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Trabajo Fin de Máster ANÁLISIS ENERGÉTICO, MEDIOAMBIENTAL Y ECONÓMICO DE LA IMPLANTACIÓN DE UN SISTEMA DE CO-COMBUSTIÓN CON CÁMARA TORSIONAL EN LA CENTRAL TÉRMICA TERUEL Autor/es Jesús Antonio Miravete Peris Director/es Francisco Javier Royo Herrer Escuela de Ingeniería y Arquitectura Diciembre 2013 Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 2 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 3 AGRADECIMIENTOS Primeramente quería mostrar mi más sincero agradecimiento al tutor de este proyecto, Javier Royo Herrer, por su dedicación y la forma en la que se ha involucrado en él. La motivación recibida por su parte ha hecho que la realización de este proyecto sea tan gratificante. En segundo lugar agradecer cariñosamente a mis padres y mi hermana, porque simplemente siempre están ahí. Agradecer también a Inés Lasala, porque su corrección y sus consejos han hecho que este proyecto sea un poco mejor. Por último agradecer a mis compañeros del máster, con los que he tenido grandes momentos y apoyo mutuo sensacional. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 4 ABSTRACT Energetic, environmental and economic analysis of implantation a co-firing system with Torsional Chamber The objetive of this Project is to analyze the use of the torsional chamber as a biomass burner in C.T.Teruel. The system consists in a cylindrical chamber, in wich biomass particles are burned in aerodynamic suspension. The main advantage of this system is that permits a long residence time of biomass particles, wich permit to work with big particle size (until 30 mm). In this study, this system is compared with conventional systems of direct co-firing (combustion with/without specific burners), to check the viability. All co-firing systems alters the operation of the original power plant, thus the most influential technical aspects have been quantified and studied: boiler efficiency reduction, excess air, energy consumption in biomass pretreatments, investiment and additional cost in operation and maintenance. To evaluate this system and compare with conventional systems of direct cofiring, three analysis were carried out. • Energy • Environmental • Economic A methodology has been developed for each analysis. It consists in literature reviews, a simulation in a software (EES) and the use of a software of life cycle assessment (Simapro). After the study, it is remarkable that the torsional chamber is the most advantageous technology from the energetic, environmental and economic parameters, respect the other technologies of direct co-firing. This is a global study, each case may be studied to get optimal conditions of operation. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 5 RESUMEN Análisis energetic, medioambiental, y económico de la implantación de un sistema de co-combustión de Cámara Torsional en la Central Térmica Teruel El objetivo de este proyecto es analizar el uso de la cámara torsional como un quemador de biomasa en la Central Térmica Teruel. El sistema consiste en una cámara cilíndrica, en el cual las partículas de biomasa se queman en suspensión aerodinámica. La principal ventaja de este sistema es que permite un mayor tiempo de residencia de las partículas de biomasa, lo que hace posible trabajar con tamaños de partícula mayores (hasta 30 mm). En este estudio, dicho sistema se compara con sistemas convencionales de co-combustión directa (combustión de partículas de biomasa con o sin quemadores especifícos), para estudiar su viabilidad. Todos los sistemas de co-combustión alteran la operación original de la planta, por ello se hace necesario evaluar y estudiar los aspectos técnicos del proceso: disminución de rendimiento térmico, exceso de aire, consumo de energía en pretratamientos de biomasa, costes inversión y mantenimiento. Para evaluar este sistema y compararlo con los sistemas convencionales de cocombustión directa, se han llevado a cabo tres análisis. • Energético • Medioambiental • Económico Para cada uno de estos análisis se ha desarrollado una metodología independiente. Consisten en revisions bibliográficas, simulación con software (EES) y el estudio de ciclo de vida (Simapro). Después de este studio, se llega a la conclusion de que la cámara torsional es la tecnología más ventajosa desde el punto de vista energético, medioambiental y económico, respecto de las otras tecnologías de co-combustión directa. Este es un estudio global, cada caso debe ser estudio de forma particular para optimizer las condiciones de operación. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 6 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 7 INDICE GENERAL 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 11 1.1 Biomasa ....................................................................................................................... 11 1.2 Co-combustión ............................................................................................................ 12 1.3 Cámara torsional ......................................................................................................... 14 1.4 Alcance y objetivos ..................................................................................................... 15 2. CO-COMBUSTIÓN CON CÁMARA TORSIONAL ....................................................... 15 2.1 La cámara torsional: funcionamiento .......................................................................... 16 2.2 Integración de la cámara torsional en una caldera de potencia .................................. 17 2.3 Ventajas e inconvenientes frente a otras tecnologías de co-combustión ..................... 18 3. ASPECTOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS DE LA CO - COMBUSTIÓN ................. 19 3.1. Influencia en los pretratamientos de la biomasa herbácea ......................................... 19 3.1.1. Metodología ............................................................................................................ 20 3.1.2. Resultados ............................................................................................................... 21 3.2. Costes de operación y mantenimiento e inversión. .................................................... 21 3.2.1. Costes de inversión .................................................................................................. 22 3.2.2. Costes de operación y mantenimiento ..................................................................... 22 4. METODOLOGÍA ................................................................................................................ 24 4.1. Análisis energético ...................................................................................................... 24 4.2. Análisis económico ..................................................................................................... 27 4.3. Análisis medioambiental ............................................................................................. 27 4.4. Evaluación de recursos ................................................................................................ 28 5. APLICACIÓN A LA CENTRAL TÉRMICA TERUEL ................................................. 28 5.1. Central Térmica Teruel ............................................................................................... 29 5.2. Evaluación de recursos ................................................................................................ 29 5.3. Variaciones técnicas de funcionamiento con co-combustión ...................................... 31 5.3.1. Metodología ............................................................................................................ 32 5.3.2. Aplicación a Central Térmica Teruel ...................................................................... 33 5.4. Análisis energético ...................................................................................................... 35 5.5. Análisis económico ..................................................................................................... 36 5.6. Análisis ambiental ....................................................................................................... 38 6. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 40 7. REFERENCIAS ................................................................................................................... 42 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 8 ÍNDICE FIGURAS Figura1: Cámara torsional sin su aislante externo (20 t/h de vapor saturado a 12 bar)……….…...14 Figura2: Esquema funcionamiento cámara torsional……………………………………………………….……...16 Figura3: Esquema de instalación de una cámara torsional en una caldera de potencia…………....17 Figura4: Esquema caldera con integración de una cámara torsional…………………………………….....18 Figura5: Consumo energético de molienda para recursos herbáceos……………………………………….21 Figura6: Esquema análisis energético del proceso…………………………………………………………………..24 Figura7: Distribución de recursos disponibles a 100 km………………………………………………………….31 Figura8: Disminución del rendimiento en función del porcentaje de sustitución en energía…....32 Figura9: Beneficio neto en función del precio de la biomasa………………………………………………….37 Figura10: Valor Actual Neto (VAN) en función del precio de la biomasa……………………………...37 Figura11: Tasa Interna de Retorno (TIR) en función del precio de la biomasa...........................38 Figura12: Evaluación de impacto en el ACV para las tecnologías comparadas..........................39 ÍNDICE TABLAS Tabla1: Recursos herbáceos……………………………………………………………………………………………………20 Tabla2: Costes de inversión…………………………………………………………………………………………………….22 Tabla3: Coste adicional en operación y mantenimiento………………………………………………………….23 Tabla4: TRE carbón y biomasa………………………………………………………………………………………………24 Tabla5: Cantidad de recursos disponibles……………………………………………………………………………….30 Tabla6: Composición de la biomasa promedio……………………………………………………………………….31 Tabla7: Composición del carbón y la biomasa promedio C.T.Teruel………………………………………33 Tabla8: Condiciones de operación en co-combustión para un 5% de sustitución…………………….34 Tabla9: Datos para el análisis energético……………………………………………………………………….……….35 Tabla10: Resultados obtenidos en el análisis energético……………………………………….……….……….35 Tabla11: Datos de funcionamiento general……………………………………….……….……………………….….36 Tabla12: Consumo de combustible en cada tecnología comparada……………………………….……….38 Tabla13: Emisiones evitadas de CO2 y porcentaje de reducción en las mismas con respecto a la central convencional ……………………………………….……….…………………………………………….………….….39 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 9 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 16 2.1 La cámara torsional: funcionamiento El modo de funcionamiento de la cámara torsional se representa en la Figura 2 y se resume a continuación. Existen dos corrientes de aire que operan en la cámara torsional. El aire secundario, se introduce a través de un gran número de toberas laterales, que garantiza una elevada vorticidad. El combustible entra tangencialmente en el interior de la cámara mediante transporte neumático con el aire primario, manteniéndose en suspensión neumática y produciéndose el primer proceso de pirolisis o devolatilización. Tras este proceso, el residuo carbonoso que queda se concentra en la periferia de la cámara, lo que permite la rápida conversión de las partículas a su fase gaseosa [8]. Figura 2: Esquema funcionamiento cámara torsional. Fuente: Centro de Producción más Limpia – INTEC Chile / Cooperación Técnica Alemana GTZ. Dado este funcionamiento, se logran temperaturas más uniformes que en sistemas convencionales, haciendo de este sistema un quemador de baja generación de óxidos de nitrógeno (NOx). A su vez, cabe destacar que entre el 20 y el 40% de las cenizas quedan retenidas en el interior de la cámara, desde donde son extraídas con frecuencia. La cámara torsional puede operar con cualquier biomasa sólida capaz de ser transportada neumáticamente. No existen limitaciones de quemar simultáneamente partículas de diversos tamaños o densidades, siempre en el rango de 0,1 a 30 mm. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 17 Otra ventaja presente es la capacidad de la cámara de operar con bajos excesos de aire, del orden del 10% (que produce una disminución del rendimiento menor). 2.2 Integración de la cámara torsional en una caldera de potencia La cámara torsional debería ser instalada de tal manera que el agua/vapor de la caldera pase a través de ella, a la vez que los gases de combustión de la biomasa entraran al hogar, tras ceder parte de su energía, donde completarían su combustión y acabarían de ceder su energía útil. Figura 3: Esquema de instalación de una cámara torsional en una caldera de potencia Los tubos de agua de la cámara torsional y del hogar están conectados, aunque la co-combustión de biomasa se produce de forma independiente. Los gases de combustión producidos por la biomasa salen a través de la garganta y se mezclan con los del carbón. Los detalles de instalación (pared de caldera, altura, número de cámaras torsionales…) van a estar condicionados por muchos factores. Para la posición óptima se debe estudiar cada caso en particular, realizando diversas pruebas que exceden del objetivo de este proyecto. En la Figura 4 se muestra una posible configuración de instalación. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 18 Figura 4: Esquema caldera con integración de una cámara torsional. Fuente: Elaboración propia. Cabe destacar, que aunque nunca se ha llevado a cabo una idea de cocombustión como aquí propuesta, su viabilidad técnica está asegurada por la gran experiencia del uso de la cámara torsional en otras aplicaciones. 2.3 Ventajas e inconvenientes frente a otras tecnologías de co-combustión La co-combustión con cámara torsional, presenta las siguientes ventajas [9]: • Puede ser adaptada a cualquier tipo de caldera de potencia. • Presenta gran flexibilidad, ya que puede trabajar con un amplio rango de tipos de biomasa o incluso una mezcla de estos. • Requiere menor pretratamiento, ya que puede trabajar con tamaños de partícula de hasta 30 mm con un 30% de humedad. • Debido a la combustión separada del carbón y biomasa, la disminución del rendimiento de caldera es mínima. • Gran retención de las cenizas de combustión, entre el 20 y el 40% antes de llegar a la caldera de carbón. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 19 A pesar de ser un buen sistema de obtención de energía, la co-combustión con cámara torsional presenta la incertidumbre de ser un sistema que no ha sido realmente probado en esta actividad, de ahí la duda de su viabilidad Además los costes de inversión inicial son algo mayores que para el resto de los casos de co-combustión. 3. ASPECTOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS DE LA CO - COMBUSTIÓN El principal y gran inconveniente de la co-combustión es que las calderas que operan en las centrales térmicas convencionales de carbón, son específicas para ese combustible. Por ello la adición de biomasa puede disminuir la eficiencia y la capacidad de la planta, conforme aumenta el porcentaje de sustitución de biomasa. La biomasa presenta valores de humedad mayores que el carbón, además de un incremento en monóxido de carbono (CO) y mayor porcentaje de inquemados. Todo ello genera una disminución del rendimiento térmico. 3.1. Influencia en los pretratamientos de la biomasa herbácea La cantidad de energía necesaria para los pretratamientos es proporcional al tamaño de partícula. A su vez, el tamaño de partícula necesario varía en función de la tecnología de co-combustión utilizada. Para el caso de co-combustión sin quemadores específicos de biomasa, se requiere un tamaño de partícula entre 1-2 mm; para co-combustión con quemadores específicos de biomasa pulverizada 3-4 mm y para la cámara torsional 10 mm, aunque puede operar con valores de hasta 30 mm [14,15,16]. Se pretende determinar la influencia del tamaño de partícula sobre el consumo energético para la biomasa herbácea. Con ello se pretende estimar los consumos energéticos que suponen las operaciones de pretatamiento. Los valores recopilados en este análisis se han obtenido a partir de la revisión bibliográfica, por ello los datos deben de servir solamente de referencia. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 20 3.1.1. Metodología La metodología desarrollada para este caso consiste en la revisión bibliográfica de distintas pruebas experimentales de molienda para biomasa herbácea. La Tabla 1 muestra diferentes tipos de biomasa herbácea, con su respectiva humedad, los diferentes tamaños a los que ha sido molida y la correspondiente energía que ha sido necesaria invertir. Tabla 1: Recursos herbáceos. Elaboración propia a partir de [17,18, 19] Biomasa Humedad (% base húmeda) Tamaño de parilla por molinos de martillos (mm) Consumo energético especifico (kWh/t) Referencias Cebada 13,5 50 3,15 Adapa & al (2011) 13 30 1,7 12,4 6,4 8,26 No disponible 3,2 18,59 No disponible 1,6 25,1 12 0,8 99,49 Mani & al (2004) 12 1,6 27,09 Canola 15,1 50 1,96 Adapa & al (2011) 15,1 30 1,46 13,4 6,4 12,38 No disponible 3,2 25,73 No disponible 1,6 35,7 Avena 13,1 50 2,74 Adapa & al (2011) 13,1 30 5,68 10,3 6,4 16,23 No disponible 3,2 29,62 No disponible 1,6 41,52 Trigo 15,6 50 2,27 Adapa & al (2011) 15,6 30 2,05 13,3 6,4 12,26 No disponible 3,2 28,02 No disponible 1,6 42,57 12,1 0,8 45,32 Mani & al (2004) 12,1 1,6 43,56 12,1 3,2 24,66 10 2 23,74 Spliethoff & Hein (1998) 10 4 9,5 10 6 7,12 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 21 3.1.2. Resultados A partir de los datos recopilados de las diversas experiencias para biomasa herbácea, se ha determinado el consumo energético específico. Para ello se ha realizado una curva de consumo energético en función del tamaño de luz de malla del molino (ver Figura 5). El consumo energético se muestra en kWh por cada tonelada pretratada. Figura 5: Consumo energético de molienda para recursos herbáceos. Fuente: Elaboración propia a partir de [17,18, 19] Los datos de consumo de molienda herbácea obtenidos, se utilizarán junto con los datos de consumo de molienda leñosa obtenidos por Juana María Alarcón Rodríguez [47], para realizar un consumo medio para la biomasa en general. Se utilizará posteriormente en el capítulo 4. 3.2. Costes de operación y mantenimiento e inversión. Se detallan en este apartado los costes de los distintos tipos de co-combustión directa. Como la práctica de la co-combustión todavía no es una actividad muy generalizada, es difícil determinar los costes de inversión, así como, los costes asociados a la operación y el mantenimiento. y = 46,545x-0,804 R² = 0,885 0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 50 60 Consumo medio específico de molienda (kWh/t) Molino de martillos, luz de malla (mm) Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 22 3.2.1. Costes de inversión Los costes de inversión, necesarios para la adaptación de la central térmica base a co-combustión se han determinado a partir de una extensa revisión bibliográfica de diferentes experiencias en Estados Unidos y Europa. Para el caso de la cámara torsional se ha consultado directamente con el fabricante. Los costes de inversión obtenidos se muestran en la Tabla 2, en euros por cada kW instalado. Para la fácil comparación se han redondeado los valores encontrados. Tabla 2: Costes de inversión. Elaboración propia a partir de [20, 21, 22, 23, 24, 25] Co-combustión sin quemadores Co-combustión con quemadores Co-combustión con cámara torsional Coste reformas (€/kW) 100 150 160 Coste instalación pretratamientos (€/kW) 400 350 300 La co-combustión sin quemadores específicos de biomasa es la que presenta una menor inversión inicial, puesto que precisa menores reformas de caldera, sin embargo, requiere mayor inversión en equipos de pretratamientos, por necesitar un tamaño de partícula menor para su operación. En el caso de co-combustión con quemadores específicos de biomasa la inversión en reformas es mayor, pero al permitir un tamaño de partícula mayor se reducen los costes de equipos de pretratamientos. Para la cámara torsional se necesita una inversión mayor que para quemadores específicos de biomasa, sin embargo, requiere mucho menor coste en equipos de pretratamientos. Todo ello hace que la cámara torsional sea la tecnología de menor inversión. 3.2.2. Costes de operación y mantenimiento Para la obtención de los costes de operación y mantenimiento se ha realizado una extensa revisión bibliográfica, para los diferentes casos de estudio [22, 23, 26]. Dado que estos costes son proporcionales al consumo en pretratamientos, se han realizado los cálculos para que el coste sea mayor conforme aumenta dicho consumo. Para ello se han considerado costes fijos y variables, siendo los fijos costes comunes a las tres tecnologías, mientras que los variables se han acotado para que sean iguales o menores al caso más desfavorable de pretratamientos, que corresponde al caso de cocombustión sin quemadores. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 23 La ecuación 1 muestra como se ha realizado el cálculo: 𝑂&𝑀= 0,13 + 0,19 ∗𝑊𝑝𝑟𝑒𝑡 𝑊𝑝𝑟𝑒𝑡sin𝑞𝑢𝑒𝑚 (1) Donde • 𝑂&𝑀 : costes de operación y mantenimiento, en c€/kWh, • 𝑊𝑝𝑟𝑒𝑡: consumo energético en astillado y molienda, en kJ/kg biomasa. • 𝑊𝑝𝑟𝑒𝑡sin𝑞𝑢𝑒𝑚: consumo energético en astillado y molienda para la cocombustión sin quemadores, en kJ/kg biomasa. Los costes fijos para las tres tecnologías corresponden a 0,13 c€/kWh, mientras que los costes variables se calculan a partir de los consumos específicos para cada tecnología respecto al consumo sin quemadores específicos. La Tabla 3 muestra los costes asociados a la operación y mantenimiento para los tres casos de estudio en euros por cada kWh producido, siendo el caso más favorable la cámara torsional, por permitir un tamaño de partícula mayor. Tabla 3: Coste adicional en operación y mantenimiento [Elaboración propia] Co-combustión sin quemadores Co-combustión con quemadores Co-combustión con cámara torsional O y M (c€/kWh) 0,32 0,26 0,17 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 24 4. METODOLOGÍA El siguiente capítulo muestra la metodología desarrollada para la realización del análisis energético, económico y ambiental, que posteriormente se aplicará para el caso de la Central Térmica Teruel. Mientras que la metodología de análisis energético y económico ha sido desarrollada por mí, la metodología del análisis ambiental ha sido desarrollada por Juana María Alarcón Rodríguez [48]. 4.1. Análisis energético El objetivo de este análisis es determinar el rendimiento en la producción de electricidad por el uso de un determinado combustible, teniendo en cuenta todos los consumos implicados en el proceso de la energía (ver Figura 6). Figura 6: Esquema análisis energético del proceso [Elaboración propia] La producción de los combustibles, para su posterior uso en la producción eléctrica, requiere una cantidad de energía para su extracción o manufactura. Por ello cuanto mayor sea la energía invertida en la producción del combustible, menor será el rendimiento global de producción de electricidad (ver ecuación 2). 𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜=𝑊 𝐸𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎1+𝐸𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎2+𝐸𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎3+𝐸𝑛𝑒𝑡𝑎 (2) Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 25 Este análisis se ha realizado de acuerdo a una metodología basada en la tasa de retorno energético de cada combustible (TRE). Este valor adimensional determina la relación entre la energía que proporciona el combustible y la que ha sido necesaria invertir para su producción (ver ecuación 3). 𝑇𝑅𝐸=𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 (3) Atendiendo a los diversos modos de obtención del TRE, en la bibliografía existen valores dispares para un mismo combustible. Este hecho se debe a que todavía no es un parámetro muy normalizado y existen multitud de metodologías de cálculo. Para solventar este problema, la mejor opción es realizar una amplia búsqueda bibliográfica para obtener distintos valores, calculando posteriormente un valor promedio. Cabe destacar que en la obtención del dato del TRE para la biomasa no deben considerarse los biocarburantes obtenidos a partir de biomasa. La producción de estos combustibles requiere de un gran aporte energético, obteniéndose valores del TRE incluso inferiores a 1 [27, 28]. Los valores del TRE del carbón y de la biomasa obtenidos se reflejan en la Tabla 4. Tabla 4: TRE carbón y biomasa [Elaboración propia] Valor Referencia TRE carbón 54 [27,28,39,40] TRE biomasa 27 [27,28,39,40] El rendimiento del proceso de producción de energía del carbón se calcula teniendo en cuenta la eficiencia actual de la central y el TRE del carbón. Este nuevo rendimiento (ecuación 4) tiene en cuenta la penalización energética sufrida por la obtención del combustible. 𝜼𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜−𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛=𝜼𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙∗�1 (1+� 1 TREcarbón�� (4) Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 32 el rendimiento de la caldera (que afecta al rendimiento neto de la central) y los consumos en pretratamientos. 5.3.1. Metodología Para estimar la disminución de rendimiento experimentada en la caldera, se ha desarrollado un programa con la aplicación EES (Engineering Ecuation Solver), que permite determinar el valor del rendimiento final, a partir del porcentaje de sustitución de biomasa junto con las condiciones técnicas de operación. El programa se ha diseñado considerando los siguientes parámetros: • Composición y PCI del carbón. • Composición y PCI de la biomasa. • % Inquemados (CO, inquemados en residuo sólido). • Temperatura ambiente, de gases de escape y de cenizas • % Exceso de aire A partir de estos datos se procede al cálculo del rendimiento térmico sobre PCI mediante el método de pérdidas separadas, considerando las siguientes pérdidas; calor sensible de gases, calor sensible de residuos, combustible inquemado, monóxido de carbono y cenizas (ecuación 6). Las variaciones de funcionamiento entre los diversos sistemas de estudio corresponden al porcentaje de inquemados (CO y C), el residuo sólido (% cenizas) y el exceso de aire. 𝜂𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙= 1 −𝑃𝑔𝑠−𝑃𝑦𝑟−𝑃𝑐−𝑃𝑐𝑜−𝑃𝑐𝑒𝑛 (6) Para poder comparar los valores obtenidos en EES, se ha realizado una extensa revisión bibliográfica, que se refleja en la Figura 8, en base a experiencias de cocombustión, en la que se muestran porcentajes de disminución de rendimiento en función del porcentaje de sustitución de energía. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 33 Figura 8: Disminución del rendimiento en función del porcentaje de sustitución en energía. Elaboración propia a partir de [9,10,11,12,13]. Por lo general, y como puede observarse en la Figura 8, la disminución de rendimiento es creciente conforme aumenta el porcentaje de energía de sustitución de biomasa por carbón. Para un 5% de sustitución de biomasa por carbón, en términos de energía, las experiencias analizadas muestran una disminución de entre 0,2 y 0,5 puntos porcentuales sobre el rendimiento neto de la central sobre PCI. Este rango permitirá contrastar los datos obtenidos por la simulación. 5.3.2. Aplicación a Central Térmica Teruel La Central Térmica Teruel consume un carbón con una composición promedio como se muestra en la Tabla 7, compuesto por un 75% de carbón local y 25% procedente de Sudáfrica [36, 37]. Tabla 7: Composición del carbón y la biomasa promedio C.T.Teruel [Elaboración propia] Carbón C % 49,39 H % 3,44 O % 10,07 N % 1,04 S % 5,23 Cenizas % 24,99 Humedad % 5,84 PCI (kJ/kg) 18670,25 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 5 10 15 20 25 Discminución de rendimiento Sustitución en energia (%) Marek Pronobis (2006) Astillas Marek Pronobis (2006) Paja Amanda Dulcina Cuellar (2012) Batista et al 2000 Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 34 • Exceso de aire: el exceso de aire es un factor determinante en la disminución de rendimiento en caldera y, adicionalmente, va a suponer un incremento en el consumo de ventiladores al aumentar el caudal volumétrico de aire y gases. Esto se debe principalmente a la diferencia de tamaño entre las partículas de carbón y las de biomasa. Puesto que una central de carbón convencional suele operar con un exceso del 20% [38], en co-combustión se tendrá un exceso mayor. El exceso para co-combustión con quemadores específicos de biomasa pulverizada y sin quemadores específicos, se supone del 22,5% y el 25% respectivamente. Para la cámara torsional, debido a que no existen experiencias, se supone igual que para el caso de quemadores específicos de biomasa pulverizada, aunque posiblemente sea menor por el mayor recorrido de las partículas. • Inquemados: como no se dispone de datos exactos, se han supuesto las siguientes aproximaciones. La combustión que tiene lugar en la central convencional es muy buena, por tanto se estima un 1% de inquemados. Para el caso de sin quemadores específicos de biomasa, al existir una diferencia entre el tamaño de las partículas y no ser un quemador adecuado para biomasa, se considera un 4%. Finalmente, se considera un 2% de inquemados para quemadores específicos de biomasa. Teniendo en cuenta estos parámetros y un porcentaje de sustitución del 5%, se obtienen los siguientes reflejados en la Tabla 8: Tabla 8: Condiciones de operación en co-combustión para un 5% de sustitución [Elaboración propia] Exceso de aire % C residuo Incremento caudal volumétrico aire y gases % % Disminución rendimiento sobre PCI CT de Carbón 20 1 0 0 Co-co sin quemadores 25 4 5,44 1,64 Co-co con quemadores * 22,5 2 2,33 0,5 Para la cámara torsional se obtiene una disminución de 0,5 puntos porcentuales, que se encuentra dentro del rango de las experiencias analizadas en el capítulo 5.3.1. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 35 5.4. Análisis energético A continuación se aplica la metodología descrita en el capítulo 4.1., para realizar el análisis energético de la Central Térmica Teruel. Para ello se precisan una serie de datos de entrada, que se detallan en la Tabla 9. El último dato de la tabla es el valor del rendimiento del proceso de producción eléctrica integro con carbón. Tabla 9: Datos para el análisis energético [Elaboración propia] Datos Valor Referencia 𝛈𝐧𝐞𝐭𝐨𝐏𝐂𝐈 0,349 [29] 𝐓𝐑𝐄𝐂𝐚𝐫𝐛ó𝐧 54 [28], [39], [40], [41] 𝐓𝐑𝐄𝐁𝐢𝐨𝐦𝐚𝐬𝐚 27 [12], [40], [41] 𝐏𝐂𝐈𝐁𝐢𝐨𝐦𝐚𝐬𝐚 17.606 (kJ/kg) Bioraise % Sustitución 5 𝛈𝐜𝐚𝐫𝐛ó𝐧 0,34265 [Elaboración propia] Tras evaluar la influencia del carbón utilizado y un porcentaje de sustitución del 5% en energía sobre PCI, se presentan los resultados obtenidos en la Tabla 10 para los tres casos de estudio. Tabla 10: Resultados obtenidos en el análisis energético [Elaboración propia a partir de simulación] Resultados Sin quemadores Con quemadores Cámara torsional 𝛈𝐜𝐨−𝐜𝐨 0,31988 0,32726 0,33769 Flujo biomasa (kg/s) 9,03093 9,00108 9,00108 Dimensionamiento pretratamientos (kW) 3622 2431 749 𝛈𝐩𝐫𝐨𝐜𝐞𝐬𝐨−𝐜𝐨−𝐜𝐨 0,34729 0,34844 0,34844 Para los casos de co-combustión estudiados, la cámara torsional y los quemadores específicos de biomasa pulverizada, representan la mejor opción en el proceso neto de producción eléctrica. Sin embargo el rendimiento de la central de cocombustión con cámara torsional es mayor, por requerir un menor consumo en pretratamientos. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 36 5.5. Análisis económico A partir de la metodología descrita en el capítulo 3.2. se realiza el análisis económico de la central Térmica Teruel, para estudiar la viabilidad económica de los tres casos de estudio. Los principales datos de entrada para el estudio son el rendimiento neto de la central sobre PCI, los costes de pretratamientos, los costes de inversión y reformas. Se ha considerado un tiempo de operación anual de 7.000 horas, de acuerdo a previsiones para 10 años de nuevos proyectos de co-combustión en Europa [42]. Se muestran en la Tabla 11 los siguientes datos generales considerados. Tabla 11: Datos de funcionamiento general [Elaboración propia] Datos generales Periodo de amortización (años) 15 Interés de amortización (%) 5 Derechos de emisión (€/tCO2) 12 Precio del carbón (c€/kWh, PCI) 0,9 [43] Precio de la electricidad (c€/kWh) 5 En base a antiguas inversiones de la Central Térmica Teruel, se ha considerado un periodo de amortización de 15 años, con un interés al 5% [44]. El precio de los derechos de emisión se ha fijado en 12 euros por cada tonelada de CO2 [44, 45]. Actualmente este precio es mucho menor pero previsiblemente es una situación que va a cambiar en los próximos años. Para cumplir con los objetivos europeos de 2020, de producir al menos un 20% del total de la energía a partir de sistemas renovables [47], se espera que el estado incentive esta producción con una nueva ley en los próximos años. Por ello se ha considerado una prima conservadora de 1 c€/kWh producido a partir de biomasa. Para el cálculo del precio de la electricidad se ha obtenido un valor aproximado de entre todos los precios de mercado en el último año [46]. En lo referente al precio de la biomasa, no es un valor fácilmente cuantificable, pudiéndose considerar aceptables entre 1 y 1,5 c€/kWh. Los resultados calculados representan el incremento en el beneficio neto que se obtiene con la aplicación de las tres tecnologías de co-combustión analizadas, respecto a la situación inicial de operación con carbón. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 37 Las Figuras 9, 10 y 11 muestran los indicadores económicos considerados en este estudio, analizados siempre en función del coste de la biomasa: beneficios (k€/año), Valor Actual Neto (VAN, M€) y Tasa Interna de Retorno (TIR, %) respectivamente. Figura 9: Beneficio neto en función del precio de la biomasa [Elaboración propia] Figura 10: Valor Actual Neto (VAN) en función del precio de la biomasa [Elaboración propia] -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Beneficio (k €/año) Coste biomasa (Cent.€ / kWh) Sin quemadores Con quemadores Cámara Torsional -150 -100 -50 0 50 100 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 VAN (M€) Coste biomasa (Cent.€ / kWh) Sin quemadores Con quemadores Cámara Torsional Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 38 Figura 11: Tasa Interna de Retorno (TIR) en función del precio de la biomasa [Elaboración propia] Cabe destacar que se han considerado precios bajos para el derecho de emisión, cuando las perspectivas de incremento son mayores, por lo que supondrá una fuente de ingresos importante. Los resultados muestran que con una prima de 1 c€/Kwh, la cámara torsional resulta rentable para precios de biomasa razonables. Por otro lado los quemadores específicos de biomasa también obtienen beneficio, pero a precios de biomasa muy bajos. Para el caso de sin quemadores, la opción es inviable económicamente. 5.6. Análisis ambiental A partir de la metodología desarrollada por Juana María Alarcón Rodríguez [48], se procede a realizar la evaluación ambiental de la Central Térmica Teruel. Dicho análisis de ciclo de vida (ACV) evalúa la categoría de calentamiento global. Se muestra en la Tabla 12 el consumo de combustible por TJe producido, para cada una de las tres tecnologías de estudio, siendo dependiente del rendimiento global de la central. Tabla 12: Consumo de combustible en cada tecnología comparada [Elaboración propia] Consumo Carbón t/TJe producido Consumo biomasa t/TJe producido C.T. Carbón 153,47 - Co-co sin quemadores 148,54 8,28 Co-co con quemadores 146,75 8,18 Co-co cámara torsional 146,75 8,18 -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 TIR % Coste biomasa (Cent.€ / kWh) Sin quemadores Con quemadores Cámara Torsional Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 39 El objetivo principal de este análisis ambiental es cuantificar las emisiones de gases de efecto invernadero expresada en kg de CO2 equivalentes por cada TJe producido. Se muestra a continuación en la Figura 12 las emisiones finales generadas por cada tecnología de estudio. Figura 12: Evaluación de impacto en el ACV para las tecnologías comparadas [Elaboración propia] En la Tabla 13 se muestran las emisiones evitadas, tras la implantación de cada una de las tres tecnologías de estudio, junto con el porcentaje de reducción de las mismas, obtenidos del análisis ambiental. Tabla 13: Emisiones evitadas de CO2 y porcentaje de reducción en las mismas con respecto a la central convencional [Elaboración propia] Emisiones totales CO2 evitadas (kg/TJe producido) % reducción de emisiones de CO2 Co-combustión sin quemadores 7526 2,24 Co-combustión con quemadores 11839 3,53 Co-combustión cámara torsional 12749 3,81 335.167 327.641 323.328 322.418 315.000 320.000 325.000 330.000 335.000 340.000 C.T. carbón Co-combustión sin quemadores Co-combustión con quemadores Co-combustión cámara torsional kg CO2 equivalentes por TJe producido Tecnologías kg de CO2 equivalentes C.T.Teruel Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 40 Dados los resultados obtenidos, la cámara torsional es la tecnología con menor potencial de calentamiento. Ello se debe a que permite tamaños de partícula mayores, lo que reduce de manera considerable el consumo en pretratamientos, que se traducen en menores emisiones equivalentes de CO2. Para un porcentaje de sustitución del 5% se produce una reducción del 3,81% sobre el total de las emisiones. Este valor es algo menor que el porcentaje de sustitución, debido a la producción, transporte y pretratamiento de la biomasa, que si presentan emisiones. La instalación de cocombustión con quemadores específicos de biomasa presenta resultados similares, pero siempre más desfavorables que la cámara torsional. Por tanto la tecnología más ventajosa, en cuanto a términos ambientales se refiere, es la cámara torsional. 6. CONCLUSIONES Todos los sistemas de co-combustión estudiados presentan una disminución de rendimiento neto de la central, siendo la cámara torsional junto con los quemadores específicos los que menor disminución generan. Respecto al impacto ambiental, todas las tecnologías presentan una reducción de emisiones de CO2, siendo la cámara torsional el mejor de los casos de estudio. Este hecho viene motivado por su menor consumo energético en los pretratamientos. En cuanto a inversiones, la cámara torsional representa la opción más económica, a pesar de que la reforma en caldera sea mayor que en el caso de no disponer de quemadores específicos de biomasa. Los costes de inversión en pretratamientos son mucho menores, así como su operación. Para el caso estudiado, con una prima de 1 c€/kWh y un precio de la biomasa de 1,2 c€/kWh, la cámara torsional resulta rentable. A pesar de que es necesario llevar a cabo un detallado estudio aerodinámico para optimizar la situación y operación de las cámaras torsionales, se llega a la conclusión de que la generación de electricidad con biomasa (55,22 MW) mediante co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel, aprovechando los recursos disponibles en un radio de 100 km y con una prima de 1 c€/kWh es técnica y económicamente factible. Análisis energético, medioambiental y económico de la implantación de un sistema de co-combustión con cámara torsional en la Central Térmica Teruel Universidad de Zaragoza Página 41 Este sistema de co-combustión, de entre los estudiados, es el que presenta mejores resultados energéticos, medioambientales y económicos. Esto se debe a la menor penalización de rendimiento, bajo consumo de pretratamientos y baja inversión. Ello hace que esta tecnología pueda llegar a ser una de las más interesantes alternativas de co-combustión en el futuro, desde el punto de vista energético, medioambiental y económico, tanto para la Central Térmica Teruel como para otras centrales de carbón pulverizado.