Cogeneración en un hospital: ahorro frente a emisiones
Un hospital tiene una carga base de 420 kW eléctricos y 500 kW térmicos durante 6000 h al año. Se evalúa instalar una cogeneración de 500 kW eléctricos, con rendimiento eléctrico del 39 % y térmico del 43 % sobre el poder calorífico inferior del gas natural. El gas cuesta 0,042 €/kWh y la electricidad comprada 0,16 €/kWh. La caldera existente rinde el 90 % y usa el mismo gas. El mantenimiento del cogenerador se estima en 0,012 €/kWh eléctrico. En verano la demanda térmica baja a 250 kW, por lo que parte del calor recuperable no tendría uso y el cogenerador seguiría funcionando para producir electricidad. Las emisiones son 0,202 kg CO2/kWh de gas y 0,15 kg CO2/kWh de electricidad de red. La dirección quiere saber si el proyecto reduce costes y emisiones, y si conviene dimensionar el motor a 500 kW o a 350 kW eléctricos.
1. Calcula el gas anual, el calor recuperable y el ahorro bruto del cogenerador de 500 kW_e, suponiendo 6000 h y que todo el calor se usa. ¿Cubre la demanda térmica?
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Energía eléctrica anual: 500 kW × 6000 h = 3.000.000 kWh_e.
Gas consumido: 3.000.000/0,39 = 7.692.308 kWh_PCI.
Calor recuperable: 7.692.308 × 0,43 = 3.307.692 kWh_th, equivalentes a 551 kW térmicos medios.
La demanda térmica es 500 kW × 6000 h = 3.000.000 kWh_th. Por tanto, el cogenerador produce más calor del que la instalación puede absorber en la carga base; el excedente sería 307.692 kWh_th y en verano aumentaría. No se puede suponer que todo el calor se usa.
Con el calor limitado a 3.000.000 kWh_th:
- Coste del gas: 7.692.308 × 0,042 = 323.077 €/año.
- Mantenimiento: 3.000.000 × 0,012 = 36.000 €/año.
- Electricidad evitada: 3.000.000 × 0,16 = 480.000 €/año.
- Gas evitado en caldera: 3.000.000/0,90 = 3.333.333 kWh; ahorro = 3.333.333 × 0,042 = 140.000 €/año.
Ahorro neto aproximado: 480.000 + 140.000 − 323.077 − 36.000 = 260.923 €/año. Si se usara todo el calor, el ahorro sería algo mayor, pero no es realista con la demanda indicada.
2. Calcula las emisiones anuales del cogenerador y compáralas con la compra de electricidad y el gas de la caldera para el mismo servicio. ¿Reduce emisiones?
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Emisiones del cogenerador: 7.692.308 × 0,202 = 1.553.846 kg CO2/año, es decir, unas 1.554 t/año.
Sistema separado para el mismo servicio:
- Electricidad de red: 3.000.000 × 0,15 = 450.000 kg CO2/año.
- Caldera: 3.333.333 kWh de gas × 0,202 = 673.333 kg CO2/año.
- Total: 1.123.333 kg CO2/año.
El cogenerador emite unas 431 t CO2/año más que la alternativa separada con los factores dados. Aunque el rendimiento global sea alto, el gas sustituye electricidad de red con un factor de emisión relativamente bajo; por tanto, el proyecto reduce costes pero no reduce emisiones en este escenario.
La conclusión cambiaría si el factor de la electricidad de red fuera más alto, si se usara biometano o si el calor excedentario sustituyera otro combustible fósil. Con los datos dados, no puedo presentarlo como medida de descarbonización.
3. La demanda térmica estival es 250 kW. ¿Cómo afecta al dimensionado y al ahorro? ¿Recomendarías 500 kW_e o 350 kW_e?
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Con 500 kW_e el calor recuperable es 551 kW, muy por encima de los 250 kW de verano. Si el motor sigue produciendo electricidad, una parte importante del calor se disipa; el ahorro térmico real baja y la inversión térmica queda sobredimensionada. Habría que modular, instalar acumulación o limitar las horas de funcionamiento, con lo que también baja la producción eléctrica.
Con 350 kW_e: gas = 350/0,39 = 897 kW; calor = 0,43×897 = 386 kW. Sigue habiendo excedente en verano, pero menor. Electricidad anual = 2.100.000 kWh; gas = 5.384.615 kWh; coste gas = 226.154 €; mantenimiento = 25.200 €; electricidad evitada = 336.000 €; calor útil máximo 2.315.385 kWh_th; gas evitado en caldera = 2.572.650 kWh; ahorro gas = 108.051 €. Ahorro neto aproximado = 192.700 €/año.
El 500 kW_e ahorra más dinero, pero desperdicia más calor y aumenta más las emisiones. Si el criterio principal es económico y se acepta la penalización de CO2, el 500 kW_e puede defenderse; si hay objetivo de emisiones, no recomendaría ninguno de los dos sin biometano, recuperación útil del calor o una alternativa de electrificación. El 350 kW_e es más fácil de integrar, pero no convierte el proyecto en bajo en carbono.