1. 1. Sistemas de cogeneración

Entendiendo como cogeneración a la producción de energía eléctrica y térmica a partir de una sola fuente de energía mediante un mismo proceso (^{Guelpa et al., 2019}), se pueden establecer tecnologías basadas en sistemas fotovoltaicos, solar térmicos o en la combustión, siendo esta última la predominante en el mercado. Industrias como la azucarera (^{Fernández et al., 2020}) y la petrolera se caracterizan por una alta demanda de energía, dado que para ellas es conveniente la implementación de un ciclo Rankine (frecuentemente con potencias por encima de 30 MW); por el contrario, en industrias de menor demanda energética se emplean otras tecnologías como motores de combustión interna, celdas de combustible o turbinas de gas.

1. 2. Análisis de la demanda de energía primaria para procesos de calor

Los requerimientos energéticos, tanto eléctricos como térmicos, varían según la industria a la que se haga referencia. El cuadro 1 muestra una serie de sistemas de cogeneración implementados donde se especifican las capacidades eléctricas y térmicas instaladas; asimismo, se observa la relación entre la energía eléctrica y térmica (σ) o “relación trabajo-calor”, de la cual se aprecian valores entre 0.98 y 2.55 que se pretenden cubrir con las tecnologías mencionadas. Aquí es donde reside la magnitud de su eficiencia eléctrica.

En resumen, las celdas de combustible tienen una eficiencia de generación de energía eléctrica de hasta un 60% (^{Guelpa et al., 2019}), los motores de combustión interna alrededor del 40%, los ciclos Rankine de hasta un 35% (dependiendo del nivel de presión) y las turbinas de gas con una menor eficiencia alrededor del 20% (^{Schaumann y Schmitz, 2010}; ^{Wang et al., 2019}). Según el lineamiento VDI 4608 (^{VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt, 2005}), se puede determinar la eficiencia eléctrica requerida de un sistema de cogeneración de acuerdo con la ecuación 1 en función de σ y ω. Este último parámetro es la tasa de aprovechamiento de la energía primaria para la cogeneración, la cual también es llamada por otros autores como rendimiento energético del sistema (^{Ramos et al., 2013}).

En un supuesto donde ω alcanza valores de hasta 0.8 y considerando el σ mínimo del cuadro 1 resulta en una eficiencia eléctrica de 0.4, que es posible alcanzar mediante un proceso de conversión basado en un ciclo Rankine. Caso contrario, se tiene en la producción de embalaje y envases donde se presenta un valor de σ máximo (2.55), por lo cual la eficiencia eléctrica requerida para el proceso debe ser 0.57, eficiencia que sólo se alcanza mediante la utilización de una celda de combustible. Tomando como referencia el balance nacional de energía con un σ nacional aproximado de 0.4 (^{SENER, 2021}), ^[2] que representa la relación de la energía eléctrica entre la energía térmica demandada por toda la actividad industrial en México, queda evidenciada la posibilidad de abastecer la demanda energética industrial mediante sistemas de cogeneración. Sin embargo, como se mencionó, estos sistemas representan un ahorro de energía primaria entre 20 y 30%, que se consideraría marginal. Lo anterior se explica mediante laecuación 2, resultante de la comparación entre los esquemas de generación (^{Baehr y Kabelac, 2016}).

En laecuación 2se toman en cuenta los parámetros eficiencia de distribución (η_{distribución} ), eficiencia de generación de energía eléctrica en relación con el consumo de energía primaria (η_{el, central} ), consumo propio del sistema de cogeneración (α) y coeficiente de calefacción (ξ) (^{Baehr, 1981}). Se considera una eficiencia de distribución (η_{distribución} ) debido a que el transporte de energía térmica en sistemas de cogeneración conlleva mayores pérdidas que una generación convencional sobre todo cuando se deben abastecer sitios alejados del lugar de generación, situaciones que se presentan, por ejemplo, en parques industriales. El parámetro α se refriere al consumo propio del sistema de cogeneración por la necesidad de operar sistemas acoplados (por ejemplo, torres de enfriamiento). El ξ se refriere al desempeño del sistema de calefacción/refrigeración, cuyas particularidades serán abordadas más adelante; por ejemplo, una caldera industrial de vapor tiene un ξ de 0.8. La ηel, central abarca todo el esquema de generación nacional (fósil, nuclear y renovables), que en la actualidad es 0.43 (^{SENER, 2021}); sin embargo, con la introducción de energías renovables esta variable adquiere carácter ascendente. El impacto de esta tendencia se ilustra en la gráfica 1 .

Al introducir energías renovables, como la eólica y la fotovoltaica, en el esquema de generación se reduce el ahorro de energía primaria que ofrece el uso de sistemas de cogeneración, tal es el caso cuando se tiene un η _generación mayor de 0.6 el ΔE_primaria desciende a valores negativos, como se aprecia en la gráfica 1. Hay países con un alto índice de aprovechamiento de energías renovables con hidroeléctricas como Brasil o Canadá, que ya superan este límite; no obstante, países ambiciosos en cuanto a la introducción de energías renovables al sector eléctrico como Alemania y España no quedan, con 42% y 47% respectivamente, lejos de este límite (^{Enerdata, 2022}). Hoy en día México tiene una aportación del 22% de energías renovables en el sector eléctrico, con una capacidad añadida de 3.06 GW para 2021, que muestra una tendencia de crecimiento superior al escenario mundial, pero al ser comparado para el mismo año con países con economías similares (tomando como criterio el Producto Interno Bruto) como España (4.06 GW), Países Bajos (4.48 GW) y Turquía (4.04 GW) es inferior y solo supera a países que en apariencia no prestan interés en energías renovables como Irán (0.03 GW), Arabia Saudita (0.33 GW) e Indonesia (0.52 GW), según de los Country reports en el portal de ^{IRENA (2022)}. De acuerdo con las metas proclamadas para el sector energético de México por el Secretario de Relaciones Exteriores Marcelo Ebrard durante la COP27, en noviembre de 2022 en Egipto, se pretende aumentar la participación de energías renovables incorporando 25 GW para 2030, lo cual denota la poca competitividad de estrategias al ser comparado con el ritmo de crecimiento pronosticado para un escenario mundial (^{IMCO, 2022}).

Fuente: elaboración propia.

Gráfica 1 Ahorro de energía primaria (∆E_primaria ) por el uso de sistemas de cogeneración en función de la eficiencia de generación de energía eléctrica del conjunto de generadores (base del análisis σ, ω, η_{distribución} , ξ y α) 

Un comportamiento similar al del ahorro de energía primaria (gráfica 1), se observa con la variación del ξ, ilustrado en la gráfica 2. El ξ es la relación entre la energía térmica liberada durante su utilización y la energía primaria requerida para cubrir la necesidad de generación de calor. Cuando ξ supera 1.3, que es posible lograr mediante la utilización de bombas de calor, la situación resulta contraproducente, ya que no existe un ahorro de energía primaria con el uso de sistemas de cogeneración.

¿Por qué se siguen promoviendo los sistemas de cogeneración a pesar de que el análisis demuestra claramente sus deficiencias bajo un escenario real? Al respecto, es de interés considerar que el análisis realizado solo toma en cuenta el ahorro de energía primaria y no aspectos como un beneficio económico, que puede influir en la elección de un sistema de cogeneración. Además, al utilizar combustibles renovables, como la biomasa, un sistema de cogeneración contribuye significativamente a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero debido a que al utilizarla sus emisiones por combustión se consideran neutrales en carbono. En resumen, para esquemas productivos como en el ramo agropecuario que cuentan con plantas de biogás para tratar estiércol o los ingenios azucarares con calderas para quemar bagazo de caña la cogeneración sigue siendo una medida viable.

Fuente: elaboración propia.

Gráfica 2 Ahorro de energía primaria (∆E_primaria ) en función de ξ (base del análisis σ, ω, η_{distribución} , η _central y α) 

1. 3. Sistemas de calefacción eficientes

De lo que se ha visto, no queda resuelto cómo diseñar sistemas con un alto coeficiente de calefacción. En este sentido, desde un punto de vista termodinámico, los sistemas para proveer calor son una tarea simple. ¿En qué se sustenta esta afirmación? Derivada de la segunda ley de la termodinámica, la cual sienta las bases de la calidad de la energía, ^[3] se sabe que la calidad de energía térmica en niveles de temperatura moderados es muy baja. Por ejemplo, un refrigerador tiene la capacidad de extraer energía térmica de un espacio con el uso de la energía eléctrica (energía de alta calidad) que para usos comunes es menor al flujo térmico transportado; las bombas de calor siguen el mismo principio que los sistemas de refrigeración, solo aprovechando el lado caliente del proceso, que es seguro muchos lectores lo identifican como la "rejilla atrapa pelusas" de los refrigeradores antiguos. Resulta curioso que se sigue usando el mismo término refrigerante para el fluido a pesar de tratarse de un sistema de calefacción. La relación entre el flujo de energía térmica, que es la extracción de calor de un ambiente frío o en caso contrario su descarga hacia un ambiente caliente, y la potencia de energía eléctrica requerida es conocida como coeficiente de operación (COP). Dependiendo del aparato de conversión térmica utilizado, se emplean los conceptos COP_R y COP_HP para propósitos de refrigeración o de calefacción (uso de las siglas inglesas para el refrigerador y la bomba de calor) respectivamente.

Recapitulando, el coeficiente de operación está correlacionado de cierta manera con el coeficiente de calefacción, pero con la diferencia de que el primero se refiere a energía final y el último a energía primaria. Este principio hace factible incrementar la obtención de energía térmica mediante la inversión de energía eléctrica gracias al aprovechamiento de la energía de baja calidad que se tiene con abundancia en el ambiente.

En la actualidad muchos procesos térmicos se basan en la combustión para la liberación de energía térmica, por ejemplo en los procesos de secado, pasteurización/esterilización y cocido o destilación el uso de bombas de calor representa una alternativa más sustentable. Los procesos convencionales desaprovechan cierto potencial de energía. Lo anterior se sustenta en la gráfica 3, en donde se muestra el potencial teórico de sistemas térmicos que operaran entre dos niveles de temperatura. El potencial teórico se deriva del ciclo Carnot, ^[4] que para sistemas de refrigeración/calefacción tiene el valor inverso. El COP de una máquina reversible (máximo teórico) es mayor que el de una máquina real, y su valor se obtiene a partir de las ecuaciones 3 y 4. Se observa que el COP_teórico se determina mediante una relación entre la temperatura del espacio frío (T_F ) y el espacio caliente (T_C ).

La temperatura del ambiente es un elemento aprovechable tanto como sumidero así como fuente de calor, por lo que se considera de gran atención; en lagráfica 3 se trabaja con una temperatura ambiente de 20 °C, la cual está resaltada. Por ejemplo, para una temperatura de refrigeración de 2 °C y una temperatura ambiente de 35 °C se obtiene un COP_R , _Carnot de 8.34. ^[5] Una aplicación común para calefacción es el agua caliente para una ducha a 45 °C, donde si se tiene una temperatura ambiente de 0 °C, resulta en un COP_{HP, Carnot} de 7.07. Ventajosamente, al utilizar una fuente con una temperatura cercana a la del proceso, el COP se incrementa. Por ejemplo, aprovechando la temperatura ambiente de 25 °C, para un proceso de secado que requiere una temperatura de 110 °C, la gráfica 3 muestra un COP_{HP, Carnot} = 4.51, que se incrementa a 7.66 al momento de poder aprovechar un nivel de temperatura de 60 °C, por ejemplo la energía que por alguna razón se disipa en el proceso productivo

Fuente: elaboración propia. Nota: por llegar al infinito para un ∆T = 0 las áreas tienen un recorte a ∆T = 10 °C. La temperatura del ambiente para ambas aplicaciones se resalta con una línea de mayor grosor.

Gráfica 3 COP máximo teórico (COP_Carnot ) para aplicaciones de refrigeración (R) en color azul y aplicaciones de calefacción (HP) en color rojo en los intervalos de temperatura de -10 a 140 °C 

Bajo las circunstancias actuales en México, el uso de una resistencia para calentar agua no solo resulta costoso, sino que también es una forma de desaprovechar la energía primaria, ya que se ubica en el punto inferior de la escala con un ξ de 0.41 (según el balance nacional de energía tiene una relación de energía eléctrica final con energía primaria del 41%). Cabe mencionar que al generar energía eléctrica mediante un sistema fotovoltaico (PV) in situ el valor de ξ se eleva a 1; esto significa que únicamente con la simple combinación entre un sistema PV y una resistencia se logra un ξ superior al obtenido al utilizar una caldera.

1. 4. Sistemas de refrigeración

La generación del frío fue un mayor reto para la humanidad si se compara con la generación de calor, que se logró al momento de dominar el fuego. Se sabe que en el antiguo Egipto los faraones disfrutaban de un sorbete elaborado con hielo que era transportado desde el Líbano (^{Reinink et al., 1995}). Con el invento de máquinas cíclicas para la generación del frío se han dejado de lado costumbres antiguas y se ha ganado experiencia en el desarrollo de una amplia variedad de sistemas de refrigeración. Hoy en día, incluso, se tiene la capacidad de producir hidrógeno líquido a una temperatura de -253 °C.

Para la evaluación comparativa (benchmarking) de los sistemas de refrigeración se toma en cuenta el COP o en SCOP (Seasonal Coefficient of Operation) que se considera, por ejemplo, al tener variación de la temperatura del ambiente durante un periodo prolongado como una estación del año. Por esta razón, se contempló en el cálculo de ejemplo una temperatura de 35 °C una situación no tan favorable como de 20 °C porque lo que define el esfuerzo necesario es una función de la diferencia de temperatura entre los niveles alto y bajo. Como consecuencia, es muy recomendable limitar la diferencia de temperatura en los intercambiadores de calor desde el diseño y durante su operación. Un refrigerador con las superficies de disipación tapadas o llenas de pelusa (en el caso de los antiguos con rejillas) resulta en la reducción del COP y SCOP.

1. 5. Bombas de calor

Por la facilidad que representa el encender un fuego controlado en un boiler y utilizar la energía de combustión para cubrir las necesidades de calor en el ámbito residencial, comercial e industrial, puesto que sus aplicaciones son tan numerosas como incontables, la comodidad de manejo de esta tecnología ha dejado de lado alternativas más sustentables caracterizadas por un ξ mayor a 1 por más de un siglo. Pero en las últimas décadas, debido al incremento del costo de los energéticos y estrategias energéticas convocadas, en algunos países pavimentan el camino hacia esquemas más cuidadosos en el uso de energéticos. Aplicaciones comunes para bombas de calor hoy en día ya son la atemperación de residencias y mantener el confort térmico del agua en albercas. ^{Weber et al. (2014)}demostraron que una bomba de calor operada con un motor de combustión tiene una menor demanda de energía primaria para la operación de albercas que la implementación de sistemas de cogeneración.

Recientemente, se han visto aplicaciones de bombas de calor en la industria, como los procesos de secado, la concentración por medio de evaporación y la atemperación de baños en los procesos de galvanizado (^{Wilk et al., 2017}), por lo que se abarcan aplicaciones de mayor temperatura y de mayor potencia. Además, a pequeña escala, es posible adquirir secadores de ropa y lavadoras cuya tecnología se basa en bombas de calor.

1. 6. Sistemas combinados de refrigeración y calefacción

El mejor desempeño se observa en procesos donde se cuenta con una demanda tanto de calor como de refrigeración, como el caso de la industria alimenticia. Un ejemplo claro es en la elaboración de quesos, ya que se presenta una demanda de calor en la etapa de elaboración y una demanda de frío en el almacenamiento. Otro ejemplo es el de los procesos de galvanizado; en estos se usan tinas para desengrasar que operan a una temperatura mayor de 60 °C y las tinas de galvanizado a 30 °C que requieren refrigeración por las reacciones químicas presentes. Bajo estas circunstancias, es posible combinar el proceso de refrigeración con el de calentamiento usando como única entrada de energía el compresor del fluido.

En la figura 1 se presenta el esquema de una combinación de un proceso de refrigeración con un proceso de calentamiento en la industria alimenticia, que se requiere del primero para mantener el pescado a baja temperatura y también del calor para el agua caliente u otros usos, como la atemperación del sitio.

Fuente: elaboración propia adaptado de ^{Fröschle (2010)}.

Figura 1 Esquema de recuperación de calor para la obtención de agua/aire caliente (I y II) y calefacción en forma de un piso radiante (III) combinado con el propósito de refrigeración 

Se aprecia el retorno de los refrigerantes CO₂ y NH₃ por ser menos dañinos para la capa de ozono y al cambio climático que los FCKW (^{Abas et al., 2018}). En el caso del CO₂ se manejan presiones superiores a los 100 bares lo que desafortunadamente requiere construcciones resistentes a la alta presión. Sin embargo, una ventaja del CO₂ es que se opera en condiciones transcríticas; esto permite diseñar sistemas adecuados para combinaciones de refrigeración/calefacción. En la figura 1 se encuentran tres elementos para el enfriamiento del gas. ^[6] El primer elemento de calefacción es un tanque para el almacenamiento de agua caliente del proceso (lado derecho superior). El segundo elemento de calefacción es un disipador/calentador de aire y como tercer elemento se observa un piso radiante para aprovechar el calor a un nivel más bajo.

El intercambio de calor entre los tres elementos se ilustra en la gráfica 4en forma de un diagrama T-s (temperatura en función de la entropía). Resalta que el refrigerante en los tres intercambiadores de calor (I, II y III) tiene gradientes de temperatura a diferencia de los condensadores que usan de refrigerantes comunes. Esta característica permite diseñar intercambiadores con una menor diferencia de temperatura entre los fluidos, un requisito mencionado para ser más cuidadoso con la calidad de energía.

La generación de entropía en los intercambiadores de calor I, II y III entre el refrigerante y otros fluidos a través de una pared de separación se determina conforme con la ecuación 5.

Un proceso reversible para cualquier intercambio de calor requiere un gradiente de temperatura igual a 0, lo cual resulta en un área infinita de intercambio que en la práctica no es posible, aunado a las fricciones en los fluidos. La ecuación 5 indica que la generación de entropía es proporcional al calor transferido, siendo mayor a temperaturas más bajas y proporcional a la diferencia de temperatura (∆T = T ₁ - T ₂) siempre y cuando ∆T sea de menor magnitud que T ₁. No solo una superficie grande resultará en un ∆T pequeño, sino que también el ajuste adecuado de las capacidades caloríficas de los fluidos mantendrá ∆T similar en cualquier punto del intercambiador. Así, al contar con las herramientas de análisis se puede saber en dónde se pierde calidad de energía para diseñar sistemas más eficientes en las tareas para los que son creados.

Fuente: elaboración propia.

Gráfica 4 Diagrama T-s para un proceso de refrigeración, el refrigerante CO₂ de acuerdo con las etapas con la figura 1