 38 II.1.7.Anlisis de una microturbina............................................................................................... 38 II.1.8.Simulador microturbina MTG ............................................................................................. 39 II.1.9.Puntos generales.................................................................................................................. 39 II.1.10.Puntos desglosados del anlisis en el simulador MTG........................................................ 40 II.1.11.Validacin del simulador MTG con gas natural.................................................................. 40 II.2.BIOGAS .......................................................................................................................................... 42 II.2.1.Caractersticas del biogas ................................................................................................... 42 II.2.2.Rendimientos de produccin de biogas ............................................................................... 43 II.2.3.Primeros usos del biogas..................................................................................................... 44 II.2.4.Ventajas y desventajas en emplear biogas........................................................................... 45 II.2.5.Enfoque favorable para proyectos de biogas en Mxico..................................................... 46 II.2.6.Evaluacin de costos por la utilizacin de biogas proveniente de una fuente de sustancias orgnicas de desperdicio........................................................................................................................ 47 II.2.7.Marco legal ante la generacin de biogas........................................................................... 48 II.3.BONOS DE CARBONO...................................................................................................................... 49 II.3.1.Gases Efecto Invernadero (GEI).......................................................................................... 49 II.3.2.Metodologa para obtener los beneficios ofrecidos por el mercado de bonos de carbono en Mxico............................................................................................................................................. 50 II.3.3.Proyectos bajo el esquema de Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL) y Reducciones Certificadas de Emisiones (RCE). .......................................................................................................... 51 II.3.4.Requisitos de los proyectos.................................................................................................. 51 III DISEO BIODIGESTOR........................................................................................................................ 55 III.1.TIPOS GENRICOS DE BIODIGESTORES............................................................................................ 55 III.2.DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES....................................................................................... 57 5 III.3.DIMENSIONAMIENTO DEL CAPTADOR DE BIOGAS ........................................................................... 59 III.4.TIPOS DE BIODIGESTORES DE TECNOLOGA BSICA........................................................................ 60 III.5.DISEO DE UN BIODIGESTOR.......................................................................................................... 61 III.5.1.Equipos requeridos .............................................................................................................. 61 III.6.PROGRAMA BIOGAS ....................................................................................................................... 63 III.6.1.Evaluacin del biogas y biodigestor.................................................................................... 64 III.6.2.Evaluacin de bonos de carbono y subvencin ................................................................... 64 IV ANLISIS EXERGOECONMICO...................................................................................................... 67 IV.1.ANLISIS DE EXERGIA.................................................................................................................... 67 IV.2.LEY DE PRDIDAS DE EXERGIA....................................................................................................... 69 IV.3.COSTO EXERGOECONMICO O TERMOECONMICO......................................................................... 70 IV.4.SOLUCIN DEL SISTEMA EXERGOECONMICO................................................................................ 71 V EVALUACIN DE LA PROBLEMTICA GENERAL....................................................................... 77 V.1.EVALUACIN GENERAL.................................................................................................................. 78 V.2.POTENCIAL DE GENERACIN DE BIOGAS POR CADA 1000 VACAS LECHERAS .................................. 79 V.3.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ESPECFICO................................................................................ 81 V.3.1.Ocho casos de solucin al problema........................................................................................ 83 V.4.ALTERNATIVA PROPUESTA............................................................................................................. 83 VI ANLISIS DEL PROBLEMA ESPECFICO Y SOLUCIN............................................................. 86 VI.1.ANLISIS GENERAL DE COSTOS ...................................................................................................... 86 VI.1.1.Costo de biodigestores......................................................................................................... 87 VI.1.2.Cotizacin del biodigestor ................................................................................................... 88 VI.1.3.Estimacin del costo del biofertilizante............................................................................... 88 VI.1.4.Costo microturbina, mantenimiento y mano de obra........................................................... 89 VI.1.5.Evaluacin del costo del gas natural................................................................................... 90 VI.1.6.Costos de energa elctrica.................................................................................................. 91 VI.2.ANLISIS DE BIOGAS ...................................................................................................................... 93 VI.2.1.Nuevas condiciones a analizar ............................................................................................ 95 VI.2.2.Evaluacin econmica equivalente del biogas .................................................................... 96 VI.3.ANLISIS DE MICROGENERACIN................................................................................................. 102 VI.4.ANLISIS DEL SISTEMA DE MICROGENERACIN ........................................................................... 103 VI.5.ANLISIS DEL COSTO DE ENERGA ELCTRICA CON GAS NATURAL............................................... 123 VI.5.1.Escenario 1, gas natural .................................................................................................... 123 VI.6.ANLISIS DE ENERGA ELCTRICA CON BIOGAS............................................................................ 128 VI.6.1.Escenario 2, biogas............................................................................................................ 128 VI.7.ASPECTOS CONSIDERADOS EN CADA CASO................................................................................... 130 VI.8.SOBRANTES DE BIOGAS ................................................................................................................ 134 VI.9.ANLISIS DE LA MISMA INSTALACIN SIN APOYO DE LOS DUEOS............................................... 135 VII ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS................................................................................. 136 VIII CONCLUSIONES................................................................................................................................ 138 RECOMENDACIONES.............................................................................................................................. 140 CONTRIBUCIONES DE ESTE TRABAJO.............................................................................................. 143 REFERENCIAS ........................................................................................................................................... 144 ANEXO I....................................................................................................................................................... 147 ANEXO II ..................................................................................................................................................... 161 6 Lista de Tablas Tabla 1. Crecimiento esperado del consumo de energa. Fuente: SENER....................................................... 14 Tabla 2. Importaciones de gas natural. Fuente: Prospectiva de Gas Natural 1998-2008.................................. 17 Tabla 3. Tipos de Energa................................................................................................................................. 19 Tabla 4. Caractersticas bsicas de motores trmicos....................................................................................... 21 Tabla 5. Rangos para seleccionar tecnologa de cogeneracin......................................................................... 22 Tabla 6. Comparativa de Eficiencias entre turbinas de gas de diferentes escalas............................................. 22 Tabla 7. Emisiones de una microturbina modelo 330 de la empresa Capstone. ............................................... 34 Tabla 8. Comparacin de las emisiones (ppm@15%O2) de una microturbina con turbinas industriales. Combustible: Gas natural. ................................................................................................................................ 35 Tabla 9. Comparacin de las emisiones (ppm@15%O2) de una microturbina con mquinas reciprocantes.... 35 Tabla 10. Equivalencia de Biogas hacia otros energticos. Adaptacin del trabajo de Botero y Preston (1986)........................................................................................................................................................................... 43 Tabla 11. Rendimientos del biogas................................................................................................................... 43 Tabla 12. Rendimientos de produccin de biogas con diferentes Temperaturas vs. Tiempos de retencin. .... 44 Tabla 13. Contaminacin equivalente. Fuente SENER. ................................................................................... 49 Tabla 14. Mercado de bonos de carbono. Fuente Reforma, 2009. ................................................................... 54 Tabla 15. Composicin del biogas. Fuente: Biodigestor de bajo costo para la produccin de combustible y fertilizante a partir de excretas (Botero y Preston, 1987). ................................................................................ 55 Tabla 16. Generadores de estircol................................................................................................................... 61 Tabla 17. Temperaturas de inflamacin Diesel vs. Biogas............................................................................... 63 Tabla 18. Concentracin de metano en el biogas de acuerdo a las distintas fuentes orgnicas ........................ 63 Tabla 19. Ocho casos de estudio ...................................................................................................................... 83 Tabla 20. Cotizacin realizada en Marzo del 2009. ......................................................................................... 88 Tabla 21. Partidas generales estimadas. Fuente CONUEE............................................................................... 89 Tabla 22. Costo Gas Natural. Fuente: Gas Natural Mxico ............................................................................. 91 Tabla 23. Equivalencia energtica gas LP y gas natural................................................................................... 91 Tabla 24. Datos de produccin de Biogas generado por 1500kg de estircol al da......................................... 93 Tabla 25. Datos de produccin de biogas generada por 4500kg de estircol al da. ........................................ 95 Tabla 26. Dimensiones del biodigestor. ........................................................................................................... 95 Tabla 27. Cmara de captacin de biogas. ....................................................................................................... 95 Tabla 28. Tiempo de recuperacin de la inversin del biodigestor sustituyendo gas LP. .............................. 100 Tabla 29. Tiempo de recuperacin de la inversin del biodigestor sustituyendo gas LP, obteniendo beneficios del biofertilizante y bonos de carbono............................................................................................................ 100 Tabla 30. Beneficios directos e indirectos al utilizar biogas .......................................................................... 103 Tabla 31. Resultados por concepto de combustible (gas natural)................................................................... 123 Tabla 32.Costos de energa elctrica sin y con cogeneracin, y costos de calor por concepto de combustible......................................................................................................................................................................... 124 Tabla 33. Costos anuales. ............................................................................................................................... 124 Tabla 34. Tiempo de recuperacin de la inversin. Generacin de energa elctrica sin cogeneracin @ Gas Natural. ........................................................................................................................................................... 125 Tabla 35. Tiempo de recuperacin de la inversin. Generacin de energa elctrica con cogeneracin @ Gas Natural. ........................................................................................................................................................... 126 Tabla 36. Resultados por concepto de combustible (biogas).......................................................................... 129 Tabla 37. Costos de inversin, costos de insumos y beneficios anuales. ....................................................... 129 Tabla 38.Sobrantes de biogas que no se consideraron en las estimaciones. ................................................... 134 Tabla 39. Anlisis General ............................................................................................................................. 136 7 Lista de Figuras Figura 1. Capacidad de generacin de energa elctrica. Fuente: SENER ....................................................... 11 Figura 2. Combustibles utilizados para la generacin de energa elctrica de algunos pases, 2003 (petajoules). Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. ................................................................ 12 Figura 3. Combustibles utilizados para la generacin de energa elctrica de algunos pases, 2008. Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2008-2017, SENER.................................................................................... 14 Figura 4. Capacidad mundialde generacin elctrica por regin 2002-2015 Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014 (GW), SENER....................................................................................................... 15 Figura 5. Participacin de los combustibles utilizados en la generacin elctrica mundial, 2002-2015 (%). Tomada del de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. .......................................................... 16 Figura 6. Estructura del marco regulatorio del sector elctrico. Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. ......................................................................................................................................... 27 Figura 7. Estructura del marco regulatorio del sector elctrico mexicano. Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. .......................................................................................................................... 28 Figura 8. Datos de Simulacin vs. Datos tcnicos............................................................................................ 41 Figura 9. Elementos para estimar un proyecto ................................................................................................. 52 Figura 10. Pasos para registrar un Proyecto MDL y obtener CERs. Fuente: CANTORCOe. .......................... 53 Figura 11. Trabajo Mximo.............................................................................................................................. 68 Figura 12. Irreversibilidades en un sistema ...................................................................................................... 71 Figura 13. Equipos y flujos del ciclo simple .................................................................................................... 72 Figura 14. Definicin F-P-L del sistema completo........................................................................................... 72 Figura 15. Matriz F del sistema completo. ....................................................................................................... 73 Figura 16. Matriz P del sistema completo. ....................................................................................................... 73 Figura 17. Matriz L del sistema completo. ....................................................................................................... 73 Figura 18. Matriz A del sistema. ...................................................................................................................... 73 Figura 19. Ecuaciones complementarias para el anlisis de costos exergoeconmicos ................................... 75 Figura 20. Fotografas de las condiciones a un costado de la Cuenca Lechera de Tizayuca, Hidalgo. Fuente propia................................................................................................................................................................ 79 Figura 21. Potencial de generacin de biogas por cada 1000 vacas lecheras. Elaboracin propia. .................. 80 Figura 22. Potencial de Generacin de Biogas transformado en equivalencia a Gas Natural, por cada 1000 vacas lecheras. Elaboracin Propia. ................................................................................................................. 80 Figura 23. Potencial de generacin de biogas transformado en equivalencias para diferentes energticos, por cada 1000 vacas lecheras. Elaboracin propia. ................................................................................................ 81 Figura 24. Hoja tcnica Microturbina Capstone C30 Biogas. .......................................................................... 84 Figura 25. Esquema de biodigestor y microturbina con cogeneracin. ............................................................ 85 Figura 26. Flujos de biogas producido por 50 vacas lecheras. ......................................................................... 94 Figura 27. Produccin de biogas ...................................................................................................................... 98 Figura 28. Estimacin de CO2e y beneficios del biofertilizante....................................................................... 99 Figura 29. Estimacin de ahorros totales por instalar un biodigestor. .............................................................. 99 Figura 30. Tiempo de recuperacin de la inversin y tasa interna de retorno asignando un precio de venta variable al biogas sin los beneficios de la venta de fertilizante ni bonos de carbono. .................................... 101 Figura 31. Tiempo de recuperacin de la inversin y tasa interna de retorno asignando un precio de venta variable al biogas con los beneficios de venta del biofertilizante y bonos de carbono................................... 102 Figura 32. Datos tcnicos de entrada para la evaluacin del sistema de microgeneracin con Gas Natural y Biogas............................................................................................................................................................. 105 Figura 33. Evaluacin de cogeneracin para Gas Natural y Biogas............................................................... 106 Figura 34. Supuestos econmicos para gas natural. ....................................................................................... 107 Figura 35. Distribucin de costos para el anlisis exergoeconmico, para Gas Natural. ............................... 108 Figura 36. Anlisis del sistema sin cogeneracin, primera ley @ Gas natural y Biogas. ............................... 109 Figura 37. Anlisis del sistema con cogeneracin, primera ley @ Gas Natural y Biogas. ............................. 110 Figura 38. Anlisis del sistema con cogeneracin para cada uno de los flujos, exergoeconmico @ Gas Natural. ........................................................................................................................................................... 111 8 Figura 39. Anlisis del sistema con cogeneracin para cada uno de los equipos, exergoeconmico @ Gas Natural. ........................................................................................................................................................... 112 Figura 40. Vectores y balances @ Gas Natural .............................................................................................. 113 Figura 41. Consumo de energa elctrica por concepto de combustible @ Gas Natural. ............................... 114 Figura 42. Propiedades termodinmicas de los flujos @ Gas Natural y Biogas............................................. 114 Figura 43. Propiedades de los flujos y costos exergoeconmicos @ Gas Natural. ........................................ 115 Figura 44. Supuestos econmicos para Biogas............................................................................................... 116 Figura 45. Distribucin de costos para el anlisis exergoeconmico, para Biogas. ....................................... 117 Figura 46. Anlisis del sistema con cogeneracin para cada uno de los flujos, exergoeconmico @ Biogas.118 Figura 47. Anlisis del sistema con cogeneracin para cada uno de los equipos, exergoeconmico @ Biogas......................................................................................................................................................................... 119 Figura 48. Vectores y balances @ Biogas ...................................................................................................... 120 Figura 49. Consumo de energa elctrica por concepto de combustible @ Biogas. ....................................... 121 Figura 50. Propiedades de los flujos y costos exergoeconmicos @ Biogas ................................................. 122 Figura 51. Anlisis de tendencia de la rentabilidad para el proyecto de microgeneracin utilizando Gas Natural. ........................................................................................................................................................... 126 Figura 52. Beneficios econmicos de acuerdo al caso de inters. .................................................................. 131 Figura 53. Tasa Interna de Retorno para los diferentes casos propuestos. ..................................................... 132 Figura 54. Beneficios econmicos variando el costo del kWh contemplando venta de fertilizante, cogeneracin y bonos de carbono................................................................................................................... 133 Figura 55. Beneficios econmicos variando el costo del kWh contemplando cogeneracin y bonos de carbono pero no venta de biofertilizante. ..................................................................................................................... 134 Figura 56. Comportamiento cuando la construccin es sin ayuda, contemplando todos los beneficios: electricidad, agua caliente, venta biofertilizante y bonos de carbono............................................................. 135 9 RESUMEN Enelpresentetrabajo,sehizounanlisisdelaviabilidaddeinstalarunsistemade microgeneracin por medio de una microturbina de gas accionada con biogas en zonas con abundantesresiduosorgnicos,principalmenteen unagranja productorade leche de vaca. Aprovechandoelbiogasproducidoinsituparasatisfacerlasnecesidadesdeenerga elctrica y calor para diferentes procesos. Primeramente,seestudilaopcindesoloobtenerbiogassustituyendogasLPensu totalidad,posteriormente,seanalizlamicrogeneracincongasnaturalybiogas, comparandolosbeneficiosobtenidosporelusodebiogas.Paraelanlisisconbiogas,se introdujeronbeneficiosquesepuedenderivardesuuso,comoloson:energaelctrica, aguacaliente,bonosdecarbonoyventadebiofertilizante.Seanalizaronochodiferentes casosparaencontrarelmsrentablepormediodeunaevaluacintcnico-econmica, obteniendo la tasa interna de retorno y el tiempo de recuperacin de la inversin para cada caso. Paralasimulacindelamicroturbinadegas,seconstruyunprogramapararealizarun anlisis por primeray segunda ley de latermodinmica. As como para evaluarloscostos de energa elctrica y agua caliente por concepto de combustible. 10 I INTRODUCIN Con el aumento en el costo de las tecnologas para generacin elctricay la volatilidad de lospreciosdelosdiversosenergticos,esnecesariolabsquedadenuevasalternativas tecnolgicas as como la utilizacin de combustibles con costos mas estables, garantizando el suministro de stos. Al mismo tiempo, se requiere de una mayor participacin de fuentes alternativasyenergasrenovables,reduciendoladependenciadeloscombustiblesfsiles [1],combatiendoaselcambioclimtico.Porotrolado,esimportantequesecumplacon las necesidades internacionales para la mitigacin del cambio climtico como lo estipula el Protocolo deKyoto (1998) [2], el cual se encuentra dentro de la Convencin Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climtico (1992) [3]. DeacuerdoaloreportadoporlaSecretaradeEnerga[4],enMxicoel73.6%dela capacidadinstaladaparalageneracindeenergaelctricaesprovenientedetecnologas queutilizancombustiblesfsiles:gasnatural,combustleo,carbnydiesel.Mientrasque el26.4%restanteprovienedefuentesalternas,dondelashidroelctricasrepresentanun 21.7% del total instalado. Ladependenciadeloscombustiblesfsilesparalageneracindeelectricidadesmuy grande, en el caso de los miembros de la Organizacin para la Cooperacin y el Desarrollo Econmico (OCDE) es altamente marcada, como se puede apreciar en la Figura 1. Mxico ocupaellugarnmero10engeneracindeelectricidaddentrodelaOCDE,sinembargo, las fuentes alternativas figuran muy poco en su esquema. Se observa en la Figura 2, que los principalesparticipantesparalageneracindeenergaelctrica,eselcarbnyelgas natural. Elgasnatural,eslatercerafuentedeenergamsutilizadaenelplaneta,despusdel petrleoyelcarbn.Sinembargo,enMxicoseestaapostandoalautilizacindeesta fuente primaria a pesar de que existe un gran desabasto nacional y se ha tenido que recurrir a la importacin. 11 Figura 1. Capacidad de generacin de energa elctrica. Fuente: SENER I.1.Necesidades energticas Enlaactualidad,debidoalaincertidumbredelasituacinenergticaennuestropasen relacinalasreformasdelsectorelctricoylaexpectativadehacerdesteunmercado abiertoy/oliberarloscostosdelaenergaelctricadeformaquelossubsidios desaparezcan;lacogeneracinnohapodidotenerelimpulsonecesarioquerequiereel sector energtico como un bien estratgico, que brinde un beneficio inherente a la economa del pas, as como un ahorro en energa. Sinembargo,escasiinconcebibleelconsiderarquelasituacinenergticasigasiendola misma,porende,lastecnologasdeahorrodeenergaquehastaahoraseaplican parcialmenteenlaComisinFederaldeElectricidad(CFE)yelsectorindustrialtendrn que expandirse en mayor escala, de lo que hasta ahora existen; a todos aquellos puntos que cuentenconpotencialesdeahorrosdeenergaparalaproduccindeenergaelctricay/o calor. 12 Elusoindiscriminadodelosenergticosanivelmundialhadadocomoresultadola contaminacindesuelos,aire,aguayaceleradoelefectoinvernadero,siendoyaun problemagrave parael comportamientoambiental mundial, dando origena una necesidad de mejora en los sistemas, equipos empleados para la transformacin de los energticos as como tambin el uso de energticos ms limpios. Lasnecesidadesenergticasanivelmundialhansidocubiertasprincipalmenteporlos hidrocarburos, la dependencia de este energtico ha marcado el desarrollo a nivel mundial, siendo los pases desarrollados los demandantes a gran escala. Seestimaqueenunplazode25aos,lospasesendesarrolloconsumirnlamisma cantidaddeenergaqueactualmenteconsumenlospasesindustrializados.Estoltimo representaunproblemadeabastecimientodecombustiblesuficientequeademssea amigable con el ambiente. La demanda decombustibles para lageneracin deenergaelctrica esta basada encuatro principalesfuentesenergticascomosepuedeapreciarenlaFigura2.Porotrolado, Mxicoseencuentraentrelospasesconmenorexplotacindefuentesalternasparala generacin de energa elctrica, principalmente si se habla de biocombustibles. Figura 2. Combustibles utilizados para la generacin de energa elctrica de algunos pases, 2003 (petajoules). Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. 13 I.2.Combustibles El carbn, es el combustible ms empleado para la generacin de electricidad en el mundo conunaparticipacinmuyactivadel54.3%.China,EUAylaIndiasonlosprincipales consumidores de esta fuente primaria de energa, sin embargo, el alto costo de los equipos empleados(filtros)paralacapturadelosgasescontaminantesquesedespidenala atmsferarestringesuuso,dejandopocasoportunidadesdeemplearestatecnologaa pases en desarrollo. De acuerdo con la Secretaria de Energa en su Prospectiva delSector Elctrico 2008-2017 [1],elgasnaturalesuncombustiblequeenlosltimos20aoshacrecidoensu participacin en la generacin de energa elctrica, gracias a sus bondades ambientales. La presenciadeestecombustibleenpasescomoArgelia,ArgentinaeIrn,contribuyeronal desplazamiento paulatino del los petrolferos en las ltimas dos dcadas. Se estima que en pases miembros de la OCDE el empleo de los combustibles derivados del petrleo para la generacin de electricidad siga declinando. Elcrecimientodelautilizacindelgasnaturalcomofuenteprimariaparagenerarenerga elctrica enel pas, hagenerado unadependencia sensible estratgicamente hablandopara laautonomaycrecimientodelpas,contraponiendolaseguridadenergtica.EnlaFigura 3, se aprecia claramente este crecimiento en la dependencia al compararla con la Figura 2. Seestimaqueenelperiodocomprendidoentre2011y2015latendenciadelconsumode energa elctrica a nivel mundial aumente un 3.1% anual, impulsado principalmente por los pasesasiticosentransicinylatinoamericanosendesarrollonopertenecientesala OCDE. Mientras queNorteamrica tendr un crecimiento anual promedio de 1.9%, como sepuedeapreciarenlaTabla1,sinembargo,MxicoadiferenciadeEUAyCanadha crecidoaunritmodel3.9%anual.PorloqueenMxicoseguircreciendola infraestructuraelctricaylageneracindeelectricidaddurantelosprximosaosauna tasa similar. El recurso clave de EUA es y seguir siendo el carbn, para Canad su recurso principal es la hidroelectricidad. En el caso de Mxico, el 73% de la capacidad instalada corresponde a combustibles fsiles,y de estos, el 20.1% corresponden al combustleoy un 46.7% al gas natural de la generacin total de energa elctrica para el servicio pblico. Se prev que en los prximos aos la generacin de electricidad en Mxico crecer de forma ms acelerada que en Canad y EUA. 14 Figura 3. Combustibles utilizados para la generacin de energa elctrica de algunos pases, 2008. Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2008-2017, SENER. Tabla 1. Crecimiento esperado del consumo de energa. Fuente: SENER 15 Mxicocomomuchospasesdesarrolladosyenvasdedesarrollo,dependenengran medidadeunacrecientedemandadegasnatural,estegeneraunproblemamundialy principalmentenacionalpuesapesardequeMxicoesunpaspetrolero,noescapazde satisfacer la demanda total interna. Lageneracinelctricaesunadelasactividadesmsintensivasenelconsumode energticosycomosemuestraenlaFigura4,lacomparacinentrelacapacidaddelao 2002 al 2015, ser casi la misma entre los pases industrializados y los pases en desarrollo. Figura 4. Capacidad mundialde generacin elctrica por regin 2002-2015 Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014 (GW), SENER. Comosemencionanteriormente,Mxicoesunpasenvasendesarrolloquehaido incrementandoelconsumointernodegasnatural,sinembargo,estoesunatendencia mundial como se puede apreciar en la Figura 5. 16 Figura 5. Participacin de los combustibles utilizados en la generacin elctrica mundial, 2002-2015 (%). Tomada del de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. De tal manera que el consumo de gas natural va a la alza en un importante porcentaje. Si a estoseleanaelproblemadequeMxiconoesautosuficienteengasnaturalparala satisfaccindelageneracindeenergaelctrica,sedebebuscarunaovariasalternativas para satisfacer las necesidades energticas a travs de fuentes diversas. Se estima que la tasa de crecimiento de gas natural empleado en la generacin elctrica ser lasegundamsaltaenrelacinalrestodeloscombustibles.Elmotivoporelcualla tendenciamundialestacambiandoalusoeincrementodelgasnatural,sedebeavarios factores, los bajos costos de inversin de los equipos y las bondades ecolgicas en relacin a las emisiones del CO2 producido. El futuro desarrollo de Mxico hace prever que seguir siendo un combustible importante en la planeacin energtica. La prospectiva de gas natural 2009-2024 de la Secretara de Energa anuncia que se planean expansioneseninfraestructuradegasoductosaunadoaunamayorproduccindegas seco[4], sin embargo, de acuerdo a esta misma prospectiva, el panorama no es alentador, ya que el suministro no esta garantizado. De acuerdo a estos datos reportados, Mxico empez a importar gas natural licuado desde el ao 2006, sin embargo, la Secretara de Energa no coincide con este dato (Ver Tabla 2) 17 Tabla 2. Importaciones de gas natural. Fuente: Prospectiva de Gas Natural 1998-2008. Porlotanto,lademandadegasnaturalenMxicoseguirrebasandolaproduccin nacional, de tal manera que las importaciones crecern en un 133 por cierto del ao 2009 al 2024, pasando de 1,293 millones a 3,020 millones de pies cbicos al da. La oferta nacional hacrecidoenlosltimosdiezaos4.2porciento,mientrasquelademandanacionalha mantenido un crecimiento a la alza de 5.9 por ciento. Dicha tendencia se mantendr hasta el ao 2024, ya que se espera que la oferta del pas crezca a 8,668 millones de pies cbicos al da,conunatasadecrecimientomediodel2.3porciento.Mientrasquelademanda superar los 11,000 millones de pies cbicos al da, lo que implica una tasa de crecimiento medio del 2.8 por ciento. Las importaciones de gas natural registradas en 1998 significaban el 3.7 por ciento del total nacional,loque paraelao 2008 representaronun 18.6 por ciento. El crecimiento de esta demanda se origin prcticamentepor la puesta en marcha de centrales de ciclo combinado para la generacin de electricidad. Otro factor que intervino en dicho crecimiento se debi a la sustitucin moderadadel combustleo,y enmenor medida, el uso degasnatural en los sectores residencial y de servicios a travs de distribuidores. Sin embargo, en la prospectiva de gas natural 2009-2024 de la SENER; se contempla que la produccinnacionaldegasnaturalenesos15aos,seprovendrdelosdiferentes yacimientos tanto terrestres como marinos, sin embargo, no contempla los posibles cierres de yacimientos por falta de rentabilidad. Otro factor importante, es la estimacin estratgica enBurgos,elcualapartirde2015suparticipacinenlaactividaddeexplotacin comenzar a declinar, de 1,580 millones de pies cbicos al da pasar a volmenes menores de1,000millonesdepiescbicosaldahaciael2024.Otropilarfundamentalparala explotacindegasnatural,serChicontepec,llegandoarebasarlaproduccindeBurgos para el ao 2020, aportando 611 millones de pies cbicos al da en el 2024, cuando este en su punto mximo de produccin. 18 Aguasprofundas,esotropuntocontempladoenestaprospectivadegasnatural,dondese preveliniciodeproduccinconelproyectoLakanen2013,conunaproduccininicial promedio de 23 millones de pies cbicos al da; sumando proyectos como Golfo de Mxico ByGolfodeMxicoSur,queadicionarn51millonesdepiescbicosalda,paruna produccin total de 450 millones de pies cbicos al da de gasnatural proveniente de aguas profundas. Conclusin Apesardetodosestosesfuerzos,elgasnaturalnosersuficienteparacubrirlademanda nacional,aunadaalproblemadelavolatilidaddelcostodeesteenergtico,porloquese debepreveeralternativasenergticasquepuedansuplirocontribuirdealgunaforma favorable a este dficit. I.3.Problemtica tecnolgica Los principales motivos por los cuales los pases en desarrollo no han podido sobresalir en loquerespectaaundesarrolloconmayoreficienciaenergtica,aplicacindenuevas tecnologas,ascomoelusodecombustiblesmenosperjudicialesparaelambienteentre ellos los biocombustibles, se puede clasificar de la siguientes manera: Lucha contra monopolios Falta de inversin Atrasos tecnolgicos Disponibilidad de equipos Actualizacin en nuevas tecnologas Investigacin y desarrollo tecnolgico Incentivos fiscales para la aplicacin de nuevas tecnologas Material humano capacitado Por lo que ahora la bsqueda de nuevas alternativas que den una solucin a los problemas energticos, han encaminado a la mayora de los pases al desarrollo o aplicacin de nuevas frmulaspararesolverestosproblemasquepermitanestablecernuevasreformas estructuralesparaaprovecharlosavancestecnolgicosenmateriadegeneracin.Locual implicalaaltaparticipacindelainversinprivada,tantoenpotencialesaltoscomoen pequeos,y que a su vez permitan introducir una competencia en la generacin de energa elctrica. I.3.1.Disponibilidad tecnolgica Existen diferentes tipos de tecnologas para la generacin de energa elctrica, sin embargo, poseendiferenciasmarcadasencuantoasususos,eficiencias,costosydisponibilidad.Se puede empezar por mencionar las tecnologas renovables, las cuales tienen la caracterstica desertcnicasqueconsolidanlosrecursosdelanaturalezaparaconvertirlosrecursos sosteniblesenenerga.Estasincluyenlasturbinaselicas,captadoresdeenergasolar (fotovoltaicootrmico),bombasdecalordefuentestierra/aire,labiomasa,celdasde hidrgeno y las hidroelctricas. Una caracterstica fundamental de estas tecnologas, es que seconsideranlimpias,esdecir,noproducenimpactosambientalesensuuso,aunque 19 realmente no es as, puesto que el costo ambiental en su implementacin, y en ocasiones en su uso, generan cambios en los ecosistemas. Existenyatecnologasmadurasyacostoscompetitivosenelmercadoparaser aprovechadas, a pesar de ello, hasta el momento no pueden compararse con las tecnologas convencionales econmicamente hablando y muchas de ellas son intermitentes, es decir, de produccin de energa difusa. Las tecnologas estn directamente ligadas con el tipo de energa de la que provienen, esta puedeserdeenergasrenovables,energasrenovablesnoconvencionalesyenergas convencionales en general (Ver Tabla 3). Tabla 3. Tipos de Energa Energa RenovableEnergas Convencionales Energa solar directaPetrleo (Derivados) Sistema fotovoltaicoCarbn Sistema trmicoEnerga Nuclear Del viento o elicaGas Natural HidrulicaBiomasa BiomasaElectricidad Lea Bagazo de caa Fermentacin-Etanol Biometanacin-Biogas Biogas de rellenos sanitarios Geotrmica Energa potencial de la humedad y lluvia Fotosntesis Oceanos Minihidrulica Las energas renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables a escala humana. Conclusin Enalgunoscasos,comoenlautilizacindebiogas,biodiesel,bioetanol,gasdesntesis,entre otros, se pueden seguir empleando esquemas que ayudan a elevar la eficiencia global del sistema, como es el caso de la cogeneracin. I.4.La Cogeneracin como una alternativa de ahorro de energa La cogeneracin se define como la produccin secuencial de energa elctrica y/o mecnica y de energa trmica aprovechable en los procesos industriales a partir de una misma fuente deenergaprimaria.Hoydaesunaalternativacomomtododeconservacindeenerga para la industria orientadas al desarrollo sustentable. Algunasdelasenergasrenovablessonimposiblesdecogenerar,comoporejemplo:la solar, la elica, hidrulica y geotrmica, sin embargo, la utilizacin de bagazo, as como los biocombustibles,puedenseraprovechadosenprocesosdecogeneracinaligualquese hace con algunas energas convencionales. 20 Lacogeneracinnoesunprocesonuevo,suaplicacindatadelosprincipiosdelsiglo antepasado(XIX),ystasepuedeencontrarenlosingeniosazucareros,enlasplantasde papel,siderrgicas,textiles,entreotros.Sinembargo,suaplicacinnoobedeca,comolo esahora,alanecesidaddeahorrarenergasinoalpropsitodeasegurarelabastodela energaelctricaqueenesosaoserainsuficientedebidoapocaslneasdedistribucin, centrales cercanas y en su mayora no era confiable. Conforme lasredeselctricas se extendieron, subsidiando en nopocasocasiones elprecio de la electricidad, y el suministro de energa elctrica se hizo ms confiable, resultaba ms barato abastecerse de este flujo de la red pblica. As, los proyectos de cogeneracin poco a pocosefueronabandonando.Mstarde,debidoalincrementoenelcostodelaenerga elctrica,laproblemticaambientalyaldesarrollotecnolgicodelosequipos,la cogeneracinvuelveaserrentableyporellorenace,principalmente,enelmbito industrial. Porelladodeldesarrollotecnolgico,lacogeneracinrecibesuimpulsotecnolgicoms importante en los aos ochenta, cuando se inicia la aplicacin de las turbinas aeroderivadas enlageneracindeenergaelctrica,esdecir,setomanlasturbinasutilizadasenla aviacincomercialyconpequeasmodificacionesseadaptanatierrayseacoplana generadoreselctricosquelastransforman,porprimeravez,engruposturbogeneradores industriales. I.4.1.Motores trmicos ms usados en la cogeneracin Lacogeneracin comotal, se conoce como lageneracin simultneade doso ms formas de energa til en un proceso a partir de una fuente energtica primaria en comn. Existen solucionesdiversasqueabarcanelcampoampliodelasnecesidadesdelacogeneraciny existeunavariedaddeacuerdoaltamao,precioyrendimientodesistemasde cogeneracin. Los motores trmicos ms usados en la actualidad son: Sistemas de cogeneracin con turbinas de vapor. Sistemas de cogeneracin con turbinas de gas. Sistemas de cogeneracin con motores de combustin interna. 1.Turbinas de vapor en sus dos variantes principales a)Turbinasdevaporacontrapresin,enlascualeselvapordeescapetieneunapresin superioralaatmosfrica,seutilizaparaaprovecharsuenergatrmicaremanenteen procesos. No ofrece flexibilidad en el proceso, por lo que al vapor no utilizado, mientras se encuentranasumximacapacidaddegeneracinelctrica,esarrojadoalaatmsfera, reduciendo la eficiencia global del ciclo considerablemente. b)Turbinasdevapordecondensacin,enlascualessetienenextraccionesdevaporpara uso en procesos y el vapor de escape, a una presin inferior a la atmosfrica, es llevado a un condensadordondeelfluidodetrabajo,generalmenteagua,pasadelafasedevaporala fase lquida. Sin embargo, el calor cedido al ambiente en el condensador no se recupera. 21 2.Turbina de gas Consusdosvariantesdeaplicacin:enciclosimpleconrecuperadordecaloroenciclo combinado,conrecuperadordecaloryturbinadevapor.Sonsistemasflexiblesconaltas eficiencias.Enestacategora,secontemplanlasmicroturbinas,sinembargo,debidoasu tamao, las eficiencias son sensiblemente menores. 3.Motores de combustin interna (MCI) Enarreglodeciclosimpleconintercambiadoresdecaloroenciclocombinadousandoel llamado ciclo binario o ciclo Rankine de baja entalpa, donde el fluido de trabajo no es agua sino orgnico (como el pentano) para la operacin de una turbina de vapor. EnlaTabla4,sepuedeverunconcentradodelosrangosdecapacidadyalgunasdelas caractersticasmsimportantesdelosmotorestrmicosutilizadosenlossistemasde cogeneracin. Tabla 4. Caractersticas bsicas de motores trmicos CARACTERISTICAS BASICAS DE MOTORES TRMICOSEMPLEADOS EN SISTEMAS DE COGENERACIN DE ENERGAMotor de CombusinTipo de motor Interna Turbina de gas Turbina de vaporAlta Media y Baja De DeVelocidad Velocidad Contrapresin CondensacinTipos de combustible gas, diesel gas, diesel,gas, diesel Prcticamente todo tipousado gasoleo, de combustiblescombustleoEficiencia de generacin 15 a 35 30 a 40 25 a 33 25 a 30 25 a 35elctrica (%)Eficiencias posibles de Aprox. 52 Aprox. 50 Aprox. 50 Aprox. 40 Aprox. 30uso de energa trmicaEficiencia total 67 a 8750 a 90 75 a 83 65 a 70 55 a 65esperada (%) Lasturbinasdegascuentanconeficienciasaceptablesparasuconfiableaplicacinen comparacinconlosmotoresdecombustininterna,estoscuentanconunaeficiencia global menor, y solo podran ser mejor alternativa los MCI si no se empleara diesel, debido alcostodelestecombustible.Cabemencionarqueestosmotorestrmicosproporcionan calor de baja calidad, por lo que solo se emplean los gases de escape para el calentamiento de agua a bajas temperaturas. Estasalternativaspuedenserimplementadassegnlosrequerimientosdelprocesodela planta,estacaracterizacinseda,deacuerdoalaproduccindeenergas(trmicay elctrica) dada a partir de una relacin Electricidad/Calor til (E/Q), realizada en unidades coherentesyatravsdeellasepuedenobtenertresgrandesgruposdeconsumidores energticos: 1.-Centropreferentementeconsumidordeelectricidad:Grandestalleres electromecnicos, centros del sector comercial (hoteles, plazas comerciales, tiendas departamentales, etc.) y centros de servicio (universidades, vas de trnsito, etc.) 22 2.-Centropreferentementeconsumidordecalor:Fbricasdecemento,industria cermica, de vidrio, etc. 3.- Centrodeconsumoequilibrado:factorasdepastaypapel,industriaqumicay alimentara, textil y algunos centros del sector terciario como grandes hospitales. Esta relacin es de gran importancia para saber que tipo de tecnologa se puede aplicar en el sistemadecogeneracin.EnlaTabla5,sepuedenobservarlosrangosdelarelacinde Megawattstrmicos(MWt)entreMegawattselctricos(MWe)paralasdiferentes tecnologas,ademsdelapotenciaytemperaturadisponible.Estasrelacionespueden ajustarseacondicionesdeenergarequeridaenkWsiesnecesario,comoparaelcasode microturbinas. Tabla 5. Rangos para seleccionar tecnologa de cogeneracin. TIPO DE SISTEMA RELACIN MWt/MWe RANGOS DE POTENCIAS MW TEMPERATURA DISPONIBLE C

COMBUSTIBLES CON TURBINA DE VAPOR 4.4-mayores 0.75-1000 120-400 Slidos lquidos gaseosos CON TURBINA DE GAS 2.3-4.8 0.5-200 120-500 Lquidos Gaseosos CON MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA 0.6-1.2 0.00746-47.76 80-120 Lquidos Gaseosos Con procesos de generacin separados se puede llegar a eficiencias globales entre un 30% y un50%,mientrasqueconunesquemadecogeneracinsepuedenlograreficienciasentre un 45% y 70% (por primera ley), por lo que se pueden alcanzar ahorros de energa que van desdeun20%hastaun80%.Ymientrasmayorseaelpreciodeloscombustibles empleados y de la electricidad, el tiempo de amortizacin de la inversin ser mas corto. Para las microturbinas de gas, existen disminuciones en las eficiencias en comparacin con sus similares, las turbinas de gas (Ver Tabla 6). Tabla 6. Comparativa de Eficiencias entre turbinas de gas de diferentes escalas TIPO DE SISTEMA Eficiencia Elctrica / [%] Eficiencia Trmica / [%] MICROTURBINA DE GAS 24 30 45 - 50 TURBINA DE GAS 38 47 I.4.2.Clasificacin de la cogeneracin Paraqueexistaunsistemadecogeneracindeenergaelctrica(omecnica)debe realizarseapartirdeunciclotermodinmico,apartirdeunafuenteenergticaprimaria comoalgncombustiblefsilobiomasa.Lasenergas:hidrulica,solar,elicao mareomotriz no son aplicables a la cogeneracin. Laclasificacinsedadeacuerdoalaconversinyutilizacindelaenergaparaproceso, enestecasosehaconsideradoalaenergaelctricacomolapartefundamentaldelos sistemas de cogeneracin, por lo tanto las categoras se establecen de la siguiente manera. 23 1.- Sistemas de cogeneracin de ciclo superior (topping cycle) en los cuales la fuente energtica primaria se utiliza en primer lugar para generacinelctricayla energa residualesaprovechadaenformadecalorodevaporparaprocesostrmicos.La ventajadeestossistemasesmayormientrasmsbajasseanlaspresionesy temperaturas de la energa trmica requerida. 2.-Sistemasdecogeneracindecicloinferior(bottomingcycle),dondelaenerga primariaseutilizaenprocesostrmicosylaenergaresidualesutilizadaparala generacin elctrica. Loscamposdeaplicacindelaprimeracategorasonmuyampliosydiversosyporlo mismo,sonlossistemasmsutilizados.Lossistemasdecicloinferiorselimitana aplicacionesespecialescomoenlaindustriametalrgicaocementera,dondeserequiere energa trmicade alto nively la energaresidual puede ser aprovechableparageneracin de electricidad. I.4.3.Clasificacin por el tipo de aplicacin Atendiendo al tipo de aplicacin, los sistemas de cogeneracin tambin se clasifican en tres grandes grupos: a)CogeneracinparaServicioPblico,dondetantolaenergaelctricacomolatrmica, sonutilizadas para servicio pblico. Un ejemplode estegrupo lo constituyen lascentrales elctricasdegrancapacidadcuyocalorresidualseutilizaparasistemasdecalefaccin central de tipo municipal en ciudades de climas fros, o para plantas de desalacin de agua demar,oenformadevaporparaprocesos,quesevendenaindustriasyempresasde servicios. b) Cogeneracin industrial, en este caso las energas elctrica y trmica son generadas para finesdeautoabastecimiento.Sielsistemadecogeneracinseleccionadotieneuna capacidaddegeneracinelctricasuperioralademandainterna,sepuedenvenderlos excedenteselctricosalaredpblica.Laenergatrmicageneradaesutilizadapara procesos industriales, en forma de vapor o simplemente de calor (aire o gases calientes). c)CogeneracinComercialydeServicios,selesconocedeestaformaalossistemasde cogeneracincongeneracinelctricaenpequeaescalaycalorresidualconvaloresde temperaturadelordende350Comenores.Enlamayoradeestoscasos,laenerga elctrica solo sirve para autoabastecimiento total o parcial (rara vez se tienen excedentes) y laenergatrmicaseutilizaparaprecalentamientodeagua,paraproduccindevaporde bajapresinodirectamenteenformadecalor(aireogases)paraprocesosdebajonivel trmico. Una situacin interesante de esta clasificacin, sin ser limitante, es que en la cogeneracin comercial y de servicios pueden lograrse eficiencias globales mayores que en los otros dos grupos. Es esta caracterstica la que hace a estos sistemas rentables,ya que por economas deescala,lasinversionesunitarias($/kW)songeneralmentemayoresparacapacidades pequeas. 24 I.4.4.Caractersticas de los combustibles empleados para la generacin elctrica y trmica Eltipo,disponibilidadypreciodelafuenteenergticaprimaria,yaseaquesetratedeun combustible industrial, un subproducto de algn proceso interno o una fuente alterna como laenergasolarolaenergageotrmica,esunfactorpreponderanteparalaseleccindel equipo y su amortizacin. Elcarbnseraelcombustiblemasbarato,sinembargo,suaplicacinenplantasde cogeneracinnosejustificaporsualtocostodeinversinenlossistemasdetransporte, manejo de carbn, ceniza y la limpieza de los gases. Todas las plantas o sistemas deben de cumplirconlosconveniosinternacionalesencuantoalasemisionesdegases contaminantes arrojados a la atmsfera,y por lo tanto, el uso de este combustible requiere de tecnologas muy caras y poco atractivas. Elcombustleoesaltamenteutilizadoencalderasconvencionales.Sinembargosualto contenidodeazufreyvanadio,especialmenteelcombustleomexicano,lohace fuertemente corrosivo y contaminante, requiriendo de un sistema de limpieza de gases muy costosoparapodercumplirconlaleydeproteccinambientalgenerandoqueenalgunos lugares se tenga restringido su uso. El diesel es un combustible menos contaminante que el combustleo, pero sumamente caro encomparacinaotrosenergticos,porloquenicamenteeseconmicamenterentable como respaldo o en lugares donde est marginado el abastecimiento de un combustible ms econmico, por ejemplo, en comunidades de difcil acceso. El gas natural es un combustible relativamente limpio, que al emplearse con un sistema de combustinadecuadononecesitadelimpiezaespecial.Paraturbinasdegasesel combustibleidealysuusoencalderassehaextendidoms.Esnecesarioparaquesea rentable, que la planta se encuentre cerca de un gasoducto con la capacidad suficiente para el sistema de cogeneracin. Adems de que cuenta con un poder calorfico ms alto que el combustleo. Elbiogasesahoraunaalternativaparaaquellosestablecimientosolocalidadesdondese generecantidadessuficientesdedesechosorgnicos,capacesdeproducirbiogasdeun costoceroy emplearse enlos sistemas de cogeneracin.La utilizacin del biogas estar restringidaalacantidaddelosresiduosorgnicosproducidos,porloquesolosepuede echarmanodeestebiocombustibleenzonasagropecuarias,tiraderosurbanoso municipales,captadoresdedesechoshumanos,fosasspticasodrenajesprofundos,entre otros. Conclusin Lacogeneracinesunsistemaquedebeseguiremplendoseyexpandindoseparalograr altosrendimientosengeneracindeenergaelctricaycalor.Porotrolado,esimportante tenerencuenta,queexistensistemasdecogeneracinquepuedenproducirexcedentesde energa elctrica y que stos, pueden ser vendidos a la red pblica. Para lo cual, se requiere 25 saberlasdisposicionesgubernamentalesalrespecto,comoloes,laLeydelServicio Pblico de Energa Elctrica y lo que se deriva de ella [5] [6]. Para este trabajo en especial, serequieresaberlasdisposicionesoficialesreferentesalacogeneracin,ventadeenerga elctrica y lo referente a la utilizacin de energas renovables. I.5.Ley del Servicio Pblico de Energa Elctrica Constitucin Poltica de los Estados Unidos Mexicanos El Artculo 27 de la Constitucin Poltica de los Estados Unidos Mexicanos establece que: Correspondeexclusivamentealanacingenerar,conducir,transformar,distribuiry abastecerenergaelctricaquetengaporobjetolaprestacindeserviciopblico.Enesta materia no se otorgarn concesiones a los particulares y la nacin aprovechar los bienes y recursos naturales que se requieran para dichos fines. Dentrodelcontextoeconmicomundialquesehavividoenlosltimosaos,Mxicoha tenidoquevenirmodernizandoelmarcolegal,econmicoydeinversindelsector elctricoparapermitirunacadavezmayorparticipacindelsectorprivado.Estoha ocurridoprimeramenteenlageneracindeenergaelctrica,dondehansurgidolas siguientes modificaciones [7]: Modificaciones a la Ley del Servicio Pblico de Energa Elctrica El23dediciembrede1992sepublicatravsdelDiarioOficialdelaFederacinel decreto que reforma, adiciona y deroga varias disposiciones de la Ley del Servicio Pblico deEnergaElctrica(LSPEE).EstaLeyfuemodificadael22dediciembrede1993[5]. EntrelosprincipalesaspectosdelaLeyenrelacinconloquenoseconsideraservicio pblico para la generacin de energa elctrica, se mencionan los siguientes: La produccin independiente El autoabastecimientoLa cogeneracin La pequea produccin La generacin de energa elctrica destinada a la exportacin La utilizacin de energa elctrica de importacin Reglamento de la Ley del Servicio Pblico de Energa Elctrica El 31 de marzo de 1993 se public en el Diario Oficial de la Federacin el Reglamento de laLeydelServicioPblicodeEnergaElctrica(LSPEE)[6],elcualfuemodificadoen mayo de 1993 y julio de 1997. Entre los aspectos relevantes del Reglamento de la LSPEE, relacionados con la cogeneracin, es importante mencionar los siguientes: Sedefinelacogeneracinconmayordetalle(arts.103y106)yseestablecen requisitos especiales adicionales a las de los autoabastecedores (arts.104 y 105). Sedefinen,entreotrosconceptos,ladespachabilidad,eldespachodecargayel costo total de corto plazo. Se establece la posibilidad de transmisin en la red del Sistema Elctrico Nacional (SEN) de los permisionarios (Arts. 73 y 154 al 158). SeestablecelaposibilidaddeventadeenergaelctricaalSEN(Art.72)yse prohbe vender o revender energa elctrica a terceros (Art. 90). 26 Se indica que la entrega de energa elctrica al SEN, con un mximo de 20 MW, se sujetar a las reglas de despacho (Arts. 135 y 147 al 152). SeestablecequeComisinFederaldeElectricidad(CFE)y,Luzyfuerzadel Centro (LFC1) proporcionarn capacidad de respaldo. LaanteriorlegislacinestablecaqueeralaCFElaresponsabledelserviciopblicode energaelctrica,elcualincluasugeneracin,transmisinydistribucin,ylafacultaba paralaplaneacinyoperacindelsistemaelctrico,limitandolaparticipacindelos particulares a algunos programas de autoabastecimiento y cogeneracin. Destaactuallegislacinsecreaelmarcoadecuadoparaquelosparticularespuedan generarenergaelctrica,yaseaparaautoabastecimientoycogeneracin,pequea produccin o para su venta a la CFE, su exportacin, importacin para necesidades propias o su uso en emergencias; aunque conserva para el estado la prestacin del servicio pblico. El objetivo de esta actuallegislacin esel de satisfacer la demanda de energaelctricaal menorcostoparaCFE,garantizandolaestabilidad,calidadyseguridaddelservicio publico,porloquesemantienealaCFEcomoorganismoregulador,encargadodela planeacinyoperacindelsistemaelctrico,contandoconlasupervisindelaSecretaria deEnerga(SENER),lacual,verificalasinstalacionesdealtatensin,dictalas disposiciones relativas al servicio pblico de energa elctrica y aprueba los programas que al respecto someta a su consideracin la CFE, y la Comisin Reguladora de Energa (CRE) quien otorga los permisos a particulares. Lademandadeenergaelctricaladeterminanvariosfactoresentreloscualeslosmas importantesson:elritmodelaactividadeconmica,elcrecimientodemogrfico,elnivel de desarrollo, las condiciones climticas y geogrficas, la estructura y los niveles tarifarios; adems, cambios tecnolgicos tales como los avances en la eficiencia con que se utiliza la electricidad en los procesos productivos y en los aparatos elctricos. El marco regulatorio del sector elctrico puede resumirse de forma conceptual de acuerdo a las Figuras 6 y 7.

1 Desaparecida el 11 de Octubre de 2009, por decreto presidencial. 27 Figura 6. Estructura del marco regulatorio del sector elctrico. Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. Aunado a los ordenamientos jurdicos concentrados en la figura anterior, se puede observar claramentelasmodalidadeseinstrumentosaseguirytomarrespectivamente,como estructura general. Las modalidades de generacin de energa elctrica del sector privado es la correspondiente aladelosparticulares.Laparticipacindebecubrirpuntosclarosdefinidosporlo denominadocomofuentesfirmesofuentesdeenergarenovables.Latranscripcinse realizarliteralmentetalcualcomosehapresentadoenlaProspectivadelSectorElctrico 2005-2014 elaborado por la SENER [8], sto para evitar ambigedades. 28 Figura 7. Estructura del marco regulatorio del sector elctrico mexicano. Tomada de la Prospectiva del sector elctrico 2005-2014, SENER. a) Fuentes firmes:1)Contratodeinterconexin.Establecelostrminosycondicionesparainterconectarla centraldegeneracindeenergaelctricaconelSEN2.Estecontratoproporcionaal permisionarioloselementosnecesariosparaadministrarlademandadeloscentrosde carga,ademsdepermitirlecalcularlospagosporlosserviciosconexosproporcionados por el suministrador. 2)Contratosdeservicioderespaldodeenergaelctrica.Tienenporobjetoqueel suministradorrespaldelacentraldegeneracindeenergaelctricaencasodefalla, mantenimiento o ambos. Este servicio est determinado en funcin de las tarifas publicadas por la Secretara de Hacienda y Crdito Pblico. 3)Conveniodecompraventadeexcedentesdeenergaelctrica.Tambinconocidacomo energaeconmica,establecelosprocedimientosycondicionesquerigenlaentregade energa elctricadel permisionario al suministrador de acuerdo con las reglas de despacho

2 Sistema Elctrico Nacional. 29 delSEN.Estecontratoconsideraqueelpermisionariopuedarealizarentregasdeenerga econmicaalsuministrador,paralocualcuentacontresprocedimientos:recepcinpor subasta, recepcin automtica notificada y recepcin automtica no notificada. 4) Convenio de servicio de transmisin de energa elctrica. Establece que el suministrador recibelaenergaelctricadelacentraldegeneracinenelpuntodeinterconexinyla transportahastaloscentrosdecargadelpermisionariodeacuerdoconlacapacidadde porteo contratada para cada uno de ellos. b) Fuentes de energa renovable: 5) Contrato de interconexin. Permite llevar acabo la interconexin necesaria entre el SEN y la fuente de energa renovable y los centros de consumo del permisionario, de manera que dichocontratosirvademarcoparatodaslasoperacionesentreelsuministradoryel permisionario. 6)Convenioparaelserviciodetransmisindeenergaelctrica.Permitetransportarla energa elctrica generada desde la fuente de energa renovable hasta donde se localizan sus centros de consumo. La regulacin para fuentes renovables de energa fue aprobada por la CRE con la finalidad defomentareldesarrollodeproyectosdegeneracinconfuentesdeenergarenovable3. Esos instrumentos consideran las caractersticas de este tipo de fuentes de energa como es ladisponibilidadintermitentedelenergticoprimario4.Estosinstrumentosincluyen conceptos nicamente aplicables a este tipo de fuentes, tales como: Energasobrante.-Cuandounpermisionarioentregaasuscentrosdeconsumouna cantidaddeenergamayoralacorrespondientedesupotenciacomprometidadeporteoo cuandolademandadeloscentrosdeconsumoseamenoralapotenciaentregadaenel punto de interconexin. Energafaltante.-Cuandounafuentedeenerganosatisfacelapotenciadecompromiso de porteo con sus centros de consumo. Suministronormaldeenerga.-Cuandoloscentrosdeconsumorequierandeenerga mayor a la que reciben. LadefinicindefuentedeenergarenovablesemodificenelDOFdel26defebrerode 2003. c) Importacin de energa elctrica: 7)ContratodeInterconexinparapermisionariosubicadosenelreadecontroldeBaja California, que importan energa elctrica a travs del Consejo Coordinador de Electricidad delOeste(WesternElectricityCoordinatingCouncil-WECC-),delosEstadosUnidosde Amrica, tiene por objeto que la CFE realice la transmisin de energa de importacin entre

3 Publicado en el DOF el 7 de septiembre de 2001. 4 La definicin de fuente de energa renovable se modific en el DOF del 26 de febrero de 2003. 30 elpuntodeinterconexinyelpuntodecargadelpermisionario,demaneraqueeste contrato sirva de marco para todas las operaciones entre l y el permisionario. Conclusin Delamismamanera,sernecesarioparaestetrabajoconocerybasaralgunasdelas decisioneseneldecretoporelqueseexpidilanuevaLeyparaelAprovechamientode EnergasRenovablesyelFinanciamientodelaTransicinEnergtica.Dondeseexpresan explcitamente las vas para el aprovechamiento legal de las fuentes renovables5.

5 Expedida el 28 de Octubre de 2008 a travs del Diario Oficial de la Federacin (DOF). 31 II ALTERNATIVAS DE SOLUCIONES TECNOLGICAS Estaspuedenser,dependiendoalacapacidadinstaladarequerida,costoscapital, disponibilidad,yeficiencia;incluyendotecnologasparalaaplicacindeenergas renovables[33].Sinembargo,paralamicrogeneracin,lasalternativasviablesson realmentepocasyaqueloscostosdeequiposparaestascapacidadessuelenserms costososquesisetrataradeunproyectoamedianaogranescala.Paratenerunaideade estoscostosysusventajasydesventajas,sepresentaunaestimacineconmicadelos costos por KW instalado de tecnologa para microgeneracin. Lasmicroturbinasdegas,suelensermuyverstilesencuantoalusodecombustible, inclusivestas,puedenseraccionadasconlquidos.Actualmenteseempiezanaconstruir microturbinas de gas accionadas por biogas, de esta manera su uso se vuelve ms verstil. El biogas, a pesar de no contar con un alto poder calorfico puede prcticamente sustituir a cualquierotroenergtico,siempreycuandosetengaunafuentededondeprovengadicho biogas.Lasmicroturbinasaccionadasconbiogasesunrearelativamentenueva,puesto queanteriormenteeranaccionadasprincipalmentecongasnatural,peroenmedidaquela explotacindelacapturadelossistemasquegeneranbiogassehaidopopularizando,su expansin ha ido en aumento, mostrando resultados altamente confiables. Sin embargo, es importante conocer cuales son los tipos de microgeneracin que existen en el mercado y que pueden competir con las microturbinas de gas a biogas. II.1.Tipos de microgeneracin y costos Deacuerdoalasnecesidadesdeenergaelctricagarantizada,lacualescadavezms exigida, en donde el rea de generacin en pequea escala cuenta con un importante ndice quenopuedeserdespreciadotantoporpartedeloorganismosencargadosaimpulsarla cogeneracin, como por aquellos interesados en proyectos de estas magnitudes. Lamicrogeneracin,debejugarunpapelimportanteparaelpas,pueslosahorrosen combustible,generacindeenergaelctrica,yprdidasportransmisin,son considerablemente importantes para dar una va de desahogo a laya preocupante situacin queviveelpasalnocontarconunrespaldodefinidodecapacidadinstaladaquepueda satisfacerenunfuturolatotalidaddelademanda.Porotraparte,elimpulsodeesta alternativa,haramseficientelageneracindeelectricidadyconmenorescostosde generacin,encaminndoseaunbeneficiomltipleparadiversossectoresproductivosa nivel nacional. Cuando se evala un proyecto, el costo inicial es un indicador que puede proporcionar una idea de la viabilidad del mismo. Sin embargo, en la evaluacin de alternativas es necesario considerarmuchosmsaspectos.Loscostosdeoperacin,queincluyencombustibley mantenimiento,sondistribuidosalolargodelavidadelosequipos,yenmuchoscasos, constituyenelcostomsimportante.Ademsdetomarencuentalosaspectosdelmedio ambiente y la confiabilidad del suministro. 32 Los bajos costos iniciales de los equipos por kW instalado, dependen de grandes volmenes de produccin. Sin embargo, no siempre es as, por ejemplo, las celdas fotovoltaicas fueron introducidashaceunos35aosconuncostode30,000USD/kW,yapesardelconstante crecimientoenelvolumendeproduccin,elcostoactualnoesmenoraunos4,000 USD/kW. Las celdas de combustible enfrentan posiblemente un reto an mayor. Hoy en da, el costo ms bajo de una celda de combustible comercial es de unos 4,300 USD/kW. En el caso de lasceldasbasadasenhidrgeno,lanecesidaddeestablecerunainfraestructurapara manejarlo,aunquetcnicamenteposible,creaotradimensinencostoyreto.Lasceldas slo seran econmicamente viables en la medidaque la produccin de hidrgeno sea ms econmica. Comparativamente, lasmicroturbinas degas (MTG) ofrecen un futuro promisorio. Con un costoinicialdeunos800USD/kW,enuntiemporelativamentecortoloscostoshan empezado a caer hasta 600 USD/kW y menos. Lasenergasrenovablescomolasceldasfotovoltaicasyturbinaselicasestnganando adeptosypresenciagraciasaquenorequierencombustible.Sinembargo,tienenserias desventajas en adicin a su costo elevado, que es de unos 4000 USD/kW para las celdas y unos2000USD/kWparaunaturbinaelicade10kW(200USD/kW).Sonplantasde naturalezadifusa,esdecir,requierendeespaciosfsicosmayoresqueotrasplantas generadorasparapodersacarprovechodesusfuentesprimariasdeenerga(solyviento), as comosu produccinde energa es intermitente, es decir, nomantienenuna produccin de energa constantey dependen delas condiciones climatolgicas de formamuyestrecha [9]. II.1.1. Microgeneracin con microturbina de gas Lamicrogeneracin,eslageneracindeenergaelctricamedianteequiposdepequeas capacidadesentreelloslasturbinasdegas(30kWy60kW)[10],denominadastambin microturbinas,lascualestienenlamismafuncinquelasturbinasdegasdegrandes capacidades pero sin la utilizacin de flujos de enfriamiento, as como pequeas relaciones de presiones que por consiguiente da una reduccin considerableen la eficienciaglobal, a pesardeello,lasmicroturbinaspuedenserdelamismaformaaprovechadasenla cogeneracin. Enlaactualidad,existeungrannmerodemicroempresasquecuentancondemandasde energa no mayores a 1.2 MW que son consideradas como microgeneracin de acuerdo a la clasificacinestipuladaporlaComisinNacionalparaelUsosEficientedelaEnerga (CONUEE),anteriormenteComisinNacionalparaelAhorrodeEnerga(CONAE),no obstante,lasmicroturbinaspuedenactuarensistemasinterconectadosyaseanenserieo paralelo para generaciones como estas. Las microturbinas han sido utilizadas en complejos donde las capacidades instaladas varan segn la capacidad de las microturbinas empleadas y el arreglo que se tenga. Los esquemas conjuntos donde se instalan ms de una microturbina se le denomina Generacin Modular 33 deEnerga,porejemplo:sehaninstaladohastaunnmerode44unidadesde60kWque operan con gas natural para un total de 2.64 MW, y un mximo de 1.5 MW instalados con 50unidadesde30kWconbiogas[34],realmentelafuentedeenergapocoimporta,lo realmenteimportante,eslapotenciainstalada,yaquedependedirectamentedel rendimiento del proyecto y la parte tcnicamente factible para llevarse a cabo. Las microturbinas acopladas a un esquema de cogeneracin pueden ser una alternativa que logre disminuir los costos de produccin, obtener un aumento en la competitividad, otorgar energadealtacalidad,garantizarcontinuidadyofrecerunaautosuficienciaenel suministrodeenerga,conunbuendesempeoambiental.Lasmicroturbinastambin cuentanconotrascaractersticas,muestranflexibilidadenelusodecombustibles,son comercialmenteviables,fcilesdeinstalaryconbajoscostosdemantenimiento.Estas tambinpuedenserutilizadasparagenerarenergaderespaldooparasatisfacerpicosde demanda. El implementar un sistema de microgeneracin, no solo beneficia al industrial, sino tambin acarrea repercusiones favorables para el pas, como lo son: a) ahorro de energa elctrica, b) ahorroenelconsumodecombustible,c)reduccindeemisionescontaminantes,d) orientacin hacia las polticas internacionales para lograr un desarrollo sustentable, e) mejor planeacin energtica para el futuro. En el presente trabajo, se pretende analizar de forma objetiva las ventajas que ofrece en la actualidadlaaplicacindelamicrogeneracinconmicroturbinadegasenlapequeay mediana industria, principalmente en las zonas pecuarias del pas. La viabilidad de utilizar las microturbinas como un sistema que ofrezca energa elctrica, reduciendo sus costos y a suvez,ofrecercalorparacualquierusoenproceso,satisfaciendoparcialototalmente ambas demandas. Lamicrogeneracinconmicroturbinasdegas,noesanuncampomuyexploradoen nuestro pas, sin embargo surge la necesidad de su aplicacin para aquellos que cuentan con pequeasdemandasdeenerga,yquepuedenserabastecidasporellosmismos,yaseaen formaindividual,oensociedad.Porloquesehacenecesario,elaborarunametodologa concreta de los factores que intervienen para llevar a cabo un proyecto de microgeneracin y evaluar la factibilidad de su implementacin tcnica y econmica. EsimportantedestacarqueenMxico,aproximadamenteel90%delasempresasse encuentranenelrubrodemicro,pequeaymedianaempresa,locualsusdemandasbien cabran en la clasificacin de la microgeneracin [11]. Seconsidera,queestableciendolosfactoresmsrelevantesparaunproyectode microgeneracin, como son:disponibilidad, tipo de combustible, condiciones ambientales, tipodesistema(superioroinferior),capacidadycondicionesdeenergacalorfica;se puedecaracterizarenunesquemaquebrindelosresultadosnecesariosparalatomadeun fallo conveniente, en relacin a la seleccin del tipo de microturbina y caractersticas de la recuperacindecalor,oensudefecto,optarporotraalternativadeacuerdoala conveniencia empresarial. 34 II.1.2. Ventajas y desventajas de las microturbinas de gas En cuanto a las microturbinas de gas se pueden observar los siguientes aspectos. 1) Caractersticas generales Rango de generacin: de 15 a 100 kW Frecuenciadegeneracin:1600Hz,parabajara50/60Hzserequierede electrnica de potencia. MantenimientoMnimo.Elnicomantenimientohaconsistidoencambiosde filtros de aire. Ms pequeas. Ms ligeras. Operan sin vibracin. Generan menos ruido (@ 70 decibeles). Tiempo de operacin: 40,000 75,000 hrs. Combustibles:Gasnatural,keroseno,gasolina,etanol,diesel,propano,biogas, vinazas. 2) Emisiones Deacuerdoalosaltosndicesdecontaminacinenlosltimosaos,allevadoala consideracindelasemisionesdelosequipos.Porloqueacontinuacinsemuestran algunascomparativasdelasemisionesdelosdiferentesmotorestrmicos,endonde podemosverquelasemisionesdelasturbinasdegasymicroturbinassonlasmenos contaminantes. Lasconsideracionestcnicasquesetomaronparalamicroturbinaencomparativafueel modelo 330 de la empresa Capstone. LasemisionesdeNOx,queesNO+NO2,sonmenoresa9partespormilln (ppm) cuando el combustible empleado es gas natural6.Las emisiones de CO son menores a 40 ppm. Las emisiones de THC (total de hidrocarburos) estn por debajo de 9 ppm cuando el combustible es gas natural. Seresumeelperfildeemisionesdeunamicroturbinaenlatablasiguiente.Asmismo,se proporcionan los niveles de emisin empleando diferentes mtodos de medicin. Tabla 7. Emisiones de una microturbina modelo 330 de la empresa Capstone. Contaminante ppmV @ 15% O2 gm/kWhgm/GJgm/hp-hrLb/kWhlb/hp-h NOx90.22361.940.1664.91x10-43.66x10-4 CO400.603167.560.45013.3x10-49.90x10-4 HC90.07821.540.0581.71x10-41.27x10-4 NOx + HC0.30183.480.2246.61x10-44.93x10-4

6 El gas natural y el biogas son muy similares, cuando ste ltimo es filtrado y depurado. 35 II.1.3.Comparacin con otras turbinas Paraunacorrectacomparacindeemisionesentrediferentesequipos,lasemisiones deberansercorregidasalmismoniveldeoxgenoenlosgasesdeescape.Enadicin,el estado de carga durante la prueba (operacin con carga parcial o a plena carga) debera ser tomado en cuenta. Las Tablas 8 y 9 comparan los datos de algunas turbinas y mquinas de combustininternaconlasmicroturbinas,aplenacarga.Sinembargo,estainformacin solosedebeutilizarparacomparacionessomeras,yaqueparadarunaevaluacinms precisa,esrecomendabletomarlasmismasconsideracionesparacadaunodelosequipos evaluados. Tabla 8. Comparacin de las emisiones (ppm@15%O2) de una microturbina con turbinas industriales. Combustible: Gas natural. TecnologasRangoNOxCOTHC Microturbina (a)30 kW9409 Turbinas industriales (b)0.8 11 MW6 - 1401-4626-559 a)Reportado por el fabricante. b)Resultados de pruebas reportadas por la EPA (Environmental Protection Agency). II.1.4.Comparacin con motores reciprocantes Enausenciadedispositivosdepostcombustin,comoconvertidorescatalticos,las mquinas decombustin interna puedentener nivelesmuy altos de emisiones.LaTabla 9 resume los niveles de emisin de un rango amplio de estas mquinas. Tabla 9. Comparacin de las emisiones (ppm@15%O2) de una microturbina con mquinas reciprocantes. Tamao del Motor ReciprocanteNOxCOTHC (a) 170 kW 1500 kW (c)30-3214325-8332747 35 kW (c)31-454244-378NR Microturbina (b)9409 a)Los datos de THC slo estn disponibles para la mquina de 1500 kW b)Alimentada con gas natural c)Fuente: EPA (Environmental Protection Agency) Sepuedeobservar,engeneral,quelasmicroturbinascuentanconndicesmenoresenlos diferentes productos de la combustin. Algunas otras ventajas de las microturbinas de gas sobre los motores de combustin interna o reciprocantes, principalmente lo motores a diesel modificados que se estn empleando en algunosproyectosdegeneracindeenergaatravsdebiogas,sepuedenresumirenla siguiente lista: Los motores a diesel requieren de una cimentacin especial. La instalacin es ms costosa que la de las microturbinas. Generan mayor ruido (igual o mayor a 75 decibeles). 36 A pesar de utilizar biogas, no pueden emplearlo al 100%, por lo que emplean una mezclabiogas/diesel,lacualhacequeelproyectosigadependiendodeun energticocaroysiguecontribuyendoalageneracindeCO2pormediodeuna fuente fsil. Lasustitucindelbiogassedaenunpromediocercanoal65%,energticamente hablando, siendo el 35% diesel, el cual es un combustible caro. Elmantenimientodelmotordieselesmscaroyrequieredecambiosdeaceite continuos, as como de filtros y afinaciones. Requieren de una adecuacin tcnica para funcionar con biogas. Lasmicroturbinassondefcilyrpidainstalacin.Poseenunsistemadecontrol capaz de interactuar a control remoto con una central a travs de una computadora. II.1.5. Combustibles para la microgeneracin Loscombustiblesparagenerarenergaelctricason,principalmente,deorigenfsil,es decir,provenientesdeloshidrocarburos.EnalgunospasescomoE.U.yChina,emplean adems,elcarbn,comootrafuentedecombustible,sinembargo,sesabequetantolos hidrocarburos como el carbn, son altamente contaminantes con excepcin del gas natural. Siendo el petrleo, el carbn y el gas natural los energticos que cubren alrededor del 80% de las necesidades energticas del planeta. De acuerdo a la Prospectiva Energtica Mundial 2008 [12], parael 2030la demanda energticapodra crecer hasta un 50%. De talmanera queelconsumodelloshidrocarburosseincrementardescomunalmente,sinembargo,el abastodestosesalgoquemantieneenconstantepreocupacinalasnacionesdealto consumo.Enloquerespectaalasenergasrenovables,estashanrepresentadoun crecimiento interesante en las ltimas dcadas, llegando a tener una participacin en el ao 2007 del 17%, de acuerdo al crecimiento esperado, se estima que estas se dupliquen para el 2030. Sinembargo,elcrecimientovaticinadoparael2030,noharesueltoelcomopodersuplir los energticos, si los pozos petroleros van en declive, ya que la produccin en los campos madurosenelmundodeclinan6.7%alao.Mxicoenparticular,tieneundeclivede produccin del orden del 20% menor que hace 4 aos [12]. Actualmente, muchos de los sistemas de generacin de energa elctrica se han mudado al esquemadeutilizargasnaturalporsusbondadesecolgicasyunmanejorelativamente fcil,ademsdeutilizaresquemasdecogeneracinocicloscombinadosayudandoa mantener mejores costos de produccin de energa elctrica por el mismo costo energtico. A todo esto, el problema de garantizar energa elctrica a lo largo del pas,para industriales de bajo consumo los cuales entran en la categora de la microgeneracin, puede ser tomado ysolucionadoporlosmismosindustrialesquelogrenverelpotencialdegenerarenerga elctrica con sistemas de microgeneracin a costos competitivos y de tecnologas probadas. Un sistema de microgeneracin que opere con gas natural en las ciudades urbanizadas y en laszonasrurales,representaunacontribucinalahorrodeenergaporpartedelgobierno, as como generar energa elctrica a pequeos establecimientos dndoles autonoma parcial 37 ocompleta.Sinembargo,laoperacindemicroturbinascongasnaturalrequierede gasoductoscercanos,porloquelaimplementacinquedarestringidaalasredesde distribucinexistentesdeesteenergtico.Otroproblema,comoyasehamencionadocon anterioridad,eslaescasez degas naturalysuposible aumento encosto. Por otro lado,un combustiblequeesdeusocomnyquesepuedeconseguirenprcticamentecualquier lugar,es elgasLP, este gas es utilizadodesde hogareshasta industrias de medianaygran escala. Pues a pesar de su costo, que es ms elevado que el gas natural, es menos voltil y su servicio es confiable, y puede ser abastecido fcilmente. Existenotroscombustiblescomolagasolina,queseempleaengeneradoresdeenergade baja escala como microgeneracin, y el diesel, el cual se emplea para respaldo de empresas oindustriasdepequea,medianaygranescala.Ladesventajadeestosdoscombustibles mencionadosesqueambos,soncarosyltimamentehanpresentadoincrementosensus tarifasquereducenlafactibilidaddegenerarenergaelctricaatravsdeellosenzonas urbanas y por lo tanto su uso se reduce a solo energa de respaldo. No obstante, se emplean demasiadoenzonasalejadasdondenosecuentaconredelctricadelgobiernoyresulta ms caro no tener energa elctrica. ltimamente, se han empleado alternativas para la generacin de energa elctrica como: Elica Fototrmica Fotoelctrica Biomasa (en los cual se localiza el Biogas) Endondecadaunadeellaspresentaventajasydesventajas,yaquealgunosson intermitentesyporlotantosugeneracinnoescontinua,lasquenoloson,comola biomasa, se aprovecha regularmente en las zonas donde se focalizan grandes cantidades de residuosorgnicosporloquesuaplicacinseverestringida.Sinembargo,enlaszonas agropecuarias estas alternativas son muy abundantes. Mientras que para las zonas donde la biomasaesabundanteseempleacomocombustible,elcualescombustionadodeforma directa: Madera Residuos orgnicos como hojas, hierbas y/o bagazo de caa Estircol compactado y seco Apesardeserunrecursorenovableynaturalquenorequieredetransformacinyes aprovechabledirectamentedelanaturalezasinningncosto,sipresentandesventajasen cuantoasucombustin,yaqueproducengrandescantidadesderesiduosvoltilescomo cenizas,quenosecontrolanyporlotantosonsusceptiblesaproducirenfermedades respiratorias graves. Porotrolado,elbiogassecreaatravsdelabiomasadeformanaturalenausenciade oxgenoyquetienepropiedadessimilaresaladelgasnatural(aunqueconmenorpoder calorfico), por lo que es un gas limpio y se puede capturar de forma relativamente sencilla. El exceso de materia orgnica producido en las zonas agropecuarias, puede ser aprovechada de tal manera que en lugar de ser un costo extra al manejarlo, genera un energtico con alto 38 valoryaquepuedesustituircualquiercombustibleconocidoyasignrseleesevalorde sustitucin. Por lo que aprovechar los residuos orgnicos acelerando su descomposicin de formaanaerobiacapturandoelbiogasproducido,almismotiempoqueseaprovechael biofertilizante obtenido de forma secundaria, representa una ventaja para todos aquellos que cuentencongrandescantidadesdeslidosorgnicosytenganunademandadeenerga elctrica considerable, as como demanda de calor para usos varios. II.1.6.Microturbina accionada con biogas Debidoaquelamicroturbinaquesepretendeanalizarenestetrabajo,esunamicrotubina de gas accionada con biogas, es necesario conocer acerca de las caractersticas, propiedades y todo lo que engloba la implementacin y uso del biogas, no solo como un combustible de sustitucineconmico,sinoqueadems,esunbiocombustiblelimpio.Elusodebiogas comoenergticodesustitucin,puedegenerardiferentesbeneficios,estospueden relacionarsealaposibleobtencindebonosdecarbonoatravsdelMecanismode DesarrolloLimpio,porotrolado,alprovenirdeunafuenteorgnicaenprocesode descomposicin,seaceleradichoprocesoyseobtieneunsubproductoalcualsele denominabiofertilizante,elcualtienepropiedadessimilaresalosfertilizantesdeorigen qumico.Detalmaneraqueelbiofertilizantepuedesustituirelfertilizantecomercialaun costo mucho menor.II.1.7.Anlisis de una microturbina Lasmicroturbinasfuncionandeformamuysimilaralasturbinasdegasdemedianasy grandescapacidades,comosemencionanteriormente,ladiferenciaestenquelas primerasnoutilizansistemadeenfriamientocomoenelcasodelassegundas.Detal maneraquelasmicroturbinasestnconstituidas,deigualformapor:uncompresor,una cmara de combustin internay un expansor. Por lo que las ecuaciones de anlisis son las mismas. 14231243PPPPPPPP= =Consideracin 1 ( ) ( ) 1434311212 |||

\|= =|||

\|=kkkkTTPPTTPP Ec. 1 1 1142314231243 = = =TTTTyTTTTTTTT Consideracin 2 ( )( ) k ktermP P11 211 = Ec. 2 39 ( )( )( ) [ ]( ) [ ] 111 12 3 21 4 12 31 4 = =T T TT T TT T CT T CpptermEc. 3 II.1.8.Simulador microturbina MTG Seconstruyunsimuladorparaelanlisisdelamicroturbina,primeramenteseanaliz empleandogasnatural,parapodercompararlascurvasdecomportamientodelahoja tcnica con la simulaciny validar losresultados. Posteriormente,el simulador se emple para ajustar los datos dela turbinadegas accionada conbiogas. Esimportantemencionar que las turbinas que se accionan con gas natural u otro combustible no son las mismas que las que se emplean para ser accionadas con biogas. Elsimuladorrequierequesealimentededatoscorrespondientesalahojatcnicapara poder empezar lasimulacin, posteriormente se calculan las eficiencias de los equipos. Es indispensablequelaprimerasimulacinseaacondicionesISO,parapodercotejarlos resultados.Detalmaneraquelosresultadosestnorientadosaobtener,elflujode combustibleyelflujodeaire,ascomolapotenciasimulada,temperaturaalasalidadel compresor,alaentradaysalidadelexpansor,laeficiencianetayelHeatRate.Los resultados de esta primera simulacin pueden imprimirse en formato PDF directamente. El sistema tambin puede ser evaluado como sistema de cogeneracin, en el cual se deben alimentarlosdatoscorrespondientesalaguadealimentacinparacalentamientoydatos tcnicos de los equipos utilizados. De igual manera, existe un apartado donde se introducen los supuestos econmicos para realizar las evaluaciones, tanto econmicas como exergicas y exergoecnmicas. El simulador presenta tres distintos bloques de datos de salida, los cuales comprenden: ciclo Bryton por primera ley, ciclo Brayton con cogeneracin, y anlisis de ciclo de cogeneracin convaloresexergoeconmicos.Ademsdequeelprogramacuentaconlamemoriade clculo completa sobre todos los flujos y consideraciones empleadas para cada clculo. Seincluyeeldesarrollometodolgicoparaobtencindeloscostosexergoeconmicos incluyendolasmatricesyecuacionescomplementarias.Asconelesquemadelsistemay una tabla final de valores tanto tcnicos como econmicos de cada punto involucrado en el sistema.Incluyetambin,unapartadodeanlisisdevalordedineroeneltiempoparaun plazo de 20 aos (este puede modificarse). Elcdigofuenteutilizadoparalacreacindeestesimuladorapareceyseexpresa completamente en la parte final de e