Elaborada por:
Ing. Ana Catalina Villalobos González
Ing. Gloriana Alvarado Ramírez
Febrero 2014
Estudio de pre-factibilidad para una planta de co-generación a partir de biomasa lignocelulósica seca
INSTITUTO COSTARRICENSE DE ELECTRICIDADC. S. INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
ÁREA DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS ALTERNATIVAS
Contenido
• Objetivos ICE-IEA
• Antecedentes
• Propuesta
• Evaluación del residuo y del proceso
• Consideraciones para el estudio de pre-factibilidad
• Resultados del estudio de pre-factibilidad
• Conclusiones
• Recomendaciones
Objetivos ICE-IEA
Aprovechamientodel potencialbiomásico existenteen Costa Rica
Fomentar proyectos de generación eléctrica y de cogeneración a partir de biomasa seca residual.
Diversificación de la matriz energética
Desarrollar
proyectos de
generación de
energía
Objetivos ICE-IEA
Producciónde energíamás limpia.
Disminucióndel efectoinvernadero
Tratamiento integral y uso alternativo de residuos
Generación de fuentes de empleo
Generar
impacto social y
ambiental
positivo
Antecedentes
Estudios preliminares• Estudio por parte de ICE, referente a diversos tipos de
biomasa (2011-2012):
• Caracterización de la biomasa
• Potencial másico y energético
• Ubicación del recurso (logística/accesibilidad)
Biomasa seleccionada: madera
• Forestal residual
• Residuos generados en la industria (aserrío y otros)
Antecedentes
Industria
• Conversación con diferentes aserraderos en el país.
• Negociación con Aserradero seleccionado.
• Instalaciones ubicadas en una de las zonas de mayor actividad forestal del país.
• Plantaciones forestales propias + planes forestales, garantizando:
•Materia prima disponible y sostenible en el tiempo.
• Tipo de residuos generados por la industria:•Diferentes formatos: astillas, aserrín, polvo.
•Se dispone de gran cantidad de material almacenado en patios
• Presenta requerimientos energéticos : térmicos y eléctricos
•Proceso de secado.
Propuesta
Industria que genera y almacena residuos de forma constante
• Problemas ambientales por generación de metano y otros
• Conatos de incendio
Problema planteado
Residuos aprovechables
energéticamente
• Propuesta
Solución tecnológica
Industria con
requerimientos
energéticos
Proyecto de cogeneración y su estudio de pre- factibilidad
Propuesta
Sistema de cogeneración conbiomasa:
Proceso de cogeneración en el
que se produce simultáneamente
energía eléctrica y energía
calorífica útil a partir de un
combustible.
Para:
1. AUTOCONSUMO y
2. VENTA DE ELECTRICIDAD
Integración de sistemas de energía
Calor
Electricidad
EvaluaciónCaracterización química,
física y energética del residuo
Definición del potencial utilizable
(másico y energético)
Estacionalidad
Recolección y transporte
Evaluación del residuo de biomasa
Selección de la tecnología de
transformación y generación
Evaluación económica-financiera
Procesos de la industria
Principales procesos
de la industria
Aserrío y secado de
madera
Planta de aglomerados
Planta de laminados
Características principales de la biomasa “tipo equivalente”
• Humedad de la
biomasa: 44% b.h.
• Poder calórico de la
biomasa: 9 400 kJ/kg.
Cantidad de biomasa “tipo equivalente”: 20 000 t/año.
Planta de laminados,
alimentada por una
caldera de vapor
Planta de aglomerados, con dos
consumos (secadora rotativa y el
proceso de prensado) alimentados
con una caldera de aceite térmico
Planta de aglomerados, con dos
consumos (secadora rotativa y el
proceso de prensado) alimentados
con una caldera de aceite térmico
Principales procesos de la industria
Proceso de secado,
alimentado por una
caldera de vapor
Principales procesos
de la industria
Aserrío y secado de
madera
Planta de aglomerados
Planta de laminados
Requerimiento térmico: calor de proceso
Escenario 1
� 55% del tiempo trabajan 3
plantas.
� 5 658 kWt
Escenario 2
� 45% del tiempo trabajan 2
plantas (no considera planta de
laminados).
� 4 112 kWt
Tiempo laborado: 7 350 h/año Tiempo laborado: 7 350 h/año
Patrón de carga (12 al 16 de marzo 2013)
� Picos de consumo que
llegan a los 1,2 MWe,
entre semana durante el
día
Requerimiento eléctrico
� Valles en el consumo
eléctrico que descienden
a 80 kWe especialmente
fines de semana y
durante las noches
El consumo medio anual se ha estimado como 320 kWe
CONSIDERACIONES PARA EL ESTUDIO DE PRE-FACTIBILIDAD
Planta de Co-generación para aprovechamiento de residuos de biomasa
Requisitos presentados por el desarrollador
Se requiere que el sistema propuesto
cubra el mayor requerimiento
térmico posible.
Biomasa de proceso
Biomasa en pila de material almacenado
(160 000 t aprox., permitiendo extraer de
la pila 8 000 t/año).
Compra de biomasa a lo externo de la industria: no sobrepasar el 25 % de la biomasa generada por el aserradero anualmente.
Se pretende no cambiar el equipo de
combustión que posee la industria
(caldera).
Residuo aprovechable
Criterios de evaluación
Criterios técnicos
� Cubrir la mayor cantidad de procesos térmicos, mediante la planta de
cogeneración.
� Los casos en los que la turbina presente una potencia menor a 200 kWe
son considerados no viables técnicamente, ya que se debe comprobar
la existencia de estos equipos en el mercado.
� Asegurar las condiciones de operación de caldera: remplazo .
� Disponibilidad de la biomasa: menor o igual a 20 000 t/año.
� En caso de requerirse compra de biomasa, no debe sobrepasar el 25%en relación a la biomasa total disponible en proceso por año.
Criterios de evaluación
Criterios económico-financieros
�Valor actual Neto (VAN)
�Tasa Interna de Retorno (TIR)
Consideraciones:
� Egresos: se fija precio a la biomasa ($ 8,3/t), se asume compra
interna y externa de la misma.
� Ingresos: el único ingreso considerado para las plantas de
cogeneración, corresponde a la venta/ahorro de electricidad(9,3 c$/kWe).
� Principal inversión inicial: Sustitución de la caldera.
El costo total es una estimación realizada a
partir de datos de plantas similares en
funcionamiento � Es uno de los datos que
presenta más incertidumbre y tendrá que ser
ajustado en fases futuras.
$ 8,3/t
Estudio de mercado preliminar
Determinar el costode la biomasa
Identificar posiblecompetencia para la
biomasa.
Inexistencia de un mercado formal para
los residuos de madera� riesgo para el
proyecto.
RESULTADOS DEL ESTUDIO DE PRE-FACTIBILIDAD
Planta de Co-generación para aprovechamiento de residuos de biomasa
Ruta termoquímica seleccionada
� Combustión
� Disponible y madura a nivel comercial
� Tipo y calidad de biomasa se adapta a la tecnología
� Experiencias exitosas con la tecnología
Evaluación realizada
Diferentesconfiguracio-nes
Sustitución de la caldera instalada en la empresa
Compra de biomasa.
Diferentes potenciaseléctricas
Cobertura térmica de los diferentes procesos
22 escenarios evaluados
Ejemplo de evaluación realizada
Parámetro evaluadoCondExt
1
CondExt
2
CondExt
3
CondExt
4
CondExt
5
CondExt
6
CondExt
7
CondExt
8
CondExt
9
Utilización de la energía térmica
Vapor a secadores de madera X X X X X X X X X
Vapor a planta de aglomerados X X X
Vapor a planta laminados X X X
Datos técnicos
Cambio de caldera actual X X X X X
Uso de biomasa adicional
(pila/compra)
X X X X X X X
Potencia eléctrica (We, kW) 1 200 443 1 200 1 200 1 200 1 200 250 1 200 1 200
Diseño conceptual propuesto
Configuraciones de 320 kWe de potencia (consumo energético promedio del aserradero).
Posibilidad de Neteo: planta operando 24 h/día, entregará a la red la misma cantidad de energía consumida por la industria
Diseño conceptual
De los 22 casos, se seleccionaron 2 de ellos
Diseño conceptual propuesto
Esquema del ciclo de
vapor de una planta de
cogeneración a
condensación con
extracción
Características de los casos seleccionados
Parámetro Unidades Caso 1 Caso 2
Procesos cubiertos con cogeneración NA Secado Secado y laminados
Aseguramiento de condiciones de operación de
CalderaNA Sí Sí
Tamaño de turbina disponible en el mercado NA Sí Sí
Disponibilidad de biomasa tipo equivalente
(w=44% b.h.)(t/año) Sí Sí
Biomasa a comprar (%) 0 0
Potencia eléctrica (We) (kW) 320 320
Potencia de la caldera (kW) 2 732 3 631
Costo total de la planta de cogeneración en dólares
Costo total (M$) 1,55 1,91
Inversión específica ($/kWe) 4 853 5 979
Resultados económico-financieros
ConfiguraciónIndicadores
financieros
Escenario con
financiamiento externo
Caso 1 VAN ($) 377 793
TIR (%) 24,4
Caso 2VAN ($) 170 801
TIR (%) 18,1
Análisis de Sensibilidad
Caso 2Caso 1
y = -5E+06x + 525794
R² = 0.9912
-50,000
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
350,000
0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0% 10.0% 12.0%
y = -5E+06x + 396679
R² = 0.9982
-20,000
0
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
120,000
140,000
0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0%
Variación del VAN con el cambio en el costo de la b iomasa
Conclusiones
� Los casos seleccionados presentan:
� Cumplen los criterios de evaluación propuestos.
� Cubren algunas demandas térmicas de la industria mediante
cogeneración.
� Viabilidad técnica y económica.
� Se tiene la posibilidad de cubrir las demandas eléctricas bajo un
esquema de neteo.
� La empresa obtiene reducción de costos energéticos y optimización
del proceso productivo.
Recomendaciones
• Existen casos que no cumplen con algunos de los criterios de evaluación
planteados, no obstante, éstos brindan opciones interesantes para la empresa.
• Debe integrarse dentro de un nuevo análisis financiero, la ventaja que
representa la generación del vapor para autoabastecimiento en los diferentes
procesos (ahorro por no comprar electricidad para la producción de vapor),
siendo esta otra razón que justificaría las inversiones requeridas.
• Para los casos en que se mantiene la caldera actual, no se puede asegurar su
viabilidad técnica y económica, por no disponer de un diagnóstico queasegure las condiciones mínimas de operación de ese equipo. Debido a lo
anterior se recomendó a la empresa evaluar el estado real de la caldera.
Recomendaciones
• Se debe realizar un estudio de mercado más detallado, el cual confirme la
información utilizada en este estudio.
• Se recomendó a la empresa implementar un sistema de almacenamiento que
minimice el deterioro de la biomasa debido a que en la actualidad se
almacena en patios al aire libre.
• Se debe impulsar la integración de la energía en el sistema productivo,
haciendo uso eficiente de la energía térmica que puede ser generada con
biomasa (procesos que apliquen eficiencia energética en su desarrollo).