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

Estudio de pre-factibilidad para una planta de cogeneración con biomasa seca

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

EVALUACION DEL RESIDUO Y DEL PROCESO

Aserradero

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).

¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!