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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO PARA LA IMPLANTACIÓN DE UN SISTEMA DE COGENERACIÓN EN UNA PLANTA AGROPECUARIA Autor : Ana Bes Miras Director : Antonia Gil Martínez Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica Departamento de Ingeniería mecánica, Área de Máquinas y Motores Térmicos Escuela Universitaria de Ingeniería y Arquitectura (antes E.U.I.T.I.) Universidad de Zaragoza Marzo, 2.012 TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 2 de 106 ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN ............................................................................................................................ 7 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 7 FASES DEL PROYECTO .......................................................................................................... 8 CAPÍTULO 1. ........................................................................................................................ 9 INTRODUCCIÓN Y REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. ....................................................................... 9 1 BIODIGESTIÓN APLICADA A INSTALACIONES AGROPECUARIA ..................................... 10 1.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL BIOGÁS ............................................................ 11 1.2 PLANTA DE BIOGÁS .................................................................................................... 12 1.3 INSALACIONES NECESARIAS EN LA PLANTA DE BIOGÁS ............................................ 14 2 CICLO RANKINE .......................................................................................................... 18 2.1 CICLO RANKINE ORGÁNICO (O.R.C.) .......................................................................... 19 2.2 ACOPLAMIENTO DE UN MOTOR-CICLO RANKINE ORGÁNICO .................................. 21 3 MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA BIOGÁS (M.A.C.I.) ................ 21 3.1 ¿CÓMO SON? ............................................................................................................. 21 3.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES ................................................................................. 23 3.3 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS MACI .............................................................. 25 3.4 PRINCIPALES FABRICANTES ....................................................................................... 26 4 METODOLOGÍA DE TRABAJO ...................................................................................... 27 CAPÍTULO 2. ...................................................................................................................... 28 EJEMPLO TIPO DE GRANJA PORCINA. ................................................................................. 28 5 DEFINICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA GRANJA ................................................. 29 5.1 LOCALIZACIÓN MÁS APROPIADA PARA LA GRANJA .................................................. 30 5.2 CANTIDAD NECESARIA DE CERDOS ............................................................................ 31 5.3 NECESIDADES TÉRMICAS DE LAS GRANJAS PORCINAS .............................................. 31 6 PRODUCCIÓN ÓPTIMA DE BIOGÁS ............................................................................. 33 6.1 CARACTERÍSTICAS DEL DESECHO ............................................................................... 34 6.2 CÁLCULO DE POTENCIAS ............................................................................................ 34 7 REQUERIMIENTOS DE LOS EQUIPOS NECESARIOS ....................................................... 37 7.1 PRESELECCIÓN DE MOTORES QUE SUPLEN ESTA DEMANDA TÉRMICA .................... 39 7.2 CONCLUSIÓN DE LA PRESELECCIÓN DE LOS MOTORES ............................................. 51 7.3 PLANTA DE BIOGÁS. INVERSIÓN EN LAS INSTALACIONES NECESARIAS .................... 52 8 CONCLUSIONES ......................................................................................................... 54 CAPÍTULO 3. ...................................................................................................................... 55 TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 3 de 106 ANÁLISIS ECONÓMICO. ...................................................................................................... 55 9 INGRESOS PARA EL MOTOR GUASCOR SFGLD 180 ...................................................... 57 9.1 COMPLEMENTOS ....................................................................................................... 58 9.2 INGRESOS ANUALES TOTALES.................................................................................... 59 9.3 GASTOS EN ELECTRICIDAD, O&M Y SEGUROS ........................................................... 60 9.4 ANÁLISIS DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO ........................................................ 60 9.5 INGRESOS DEL MOTOR GUASCOR SFGLD 180 ........................................................ 60 9.6 ESTUDIO DE LA FINANCIACIÓN DEL PROYECTO ........................................................ 64 9.7 GASTOS FINANCIEROS PARA EL GUASCOR SFGLD 240 .............................................. 66 9.8 ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE LA INVERSIÓN.......................................................... 67 10 INGRESOS PARA EL MOTOR AB ECOMAX 2BIO............................................................ 71 10.1 COMPLEMENTOS ....................................................................................................... 72 10.2 INGRESOS ANUALES TOTALES.................................................................................... 73 10.3 GASTOS APROXIMADOS EN ELECTRICIDAD, O&M Y SEGUROS ................................. 74 10.4 ANÁLISIS DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO ........................................................ 74 10.5 INGRESOS DEL MOTOR ECOMAX 2BIO ...................................................................... 74 10.6 ESTUDIO DE LA FINANCIACIÓN DEL PROYECTO ........................................................ 78 10.7 GASTOS FINANCIEROS PARA EL ECOMAX 2BIO ......................................................... 80 10.8 ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE LA INVERSIÓN.......................................................... 82 11 INGRESOS PARA EL MOTOR ECOMAX 2.5BIO .............................................................. 85 11.1 COMPLEMENTOS ....................................................................................................... 86 11.2 INGRESOS ANUALES TOTALES.................................................................................... 87 11.3 GASTOS ...................................................................................................................... 88 11.4 ANÁLISIS DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO ........................................................ 88 11.5 INGRESOS DEL MOTOR ECOMAX 2.5BIO ................................................................... 88 11.6 ESTUDIO DE LA FINANCIACIÓN DEL PROYECTO ........................................................ 92 11.7 GASTOS FINANCIEROS PARA EL ECOMAX 2.5BIO ...................................................... 94 11.8 ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE LA INVERSIÓN.......................................................... 96 12 CONCLUSIONES.OPCIÓN ELEGIDA .............................................................................. 99 13 OPCIÓN ELEGIDA SIN SUBVENCIONES ...................................................................... 100 14 CONCLUSIONES ....................................................................................................... 102 15 AGRADECIMIENTOS ................................................................................................. 103 16 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 103 ANEXOS........................................................................................................................... 105 TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 4 de 106 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Componentes principales del biogás. Fuente: James & James Ltd ............................... 11 Tabla 2. Motores para biogás y sus características. Fuente: Guascor Power ............................. 25 Tabla 3. Necesidades térmicas de los cerdos en invierno. Fuente: IDAE. ................................... 32 Tabla 4. Necesidades térmicas de los cerdos en primavera. Fuente: IDAE. ............................... 32 Tabla 5. Relación Tªtiempo de retención en el digestor. Fuente: elaboración propia ............. 33 Tabla 6. Características del fluido. Fuente: elaboración propia .................................................. 34 Tabla 7. Temperaturas mes a mes de la zona. Fuente: Instituto Nacional de Meteorología. .... 36 Tabla 8. Motor Caterpillar CAT G3508LD. Fuente: Caterpillar. ................................................... 40 Tabla 9.Motores ab Gruppo. Características. Fuente: ab Gruppo .............................................. 41 Tabla 10. Motor ab Gruppo Ecomax 2BIO. Fuente: AB Energy ................................................... 42 Tabla 11. Motor ab Gruppo Ecomax 2.5 BIO. Fuente: AB Energy ............................................... 44 Tabla 12. Motor Gruppo ab Ecomax 5BIO. Fuente: AB Energy ................................................... 46 Tabla 14.Motores GUASCOR POWER. Características. Fuente: GUASCOR POWER .................... 47 Tabla 15. Motor Guascor SFGLD 240. Características. Fuente: Guascor Power ......................... 48 Tabla 16.Motor Guascor SFGLD 180. Características. Fuente: Guascor Power .......................... 50 Tabla 17. Motores preseleccionados. Fuente: elaboración propia............................................. 52 Tabla 18. Precios de los motores preseleccionados. Fuente: elaboración propia ...................... 54 Tabla 19. Valores del IPC. Fuente: elaboración propia ............................................................... 61 Tabla 20. Tarifas, primas y complementos anuales. Motor Guascor SFGLD 180. Fuente: elaboración propia ...................................................................................................................... 62 Tabla 21. Ingresos para el motor Guascor SFGLD 180. Fuente: elaboración propia .................. 63 Tabla 22. Gastos para el motor Guascor SFGLED 180. Fuente: elaboración propia ................... 64 Tabla 23. Evolución del préstamo. Motor SFGLD 180. Fuente: elaboración propia ................... 67 Tabla 24. Análisis completo de la rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia ..... 69 Tabla 25.Indicadores principales del análisis de rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia ...................................................................................................................... 70 Tabla 26. Valores del IPC. Fuente: elaboración propia ............................................................... 75 Tabla 27.Tarifas, primas y complementos anuales para el motor Ecomax 2BIO. Fuente: elaboración propia ...................................................................................................................... 76 Tabla 28.Ingresos para el motor Ecomax 2BIO. Fuente: elaboración propia ............................. 77 TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 5 de 106 Tabla 29.Gastos para el Ecomax 2BIO. Fuente: elaboración propia ........................................... 78 Tabla 30. Evolución de la Inversión. Motor Ecomax 2BIO. Fuente: Elaboración propia. ............ 81 Tabla 31.Análisis completo de la rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia ...... 83 Tabla 32.Indicadores principales del análisis de rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia ...................................................................................................................... 84 Tabla 33.Valores del IPC .Fuente: elaboración propia ................................................................ 89 Tabla 34. Tarifas, primas y complementos anuales para el motor AB ecomax 2.5BIO. Fuente: elaboración propia ...................................................................................................................... 90 Tabla 35. Ingresos para el motor AB Ecomax 2.5BIO. Fuente: elaboración propia .................... 91 Tabla 36. Gastos para el motor AB ecomax 2.5BIO. Fuente: elaboración propia ....................... 92 Tabla 37. Evolución del préstamo. Motor ecomax 2.5BIO. Fuente: elaboración propia ............ 95 Tabla 38. Análisis completo de la rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia ..... 97 Tabla 39. Indicadores principales del análisis de rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia ...................................................................................................................... 98 Tabla 40. Payback, TIR y VAN para el motor seleccionado SIN subvenciones. Fuente: elaboración propia .................................................................................................................... 100 TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 6 de 106 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema de una planta de biogás. Fuente: ABT Group ............................................... 13 Figura 2. Esquema de Ciclo Rankine básico ................................................................................ 19 Figura 3. Esquema del ORC. Fuente: ICAI .................................................................................... 20 Figura 4. Mapa por comarcas de potencial de producción. Fuente: PROBIOGAS ...................... 30 Figura 5. Motor Caterpillar-Finanzauto CAT G3508LD ................................................................ 40 Figura 6. Instalación Ecomax BIO ................................................................................................ 42 Figura 7. Motores Guascor .......................................................................................................... 47 TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 7 de 106 RESUMEN En este proyecto se desarrolla un estudio tanto en el ámbito técnico como en el económico, de la implantación de un sistema de cogeneración en una planta agropecuaria, en la cual se quiere obtener biogás a partir de purines. Estos desechos como ya se conoce, están compuestos por un 95% de agua y un 5% de excrementos y orines porcinos. A estos purines se les aplican sofisticados tratamientos físico-químicos durante un periodo de días, con el fin de obtener biogás en el digestor a una temperatura determinada. Este sistema consiste en una digestión anaeróbica y su posterior generación de energía eléctrica y térmica, mediante un motor de cogeneración para la posterior venta de dicha electricidad producida. Las tarifas, primas y demás requisitos, quedan recogidos en el Real Decreto 661/2007 para instalaciones en Régimen Especial. Este tipo de instalaciones permite obtener un máximo aprovechamiento energético, una eliminación de efluentes al exterior y una minimización de todo tipo de emisiones. La eliminación de estos desechos es un tema que preocupa desde hace tiempo al sector ganadero puesto que un litro de purines es cien veces más contaminante que un litro de aguas residuales urbanas. Siendo que ahora existe la solución de eliminar de forma más limpia esos residuos, a la par que se están obteniendo beneficios con la venta de la electricidad producida, resulta muy interesante el instalar una planta de cogeneración de estas características. El estudio de este proyecto está centrado esencialmente en el ámbito económico del mismo. Se trata de un estudio en el cual se realizará un análisis técnico de motores que puedan suplir las necesidades de la granja a estudiar, (la demanda térmica de los animales, demanda térmica del digestor para la producción de biogás, cumplimiento del rendimiento eléctrico equivalente siendo el del motor siempre mayor que el mínimo estipulado y asegurar el correcto funcionamiento del motor con la cantidad de biogás producida diariamente). Y posteriormente se analizarán cada uno de ellos para averiguar cuál de es el más rentable es decir, con cuál de ellos se recupera antes la inversión realizada. OBJETIVOS Los principales objetivos del proyecto que a continuación se desarrolla son los siguientes:  Determinar las posibilidades más rentables económicamente, para la aplicación de métodos de obtención de energía, la cual trabaja bajo el amparo de la legislación de la producción de energía en Régimen Especial.  Estudio básico de la composición de una instalación para la obtención de biogás a partir de purín de cerdo.  Determinar la manera de tratamiento de los residuos de la granja (purín de cerdo), los cuales son altamente contaminantes en el caso de filtración a los acuíferos subterráneos. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 8 de 106  Estudio de los diversos motores y equipos principales para este sistema de producción de biogás.  Valoración de la viabilidad tanto económica como técnica de las diferentes opciones barajadas. FASES DEL PROYECTO Este proyecto está desarrollado en tres fases las cuales quedan a continuación descritas más detalladamente: CAPÍTULO 1. Introducción y revisión bibliográfica: En este capítulo se hace una introducción al tema tratado es decir, a la biodigestión y a los tipos de motores y ciclos con los que opera el biogás. En él se pueden ver características principales de los motores y los sistemas de limpieza que necesitan dichos residuos. CAPÍTULO 2. Ejemplo tipo de granja porcina: En él se realiza un estudio de la mejor zona para establecer la granja y el número de cerdos que debe poseer para que haya un flujo suficiente para la producción de biogás. Así como quedan determinadas las potencias óptimas para la producción de dicho gas teniendo en cuenta las características del fluido. Finalmente, se realiza un estudio técnico de los equipos necesarios tanto principales como auxiliares, y se procede a una preselección de los motores que suplen la demanda. CAPÍTULO 3. Análisis económico: Aquí se comparan los 3 motores preseleccionados en el anterior capítulo, realizando un análisis de los ingresos, de los gastos y por último la rentabilidad del proyecto con cada uno de ellos eligiéndose así, el más rentable. Por último se realiza una conclusión teniendo en cuenta los diferentes resultados obtenidos, siendo ésta elección final la opción más favorable para el proyecto. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 9 de 106 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 16 de 106 El biodigestor es básicamente un cilindro impermeable y sellado (para poder realizar el proceso de manera anaeróbica), por donde entran las materias a tratar convenientemente humedecidas. Dentro de ellos no hay oxígeno y las bacterias anaeróbicas se multiplican y procesan la materia orgánica produciendo así gas metano. En éstos deben controlarse ciertas condiciones de pH, presión y temperatura a fin de que se pueda obtener un óptimo rendimiento. Los biodigestores están construidos de manera que los excrementos se quedan allí bajo condiciones anaeróbicas durante aproximadamente unos 30 días. Los microorganismos son quieres llevan a cabo la base de este tratamiento anaeróbico. Se suelen producir por cada Tonelada de estiércol de cerdo, unos 65m3 de biogás. La materia orgánica se descompone en varios pasos hasta que se obtiene el biogás. Posteriormente, este biogás debe ser sometido a un proceso de depuración mediante el cual se separa el metano del dióxido de carbono y de otros gases que se hallan también pero en menor proporción. La ventaja de la utilización de un sistema de metanización es la reducción de los olores producidos por la descomposición y la carga contaminante propia de los purines. A su vez, también se reducen los microorganismos que pueden causar enfermedades en personas o animales. Aquí quedan esquematizados las diferentes partes:  Digestor, válvulas y bombas  Control del digestor y aire comprimido  Coste del transporte del purín a la planta SISTEMA DE LIMPIEZA Para la obtención de un biogás más eficiente, se ha de eliminar de él diferentes contaminantes como ácido sulfhídrico o compuestos de silicio mediante el uso de carbón activo especial. Por ello es necesario el pretratamiento del gas mediante deshumidificación y calentamiento, permite obtener resultados óptimos en el proceso de limpieza. Los resultados positivos de la limpieza eficiente del biogás son: una combustión limpia y una mayor disponibilidad de la planta. De esta manera, se logra minimizar el nivel de emisiones contaminantes a la atmósfera, reduciendo a su vez el desgaste del motor, los intervalos de servicio y de mantenimiento, aumentando al mismo tiempo la rentabilidad de la planta. Por lo tanto, los beneficios obtenidos en dicho sistema de limpieza de gases son:  Óptimo funcionamiento de las máquinas (motores, turbinas, etc…) relacionadas con su aprovechamiento como combustible.  Reducción del coste de mantenimiento de las máquinas involucradas. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 17 de 106  Prolongación de la vida útil de las máquinas utilizadas para su bombeo, extracción y compresión.  Minimización de las emisiones de los gases de escape de las máquinas motoras.  Evitar concentraciones tóxicas al ser humano, posibles enfermedades… Los diferentes componentes por lo tanto que se han de eliminar en este proceso son: -Vapor de agua: éste disminuye drásticamente el poder calorífico inferior (PCI) del biogás así como también facilita la formación de ácidos corrosivos. -Hidrocarburos halogenados: Algunos de ellos también favorecen la corrosión de partes internas de las máquinas. - Sulfuro de hidrógeno: En altas concentraciones resulta muy tóxico para el ser humano. Su falta de tratamiento promueve la formación de óxidos de azufre y de ácido sulfúrico los cuales son también altamente corrosivos. -Silicio: Los depósitos de sílice en las diferentes partes internas de las máquinas (parecido al talco), obstruyen gravemente las válvulas y otras piezas fundamentales del motor. Para la correcta eliminación de dichos elementos, lo más adecuado es realizar el tratamiento en dos etapas: Tratamiento primario: Primera etapa en la reducción de la cantidad de contaminantes. Esta etapa es generalmente llevada a cabo por medio de trampas de condensados, que precipitan junto con el exceso de humedad a los contaminantes de mayor densidad. Tratamiento secundario: Diseñados para proporcionar un nivel de limpieza de gas mayor. Incluyen tratamientos físicos, químicos y biológicos tales como sistemas de refrigeración y secado, torres biológicas de eliminación de sulfuros y filtros de carbón especialmente activado. Descripción del sistema: En primer lugar se realizará un enfriamiento previo (condensación) para reducir la humedad. A continuación se reduce aún más la temperatura (hasta unos 2ºC) para reducir así el nivel de silicios. Posteriormente se ha de proceder al lavado del biogás, para la reducción de gases ácidos y del amoníaco, y a la extracción de condensados. Más tarde, para eliminar los silicios y compuestos halógenos, se utiliza el carbón activo pasando acto seguido al catalizador de oxidación. Para finalizar, el biogás ha de ser refrigerado y secado para acondicionarlo para su uso. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 18 de 106 2 CICLO RANKINE El ciclo Rankine es lo denominado también ciclo de potencia es decir, de generación de energía. Éste, en su versión más simple, está compuesto por cuatro procesos como se puede observar en la Figura 2 más abajo, los cuales van a ser explicados a continuación. En primer lugar, el vapor generado en la caldera el cual se encuentra en condiciones de presión y temperatura elevadas, se expande a través de la turbina para producir trabajo, descargándola posteriormente a baja presión. Si se desprecian el calor transferido al ambiente, los balances de masa y de energía se reducen a que la diferencia entre la entalpía a la entrada y a la salida de la turbina, es igual al trabajo desarrollado por unidad de masa la cual circula por la turbina. Las energías tanto cinética como potencial se desprecian como ya se ha dicho con anterioridad. Posteriormente, en el condensador se transfiere calor del vapor de agua de refrigeración la cual circula en un flujo separado para no mezclarse. El vapor se condensa y la temperatura del agua de refrigeración por consecuencia, aumenta. En este caso para el condensador, la diferencia entre la entalpía de entrada al mismo y la salida de él, es igual a la energía transferida en forma de calor desde el fluido de trabajo al agua de refrigeración por unidad de masa del fluido que atraviesa el condensador. Esta energía es positiva en la dirección de salida del condensador. A continuación, el líquido procedente del condensador, es bombeado hasta la presión de la caldera. Completando así el ciclo cuando este líquido llega de nuevo a la caldera. Queda comprobado así que el cambio de la entalpía específica para el vapor que se expande en la turbina es mucho mayor que el aumento de entalpía para el líquido que se expande en la turbina a través de la bomba. Así la relación de trabajos es muy baja para ciclos de potencia de vapor. Resulta muy instructivo considerar un ciclo ideal en el q no existen irreversibilidades y para comportamientos ideales en ausencia de esos efectos. Éste, evidentemente, tendrá un rendimiento mayor que el de un ciclo Rankine real. El ciclo Rankine ideal consiste en idear un ciclo en el cual, al pasar el fluido de trabajo a través de los diversos componentes de un ciclo simple de vapor sin irreversibilidades, no existirán pérdidas de ningún tipo debidas a la presión ni a los rozamientos en la caldera y el condensador. Por ello el fluido de trabajo pasará a través de estos equipos a presión constante. También, en ausencia de irreversibilidades y sin transferencia de calor al entorno, los procesos en la turbina y la bomba serán isoentrópicos. Este tipo de ciclos también tiene la posibilidad de sobrecalentar el vapor. Pero en la realidad, hay que tener en cuenta que en los ciclos reales suceden irreversibilidades es decir, los ciclos ideales no existen. En la turbina y en la bomba los procesos no son isoentrópicos (aunque sean adiabáticos) y en la caldera existen pérdidas de presión y hay diferencias de temperatura con el foco caliente (irreversibilidades externas). En el condensador también se producen pérdidas de presión y diferencias de temperatura con el refrigerante. Es conocido que al aumentar la presión en la caldera, se aumenta a su vez el rendimiento pero también tiene sus inconvenientes: Baja el título del vapor a la salida de la turbina y este hecho puede producir corrosión en ella. Aumenta el espesor de los tubos y por ello se encarece empeorando a su vez, la transmisión de TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 19 de 106 calor y la seguridad del mismo. Por ello la mejor opción es realizar un sobrecalentamiento del vapor en la misma caldera para así conseguir:  Aumentar la temperatura media en la caldera aumentando a su vez el rendimiento como se ha citado anteriormente.  Evitar bajos títulos y por lo tanto sus correspondientes corrosiones.  También conviene reducir la presión de condensación pues así se reduce la temperatura media de desprendimiento, aumentando a su vez el rendimiento. Figura 2. Esquema de Ciclo Rankine básico 2.1 CICLO RANKINE ORGÁNICO (O.R.C.) El ciclo Rankine orgánico es bastante similar al ciclo Rankine básico pero a diferencia de éste, no utiliza el agua como fluido sino que utiliza un fluido orgánico. La temperatura de operación de este ciclo nunca puede sobrepasar los 350ºC, es más debe encontrarse entre los 70 y los 300ºC. Debido a que el fluido con el que opera es orgánico y este tiene unas propiedades físicas diferentes a las del agua, la expansión del vapor saturado no conduce a la zona de vapor húmedo, sino que se queda en la zona anterior a esa, la zona de vapor sobrecalentado. Habitualmente para incrementar la eficiencia de estos ciclos, puede utilizarse un regenerador entre el condensador y la turbina para precalentar ese fluido orgánico y así tenerlo a una temperatura óptima para su uso. A su vez, para hacerlo aun más eficiente, puede utilizarse un economizador para recuperar el calor de los gases de escape de la caldera y así, reutilizar ese calor de nuevo. La TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 20 de 106 ventaja frente a otros líquidos es que los fluidos orgánicos pueden calentarse directamente en la caldera debido a que poseen bajas temperaturas. Esto hace que, al no necesitar una caldera de vapor, los costes de inversión y su posterior mantenimiento sean considerablemente menores. Pero eso no es todo, estas instalaciones poseen otra ventaja frente a las turbinas de vapor convencionales. Ésta es la posibilidad de operar con cargas parciales desde el 30 hasta el 100% de plena carga. Las plantas que suele haber instaladas rondan los 300 y 400 kWe aunque esto no implica que haya equipos de hasta 1MWe. Los costes de inversión de este tipo de plantas son similares o ligeramente superiores a los de un ciclo Rankine no orgánico. La mayor desventaja del ciclo Rankine orgánico es la relativa baja eficiencia del mismo (inherente a las limitaciones termodinámicas) y los relativamente grandes tamaños de los equipos intercambiadores de calor. Por tanto, es importante emplear métodos para incrementar la eficiencia térmica y para disminuir el tamaño de dichos intercambiadores de calor. Técnicas atractivas para conseguir ambos objetivos serían el uso de recuperadores de calor y el empleo de regeneradores. Aquí queda representado el esquema del ciclo Rankine orgánico y su diagrama T-S: Figura 3. Esquema del ORC. Fuente: ICAI TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 21 de 106 2.2 ACOPLAMIENTO DE UN MOTOR-CICLO RANKINE ORGÁNICO En instalaciones como la que posteriormente se va a estudiar (de cogeneración que usa biogás como combustible). Se puede incluir un ciclo Rankine orgánico también llamado ORC. Este consistiría en un ciclo combinado en el cual el ciclo de alta sería el motor alternativo de combustión interna y el ciclo de baja se trataría de un ciclo Rankine orgánico. En el presente proyecto, no se ha incluido el ORC al sistema de cogeneración puesto que no es rentable realizar ambas cosas a la vez (la instalación de cogeneración más el ORC). Una vez recuperada la inversión del sistema de cogeneración, sí que se podría contemplar la instalación del ciclo Rankine orgánico cuyo funcionamiento ha sido explicado en el apartado 2.1. de este primer capítulo. 3 MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA BIOGÁS (M.A.C.I.) 3.1 ¿CÓMO SON? El origen de los motores térmicos se remonta a 1860 cuando nació, gracias a Lenoir, el primer motor industrial que funciona con explosiones, pero sin compresión previa. Posteriormente, el motor de "compresión previa y ciclo de cuatro tiempos", definido por Beau de Rochas (1862) y realizado por Otto en 1878, provee a la industria de un motor de media potencia, cuyo precio y complicación no son comparables al conjunto generador-máquina de vapor. En 1893, Rudolph Diesel enunció el principio del motor de "combustión interna y alta compresión previa", sin encendido, el cual debía ser alimentado directamente por un combustible pesado, no fluido y relativamente económico. Con el tiempo y el estudio detallado de los motores, se llegó a la conclusión de que los motores más potentes deben disponer necesariamente de varios cilindros. Es por ello que comienzan a desarrollarse numerosos tipos de motores, cambiando principalmente el tipo de combustible (y por ende su principio de funcionamiento), así como la disposición de los cilindros, con el fin de lograr un máximo de potencia. La mayor demanda social de energía se centra fundamentalmente en energía mecánica y eléctrica que se puede obtener utilizando energía térmica, hidráulica, solar y eólica. La más utilizada es la energía térmica obtenida de los combustibles de naturaleza orgánica. Los equipos energéticos que más aceptación han tenido, en sus diferentes concepciones, son los motores térmicos que basan la producción de energía mecánica en una diferencia de temperatura. Los MACI son motores térmicos en los que los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo, en el interior de un cilindro, intercambiando energía con ellos que hace girar TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 22 de 106 el cigüeñal donde se obtiene un movimiento de rotación. La característica fundamental de los MACI es su combustión intermitente que implica una mayor dificultad para lograr la combustión completa con mínima emisión de contaminantes; esta desventaja lleva consigo una ventaja que es una menor temperatura media de los elementos mecánicos en contacto con los gases procedentes de la combustión. El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel, pero la mejor opción es la de utilizar gas natural puesto que tiene ciertas ventajas sobre estos:  El precio por unidad de energía calorífica es menor en el gas natural.  Los costes en mantenimiento de los motores diesel son mayores que en los de gas natural para una misma potencia dada. De forma general los combustibles gaseosos poseen un número de octano superior que el de la gasolina, lo que posibilita que los motores de explosión trabajen con relaciones de compresión de hasta 12 y 13, aumentando así su rendimiento. Por el contrario este elevado número de octano (entre 100 y 110), impide que los motores diesel realicen adecuadamente el encendido por compresión cuando son alimentados con gas, ya que el gas natural funciona mejor con motores de encendido provocado mediante una bujía y con menores potencias que las de los diesel. En los motores diesel de gas el sistema de ignición no siempre es por compresión de aire y posterior inyección de aire. Según el tipo de ignición los motores diesel se clasifican en: • Encendido por chispa: se comprime una mezcla de gas y aire y el encendido se provoca se lleva a cabo mediante una bujía. • Inyección piloto de gasoil: se comprime una mezcla de combustible y aire en exceso lo que hace disminuir la tendencia a la detonación y permite trabajar con mayor relación de compresión. Hacia el final de la compresión se introduce en el cilindro una pequeña cantidad de combustible con elevado número de cetano (relación de intervalo de encendido), lo que determina que se inicie la combustión y se propague por toda la cámara. De esta forma se consigue mejor rendimiento que el caso anterior pero se añade complejidad y coste al motor. • Inyección de gas a alta presión: consiste en comprimir únicamente aire en el cilindro e inyectar el gas comprimido al final del proceso de compresión en el motor. En definitiva, el principio de funcionamiento de este motor se corresponde al del diesel convencional. Este sistema proporciona mejor rendimiento que en los dos casos anteriores, aunque a cambio de consumir potencia en el compresor de gas. Es sabido que el componente más importante de un sistema de cogeneración es el motor: turbina de gas, turbina de vapor, MACI, etc. La aplicación de motores alternativos de combustión interna alternativo se adapta bien a los sistemas térmicos integrados, ya que como se ha referido, son máquinas versátiles y que trabajan con elevado rendimiento, al mismo tiempo que el calor de desecho del ciclo termodinámico se presenta en varias fuentes y a diferentes niveles de temperatura, lo que en ocasiones resulta muy atractivo. Las fuentes y niveles de calor en un motor alternativo son: gases de escape (400ºC - 600ºC ) el agua de refrigeración ( 80ºC - 120ºC ), el aceite de lubricación-refrigeración ( 70ºC -80ºC ) y el calor disipado en el intercooler del turbocompresor TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 23 de 106 (140ºC). Los gases de escape constituyen la fuente de energía de mayor temperatura en MACI. La temperatura de estos gases depende del tipo de motor (sobrealimentado, de mezcla pobre, de gas, diesel, etc.) y de las condiciones de operación. En general, puede encontrarse un rango de temperaturas que oscila entre aproximadamente 400ºC hasta cerca de 700ºC. El aprovechamiento del calor de los gases de escape puede realizarse en un recuperador produciendo vapor o agua caliente. En la salida del recuperador la temperatura de los gases de escape se establece en función de la temperatura del fluido a calentar, situándose normalmente unos 50ºC por encima de la temperatura de salida de este último. Si el combustible no está exento de azufre o de otros compuestos que pueden producir ácidos, resulta imprescindible que la temperatura de los gases de escape a la salida del recuperador de calor esté por encima del punto de rocío, siendo 175ºC un valor habitual de diseño. El agua de refrigeración de los cilindros es otra fuente de calor en MACI. Aunque el circuito de refrigeración en motores puede estar presurizado, el agua de refrigeración no sobrepasa los 120ºC por motivos derivados de limitaciones mecánicas. La diferencia de temperatura del agua entre la salida y entrada al motor no debe sobrepasar 8ºC como máximo. Los fluidos orgánicos presentan como ventajas poder emplear equipos compactos debido a que tienen un salto entálpico por unidad de volumen alto y no es necesario sobrecalentar, puesto que el estado del fluido tras la expansión en la turbina no es de vapor húmedo. Por otra parte, con la adecuada selección del fluido no se requiere la presencia del desgasificador, al poder condensar a presiones superiores al ambiente. 3.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Los MACI se caracterizan por su gran versatilidad, pues convenientemente diseñados pueden emplear una amplia gama de combustibles líquidos y gaseosos en aplicaciones muy diversas. Al mismo tiempo se adaptan con gran flexibilidad a diferentes condiciones de operación, pues su rendimiento no se ve muy afectado por el grado de carga al que está sometido el motor; además de resultar muy idóneos para proporcionar calor adicional a varias temperaturas: desde los gases de escape a 400ºC - 600ºC, hasta otras fuentes de menor temperatura como el agua de refrigeración, aceite de lubricación y aire del intercooler del sobrealimentador. Otra ventaja no despreciable de los MACI es que pueden ser empleados fácilmente de forma modular. Es decir, se montan varios motores de pequeño tamaño en un sistema único, lo que permite mantener siempre un buen rendimiento global independiente de la potencia demandada al sistema (desactivando ciertas unidades y manteniendo el resto a plena carga). Los MACI son las máquinas que mejor se adaptan para trabajar con buen rendimiento a cargas parciales (un valor típico del rendimiento al 50% de la carga nominal es de aproximadamente el 90% del valor del rendimiento a plena carga, mientras que una turbina sólo alcanzaría el 75% del valor a plena carga). Los motores alternativos soportan bien los arranques y las paradas continuas, lo que en una turbina de gas se traduce en un acortamiento muy sensible de su vida útil. Por otra parte, son muy adecuados para aplicaciones en las que, además de electricidad, se requiere calor TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 24 de 106 (cogeneración) a diferentes niveles de temperatura medios o bajos. Finalmente, referir que las prestaciones de los motores alternativos, especialmente si están sobrealimentados, no se ven afectadas notablemente por las condiciones ambientales (presión, temperatura y humedad relativa). En resumen, los MACI tienen su aplicación más clara siempre que se produzcan variaciones de carga importantes, e incluso se requieran paradas periódicas del sistema (por la noche, fin de semana, horas valle, pequeños arreglos, etc.). También son muy adecuados cuando parte de la energía se demanda en forma de calor a temperaturas medias y bajas. Aunque el coste de capital de los motores alternativos es el más bajo de todas las tecnologías existentes, no ocurre lo mismo con los costes de explotación y mantenimiento que son bastante elevados, dada la mayor complejidad de estas máquinas. Un inconveniente de los MACI es que presentan elevado peso y volumen por unidad de potencia producida frente a otros tipos de motores térmicos, si bien no es el caso cuando se comparan con otras tecnologías existentes. Asimismo, son motores contaminantes tanto en emisiones gaseosas como en acústicas. Como ya queda citado antes, para este gas se puede usar tanto motores a gasolina como diesel gracias al octanaje que posee este gas tras su fermentación. Los motores más frecuentemente usados son los de gasoil pero sufriendo unas pequeñas adaptaciones para el biogás. El problema en España radica en que algunas de las marcas que fabrican dichos motores, no están homologadas para ser usadas en nuestro país y por lo tanto, no se pueden utilizar. A la hora de calcular el motor necesario se debe conocer la potencia requerida del motor. Esta potencia ha de ser ajustada a la potencia de biogás y suele ser un 40% a la hora de solicitar el motor al fabricante puesto que hay que tener en cuenta paradas de mantenimiento, picos de producción… etc. Uno de los fabricantes en España de motores de cogeneración para el uso de biogás es Guascor power. Sus motores a gas cubren una amplia gama de potencias, desde los 150 hasta los 1240 KW. Dichos motores suponen un aprovechamiento energético de nivel elevado manteniendo a su vez, los niveles de emisiones permitidos cumpliendo la normativa. A continuación, la tabla 2 muestra los motores con sus características principales: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 25 de 106 POTENCIA MECÁNICA POTENCIA ELÉCTRICA 1200 rpm 1500 rpm 1800 rpm 1200 rpm/60Hz 1500 rpm/50Hz 1800 rpm/60Hz Tipo Nº Cil. Cilindrada (cc) (kWm) (kWm) (kWm) (kWe) (kWe) (kWe) FG 180 6L 17,96 - 150 180 - 142 171 FG 240 8L 23,96 - 200 238 - 191 226 FGLD 180/55 6L 17,96 - 275 300 - 264 287 FGLD 240/55 8L 23,96 - 360 400 - 347 385 FGLD 360/55 12V 35,93 - 550 600 - 529 577 FGLD 480/55 16V 47,9 - 725 800 - 702 774 SFGLD 180 6L 17,96 252 314 350 242 300 336 SFGLD 240 8L 23,96 335 419 453 322 405 436 SFGLD 360 12V 35,93 503 630 700 486 609 676 SFGLD 480 16V 47,9 670 838 906 649 812 874 SFGLD 560 16V 56,3 788 985 - 762 957 - SFGM560 16V 56,3 - 1055 1100 - 1025 1065 HGM 240 8L 24 - 520 - 502 - HGM 560 16v 56,3 1040 1240 1350 1007 1204 1308 Tabla 2. Motores para biogás y sus características. Fuente: Guascor Power 3.3 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS MACI A través de los gases de escape de los MACI se emiten a la atmósfera los productos de la combustión, algunos de los cuales son considerados sustancias contaminantes como óxidos de nitrógeno (NOx); hidrocarburos no quemados (HC), monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2) y partículas. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 32 de 106 el documento de IDAE “Ahorro y eficiencia energética en instalaciones ganaderas”. En él, se encuentran recogidos los datos teniendo en cuenta a su vez, la zona de España en la que se encuentra, en la comarca de La Litera. Para los meses de invierno (enero, noviembre y diciembre) en el documento de IDAE citado anteriormente se estipula que para esta comarca los cerdos tendrán las necesidades térmicas expuestas en la Tabla 3: TIPOS DE CERDO CANTIDAD kW/cerdo kW Cerdos en gestación 450 0,00232558 1,18 Madres lactantes 250 0,026366 0,66 Lechones 1000 0,00341085 3,41 Cerdos de engorde 4100 0,0027907 11,44 Cerdos de recebo 2500 0,0027907 6,98 TOTAL 8300 23,67 Tabla 3. Necesidades térmicas de los cerdos en invierno. Fuente: IDAE. En la Tabla 4, se va a establecer (según el mismo documento de IDAE), las necesidades en los meses de febrero, marzo y abril: TIPOS DE CERDO CANTIDAD kW/cerdo kW Cerdos en gestación 450 0,00138 0,62 Madres lactantes 250 0,00216 0,54 Lechones 1000 0,00241 2,41 Cerdos de engorde 4100 0,001539 6,31 Cerdos de recebo 2500 0,001292 3,23 TOTAL 8300 13,11 Tabla 4. Necesidades térmicas de los cerdos en primavera. Fuente: IDAE. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 33 de 106 Por lo que según las tablas 2 y 3, se obtienen estos valores:  Enero, Noviembre y Diciembre  23,67 kW  Febrero, Marzo y Abril  13,11 kW  Para el resto de los meses  0 kW (puesto que son meses de verano) Media anual de las necesidades térmicas de los animales  9,2 kW 6 PRODUCCIÓN ÓPTIMA DE BIOGÁS En los siguientes subapartados, se analizarán las características de los desechos que se van a utilizar para la producción de este tipo de gas (purines de cerdo) puesto que, dependiendo de su composición y su procedencia, el poder calorífico del biogás y otras características varían en gran magnitud. Para una planta de biogás, la temperatura recomendada para producir este tipo de gas suele rondar los 35 ºC puesto que, si la temperatura es menor, el tiempo de retención en el digestor aumenta notablemente retrasando el proceso de producción. A esta temperatura de 35 ºC se le denomina rango mesofílico y el tiempo de retención es en promedio de unos 30 días. Por lo que, para el correcto funcionamiento de la planta, es necesario que la energía aportada sea el suficiente para elevar la temperatura del desecho que se está utilizando para producir este biogás. En la siguiente tabla queda especificado el tiempo de retención del desecho con respecto a la temperatura de trabajo: Tª de trabajo Tiempo de retención en el digestor 15ºC 56 días 26ºC 20 días 35ºC 30 días 49ºC 16 días Tabla 5. Relación Tªtiempo de retención en el digestor. Fuente: elaboración propia TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 34 de 106 6.1 CARACTERÍSTICAS DEL DESECHO Para este proyecto, se han tomado como referencia diferentes estudios elaborados para diferentes granjas elaborados por M.BIGERIEGO autor de La producción porcina en España y el medio ambiente. Normativa e implementación, Madrid, junio 2001. Llegando así a la conclusión de que se estima una media de 7 litros diarios de purín por cada cerdo que hay en la granja. Puesto que se trata de una granja de 8.300 cerdos como ya se ha mencionado con anterioridad, estaremos ante una producción diaria de 100 m3 de purín. Por otro lado, según las fuente ABT gupo, un cerdo produce al día unos 14,5 kg de estiércol. Por lo que, siendo que en la granja hay 8.300 cerdos, y que por cada tonelada de purín se obtienen 65m3 de biogás, se obtendrán unos 7.500 m3 de biogás diario. Con estas características: Densidad media 1.200 kg/m3 Calor específico 4,2 kJ/ KgºC Tabla 6. Características del fluido. Fuente: elaboración propia Establecer el calor específico de este fluido es muy complicado, por lo que, siendo que posee un elevado porcentaje de humedad, se cogerá el valor del agua. 6.2 CÁLCULO DE POTENCIAS Una gran parte del calor producido se emplea en mantener la temperatura del digestor a esos 35ºC deseados. Por lo tanto es necesario calentar el sustrato el cual está a temperatura ambiente y compensar las pérdidas de energía por las paredes del digestor. Estas pérdidas suelen ser el 30% de la energía requerida para calentar el sustrato. A continuación, se va a proceder hallar la potencia térmica que es necesaria en el digestor anaerobio para que los microorganismos degraden los purines con el fin de obtener biogás compensando a su vez esas pérdidas. Para ello se utilizará esta fórmula tomada del libro Planning and installing bioenergy systems: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 35 de 106 Demanda de calor del digestor = m · Cp · (35º - Tª media anual) · 130% (1) Siendo: Demanda de calor: MJ / año m : La cantidad de estiércol al año. ( Toneladas de purín/año ) Se calcula como: m = 14,5 kg/día/cerdo · 8.300 cerdos · 365 días/año m = 43.927.750 kg/año = 43.927,75 t/año Cp : El calor específico ( 4,2 kJ/kg· ºC) Sustituyendo ahora en la ecuación 1 estos valores se obtiene: Demanda térmica digestor = 43.927,75 · 4,2 · (35º - Tª media año) · 130% Para obtener la temperatura media anual, se han tomado datos climatológicos del Instituto Nacional de Meteorología ( www.AEMET.es), en cuya página de internet se encuentra una media de las temperaturas obtenidas en el año pasado (2.011) para cada mes. Para hallar esa potencia térmica necesaria para la obtención de biogás, se realiza el cálculo especificado en la Ecuación 1 para cada uno de los meses del año: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 36 de 106 MES TEMPERATURA MEDIA (ºC) Enero 4,7 Febrero 6,6 Marzo 8,1 Abril 14,6 Mayo 17 Junio 19,9 Julio 21,6 Agosto 22,1 Septiembre 20,8 Octubre 14,6 Noviembre 10,2 Diciembre 5,7 Tabla 7. Temperaturas mes a mes de la zona. Fuente: Instituto Nacional de Meteorología. Por lo que, según los datos de la Tabla 7, la temperatura media tiene un valor de unos 13,8 grados. Sustituyendo de nuevo en la ecuación 1 se obtiene: Demanda térmica digestor = 43.927,75 · 4,2 · (35º - 13,8) · 130% Demanda térmica digestor = 5.084.724,92 MJ / año Obtenido este resultado se puede apreciar que a lo largo del año necesitará una potencia térmica media de 161,24 kW. Si se quiere obtener la demanda térmica que necesitará en concreto para el mes más frío y para el mes más cálido, se debe proceder a realizar el mismo cálculo pero para las temperaturas de ambos meses. Obteniendo como resultado para el mes de Agosto 254.301,96 MJ, y para el mes de Enero 597.313,9 MJ. Con esto se conoce que las potencias térmicas para dichos meses (Enero y Agosto) tienen un valor máximo de 230,4 kW para el mes de Enero y un valor mínimo de 98,11 kW para el mes de Agosto. Se ha tenido en cuenta a la hora de realizar estos cálculos que cada animal produce unos 14,5 kg de desechos diarios y que en la granja hay 8.300 cerdos y está situada en la Comarca de La Litera. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 37 de 106 7 REQUERIMIENTOS DE LOS EQUIPOS NECESARIOS Puesto que a continuación se va a proceder a seleccionar un motor de cogeneración para la instalación, habrá que tener en cuenta las demandas térmicas obtenidas en el apartado anterior. Para ello se han de tener en cuenta ciertos puntos los cuales son esenciales para una buena preselección. Estas son:  El motor deberá de ser capaz de proporcionar una potencia térmica mínima de 98,11 kW puesto que, según los cálculos realizados en el apartado anterior, es el mínimo que puede llegar a necesitarse para la producción de biogás durante el año. Este se dará en el mes de agosto.  El motor ha de cumplir con el valor que impone el Real Decreto para el Rendimiento Eléctrico Mínimo Equivalente para instalaciones de cogeneración con biogás procedente de la digestión anaeróbica. Esto se refiere al Grupo a.1.3.; Subgrupo b.7.3. en el Real Decreto 661/2007 de Producción de Energía Eléctrica en Régimen Especial. El rendimiento eléctrico equivalente, trata de relacionar la electricidad producida con el combustible que se habría consumido sólo para la generación de esa electricidad. Se utiliza para autorizar a las instalaciones de cogeneración la venta de su electricidad en el mercado de Régimen Especial (según RD 661/2007 del 25 de Mayo). Los términos son energéticos anuales y el valor del calor útil hace referencia exclusivamente al calor aprovechado en el proceso industrial, lo que puede suponer una limitación de tamaño. Viene establecido por la Ecuación 2 : REE = E / [ Q – ( V / Ref H ) ] (2) En donde: E: es la energía eléctrica generada, bornas del generador. Q: es el consumo de energía primaria medida por el P.C.I. V: es la energía térmica útil. Ref H: Valor de referencia del rendimiento para la producción separada de calor que aparece publicado en el anexo II de la Decisión de la Comisión de 21 de diciembre de 2006, por la que se establecen valores de referencia armonizados para la producción por separado de electricidad y calor, de conformidad con lo dispuesto en la Directiva 2004/8/CE del Parlamento Europeo y del Consejo o norma que lo transponga. Según este anexo II este parámetro toma un valor de 0,9. Se ha de considerar que la producción de biogás es constante a lo largo del año. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 38 de 106 Y puesto que se considera que la potencia eléctrica generada es constante las 24 horas del día, se puede realizar este cálculo del rendimiento eléctrico equivalente en términos de potencia en lugar de hacerlo en términos de energía. El rendimiento eléctrico mínimo viene estipulado en el RD 661/2007, y el valor que tomará para ser usado en la ecuación 2, dependerá de la potencia instalada y de la clase de instalación (biomasa a partir de purines, Régimen Especial). Es decir: Potencia eléctrica ≤ 1 MW  η eléctrico mínimo = 45 % Para asegurar que el rendimiento eléctrico equivalente es siempre mayor que el mínimo, se han de realizar los cálculos tanto para el valor medio anual de demanda térmica cuyo valor es de 5.085.724,92 MJ, como para la demanda térmica del mes de Agosto cuyo valor es de 254.301,96 MJ. En el caso de no obtener un rendimiento superior al 45%, quedaría descartado el uso de ese motor.  Se ha de tener en cuenta que, el volumen de biogás obtenido, lleva ligada la potencia máxima que puede proporciona en relación a su PCI, todo ello en condiciones normales (CN). Esto es: Qbiogás = Volumen de biogás (m3N/h) · PCI (kWh/m3N) (3) Puesto que la densidad del biogás es: real = 830 kg/m3 CN = 1000 kg/m3 En condiciones normales el biogás tiene una densidad relativa muy muy similar a la del agua y se puede tomar su valor. Por lo que con estos datos, a través de la ecuación de gases ideales, obtenemos que para condiciones normales, se obtienen diariamente 6.225 m3 de biogás en lugar de los 7.500 m3 obtenidos. Una vez hallado esto, y teniendo en cuenta que el PCI tiene un valor de 5 kWh/m3N debido al porcentaje de metano (50-60%), se procede a evaluar la potencia térmica máxima del biogás: Qbiogás = ( 6.225/24 ) · 5 = 1.295,9 kW  Dicho motor a su vez, deberá de ser capaz de suplir la potencia térmica media anual. Ésta está constituida por la potencia necesaria para la producción del biogás 161,24 kW más la necesidad térmica media de los animales 9,2 kWt. Esta por lo tanto será: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 39 de 106 Pot. térmicamedia = 161,24 kW + 9,2kWt = 170,44 kW (4) 7.1 PRESELECCIÓN DE MOTORES QUE SUPLEN ESTA DEMANDA TÉRMICA En este apartado, se va a realizar una preselección de los motores de cogeneración. El criterio escogido para seleccionar el motor se basa en, si con los 7.500 m3 de biogás (6.225m3 en condiciones normales) que se producen diariamente, el motor puede trabajar. Es decir, si la potencia que el motor necesita, es menor que la máxima que puede suministrar el biogás la cual es 1.296,9 kW. Para ello hay que en cuenta el PCI del biogás el cual tiene un valor de 5 kWh/m3N puesto que se está ante un biogás que posee entre un 50 y un 60% de metano, y el rendimiento eléctrico del MACI. Por otro lado también hay que comprobar que el rendimiento eléctrico equivalente sea mayor que el 45% estipulado en el Real Decreto tanto para el valor medio de demanda de calor, como para el valor de esa demanda térmica en mes más desfavorable, Agosto. Otra opción sería centrar el estudio para la preselección en si los motores cubren la demanda térmica tanto para las necesidades de los animales como para la producción de biogás. Esta opción queda descartada puesto que esa demanda térmica tiene un valor muy bajo y cualquier motor podría suplirla. Los datos de los motores se obtendrán de los catálogos de cada uno de ellos, los cuales están disponibles en las páginas web de las tres empresas. De dichos catálogos se cogerán los datos que nos van a servir para los cálculos con los cuales se seleccionaran. Para pasar esta selección, los motores deberán cumplir los requisitos de rendimiento eléctrico equivalente, estipulado en el Real Decreto para instalaciones en Régimen Especial (RD 661/2007- RE). La potencia térmica recuperable será la del agua de las camisas a plena carga. Se analizarán motores de diferentes marcas para contar con mayor diversidad de opciones. Las marcas: Guascor Power, Caterpillar-Finanzauto y ab Gruppo. Se comenzará con los de Caterpillar – Finanzauto. En su página web se pueden encontrar motores que a primera vista, se adaptan a los requerimientos. Vamos a proceder a evaluar uno de ellos: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 40 de 106 Figura 5. Motor Caterpillar-Finanzauto CAT G3508LD CAT G3508LD Potencia eléctrica Pe 463 kW Potencia térmica recuperable máx Vmax 353 kW Rendimiento eléctrico ηelec 32,40% Rendimiento térmico ηt 44% Rendimiento del motor η 33,70% Energía introducida Q 1430 kW PCI 5 kWh / m³N Tabla 8. Motor Caterpillar CAT G3508LD. Fuente: Caterpillar. Se procede a continuación a comprobar que el motor cumpla los requisitos exigidos para ser seleccionado: 1. Que la potencia térmica que necesita este motor, sea menor que la que el biogás puede proporcionar con la cantidad producida diariamente en condiciones normales (6.225m3N) . 2. Que el rendimiento eléctrico equivalente sea mayor del valor mínimo para este parámetro según RD 661/2007, (45%). 3. Se debe comprobar que para el mes más desfavorable, Agosto, el rendimiento eléctrico equivalente obtenido, también sea mayor del 45%. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 41 de 106 1. Producción diaria de biogás en C.N. = 6.225 m3 /día = 259,38 m3/h Qbiogás = Volumen de biogás (m3N/h) · PCI (kWh/m3N) = 1.296,9 kW Puesto que: 1.296,9 kW < 1.430 kW Qbiogás < Qmotor Puesto que el motor requiere una demanda térmica mayor que la que la cantidad de biogás producida puede proporcionar, este motor queda descartado puesto que sería imposible su funcionamiento. Este motor necesitaría una cantidad mayor de biogás diaria. Se procede ahora a estudiar algunos de los motores de la marca ab Gruppo. Estos serán estudiados de la misma manera que el motor Caterpillar-Finanzauto. Para esta segunda marca objeto de estudio técnico se han seleccionado los siguientes: Modelo Potencia eléctrica (kWe) ab Ecomax 1BIO 125 ab Ecomax 2BIO 245 ab Ecomax 5BIO 526 Tabla 9.Motores ab Gruppo. Características. Fuente: ab Gruppo Se procede al estudio por separado de estos tres motores para comprobar que son aptos para la instalación proyecto: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 48 de 106 GUASCOR SFGLD 240 Potencia eléctrica Pe 405 kW Potencia térmica recuperable total Vtotal 419 kW Rendimiento eléctrico ηelec 38,3 % Energía introducida Q 1056 kW PCI 5 kWh / m³N Tabla 14. Motor Guascor SFGLD 240. Características. Fuente: Guascor Power Se procede a continuación a comprobar que el motor cumpla los requisitos exigidos para ser seleccionado: 1. Que la potencia térmica que necesita este motor, sea menor que la que el biogás puede proporcionar con la cantidad producida diariamente en condiciones normales (6.225m3N). 2. Que el rendimiento eléctrico equivalente sea mayor del valor mínimo para este parámetro según RD 661/2007, (45%). 3. Se debe comprobar que para el mes más desfavorable, Agosto, el rendimiento eléctrico equivalente obtenido, también sea mayor del 45%. 1. Producción diaria de biogás en C.N. = 6.225 m3 /día = 259,38 m3/h Qbiogás = Volumen de biogás (m3N/h) · PCI (kWh/m3N) = 1.296,9 kW Puesto que: 1.296,9 kW > 1.056 kW Qbiogás > Qmotor Este motor sí que cumple este punto 1. La cantidad producida diariamente puede suplir la demanda del motor. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 49 de 106 2. Se procede a analizar el Rendimiento Eléctrico Equivalente para la demanda térmica media anual. Hay que tener en cuenta que el motor trabajará 8.328 horas anuales. ηe.e. = E / [ Qmotor – ( Vmedia /0,9)] = = 405 / [ 1056 – (170,44 /0,9)] ηe.e. = 46,73% (9) Este rendimiento obtenido es mayor que el rendimiento mínimo para este tipo de instalaciones el cual toma un valor del 45%. Por lo que se pasa a analizar si también cumple esto para el mes de Agosto. 3. Rendimiento eléctrico equivalente en el mes de Agosto: ηe.e. = E / [ Qmotor – ( Vmedia /0,9)] = = 405 / [ 1056 – (98,11 /0,9)] ηe.e. = 42,77% (10) A pesar de que este motor cumpla los dos primeros requisitos, no llega al valor mínimo del rendimiento eléctrico estipulado para este tipo de instalaciones. El rendimiento eléctrico mínimo ha de ser 45%, y puesto que este sería inferior para el mes más desfavorable, queda descartado en esta preselección. Este estudio técnico se finaliza con el estudio del último motor de Guascor Power. Se le realizarán los cálculos pertinentes para averiguar si es apto para la instalación: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 50 de 106 GUASCOR SFGLD 180 Potencia eléctrica Pe 304 kW Potencia térmica recuperable total Vtotal 315 kW Rendimiento eléctrico ηelec 38,9 % Energía introducida Q 781 kW PCI 5 kWh / m³N Tabla 15.Motor Guascor SFGLD 180. Características. Fuente: Guascor Power Se procede a continuación a comprobar que el motor cumpla los requisitos exigidos para ser seleccionado: 1. Que la potencia térmica que necesita este motor, sea menor que la que el biogás puede proporcionar con la cantidad producida diariamente en condiciones normales (6.225m3N). 2. Que el rendimiento eléctrico equivalente sea mayor del valor mínimo para este parámetro según RD 661/2007, (45%). 3. Se debe comprobar que para el mes más desfavorable, Agosto, el rendimiento eléctrico equivalente obtenido, también sea mayor del 45%. 1. Producción diaria de biogás en C.N. = 6.225 m3 /día = 259,38 m3/h Qbiogás = Volumen de biogás (m3N/h) · PCI (kWh/m3N) = 1.296,9 kW Puesto que: 1.296,9 kW > 781 kW Qbiogás > Qmotor Este motor sí que cumple este punto 1. La cantidad producida diariamente puede suplir la demanda del motor. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 51 de 106 2. Se procede a analizar el Rendimiento Eléctrico Equivalente para la demanda térmica media anual. Hay que tener en cuenta que el motor trabajará 8.328 horas anuales. ηe.e. = E / [ Qmotor – ( Vmedia /0,9)] = = 304 / [ 781 – (170,44 /0,9)] ηe.e. = 51,38% (11) Este rendimiento obtenido es mayor que el rendimiento mínimo para este tipo de instalaciones el cual toma un valor del 45%. Por lo que se pasa a analizar si también cumple esto para el mes de Agosto. 3. Rendimiento eléctrico equivalente en el mes de Agosto: ηe.e. = E / [ Qmotor – ( Vmedia /0,9)] = = 304 / [ 781 – (98,11 /0,9)] ηe.e. = 45,24% (12) Puesto que este motor cumple los requisitos tanto de rendimiento eléctrico equivalente, como de demanda térmica, es apto para esta instalación de cogeneración. Por ello se estudiará posteriormente en el capítulo de análisis económico con el fin de analizar y evaluar la rentabilidad de su instalación en la planta. 7.2 CONCLUSIÓN DE LA PRESELECCIÓN DE LOS MOTORES En el apartado anterior se han estudiado seis motores los cuales eran de tres marcas diferentes. El estudio ha consistido en tomar sus respectivas fichas técnicas para evaluar:  Si el rendimiento eléctrico equivalente del motor calculado a través de su calor máximo aprovechable del agua de camisas (valor proporcionado en los catálogos de los TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 52 de 106 fabricantes), estaba por encima del 45% el cual es el mínimo admitido como está establecido en el Real Decreto (RD 661/2007).  Si con la producción de biogás obtenida 7.500 m3 diarios (6.225 m3 en condiciones normales) , se suministraba una potencia eléctrica suficiente para el correcto funcionamiento de los motores. Se ha tenido en cuenta el PCI del biogás el cual tiene un valor de 5 kWh/m3 puesto que este gas contiene entre un 50 y un 60% de metano  Y por último se ha de comprobar también que cubra las necesidades térmicas de los animales y el calor necesario para la producción de biogás en el digestor. Este tiene un valor medio anual de 170,44 kWt . Tras esta evaluación, han sido preseleccionados tres de los seis motores que han sido estudiados. De estos seis, tanto el motor Caterpillar como el ecomax 5BIO, han sido descartados puesto que tienen una demanda térmica mayor que la que puede suministrar la cantidad producida de biogás. Por ello no podrían tener un correcto funcionamiento. El motor SFGLD 240, también ha tenido que ser descartado puesto que, aunque la demanda de calor quedaba cubierta y el rendimiento eléctrico equivalente para el valor medio anual era mayor que el mínimo, no lo era para el mes más desfavorable (Agosto). Por consiguiente los tres motores restantes, serán los seleccionados para el análisis económico posterior. Estos son: MOTORES PRESELECCIONADOS SFGLD 180 304 kWe Ecomax 2BIO 190 kWe Ecomax 2.5BIO 250 kWe Tabla 16. Motores preseleccionados. Fuente: elaboración propia Estos son los motores los cuales serán objeto del tercer capítulo en el cual se realizará el estudio económico. 7.3 PLANTA DE BIOGÁS. INVERSIÓN EN LAS INSTALACIONES NECESARIAS Con los valores obtenidos anteriormente, se pueden estimar las características necesarias más importantes para la planta de biogás la cual trabaja aproximadamente unas 8.328 horas al año. Es decir, tendrá una disponibilidad del 95% TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 53 de 106 Utilizando la recopilación de datos obtenidos con anterioridad se conoce que diariamente se producen 7.500 m3 de biogás. Debido a que hay un total de 8.300 cerdos los cuales producen aproximadamente 14,5kg de estiércol diario. Como por cada tonelada de purín se obtiene unos 65m3 de biogás, obtendremos esa cantidad. Como se ha expuesto en el capítulo 1, las partes de un sistema básico de una planta de biogás son: 1. SISTEMA DE PRETRATAMIENTO Y ALIMENTACIÓN: Con sus consiguientes:  Columna de separación de gas  Columna de purificación  Columna de regeneración del metano  Biocolumna de filtración  Columnas bomba de recirculación  Compresor  Transporte de la bomba  Compresor de biogás  Unidad de secado 2. SISTEMA DE METANIZACIÓN Constituido por:  Digestor, válvulas y bombas  Control del digestor y aire comprimido  Coste del transporte del purín a la planta 3. SISTEMA DE LIMPIEZA Según Gruppo ab, una instalación de estas características supone una inversión de: INVERSIÓN TOTAL PLANTA BIOGÁS = 1.700.000 € TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 54 de 106 8 CONCLUSIONES Los aspectos clave para tener en cuenta son los siguientes:  Se considera una granja de 8.300 cerdos con una producción diaria de unos 14,5 kg de desecho por animal.  La granja se sitúa entre la provincia de Zaragoza y Huesca concretamente, en la comarca de La Litera en la cual hay una gran actividad de granjas porcinas.  Con los purines de dichos cerdos se puede dimensionar una planta de biogás a través de la cual se obtengan unos 7.500 m3 diariamente de gas.  La planta tendrá una disponibilidad anual del 95% es decir, trabajará 8.328 horas anuales. En el siguiente capítulo se va a estudiar la rentabilidad de la inversión para cada uno de los tres motores preseleccionados. Primero se expondrán los ingresos y gastos que tendría el motor en el 2.012, los cuales sirven como referencia y base para los cálculos de las cifras económicas del siguiente año en adelante. Precios de los tres motores a estudiar han sido proporcionados por las empresas fabricantes. Y el coste de la planta de biogás ha sido proporcionada por la empresa Gruppo ab. Estos precios son: MOTOR PRECIO GUASCOR SFGLD 180 210.500 € GRUPPO ab Ecomax 2BIO 256.000 € GRUPPO ab Ecomax 2.5BIO 300.500 € Tabla 17. Precios de los motores preseleccionados. Fuente: elaboración propia INVERSIÓN EN LAPLANTA DE BIOGÁS  1.700.000 € Por lo tanto, teniendo en cuenta que las prestaciones de cada uno de los tres motores seleccionados como objeto de estudio, se va a proceder a realizar un análisis económico para cada uno de ellos obteniendo así, la solución más rentable para dicho proyecto. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 55 de 106 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS ECONÓMICO. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 56 de 106 INTRODUCCIÓN En este último capítulo, se va a proceder a realizar el análisis económico con los tres motores que han sido preseleccionados por cumplir las exigencias de esta instalación. Los motores a tratar son: Guascor SFGLD 180, AB ecomax 2BIO y por último AB ecomax 2.5BIO. A cada uno de ellos se le va a realizar un análisis de los ingresos y de los gastos para posteriormente analizar el flujo de caja y así obtener la rentabilidad de cada uno de ellos. Y por consiguiente, se optará por elegir la opción más rentable como es lógico. Para analizar los ingresos procedentes de la venta de energía, se puede realizar de dos maneras las cuales llevarán exactamente a la misma cantidad de ingresos. Estas opciones están estipuladas en el art. 24.1 del RD 661/2007. Éstas son: OPCIÓN A: Liquidación = Tarifa – Costes de los desvíos + Complementos OPCIÓN B: Liquidación = Liquidación del mercado + Prima + Complementos Se denomina liquidación del mercado, a la energía generada a precio del mercado diario (PMD). Queda representada como: Liquidación mercado = Liq. del operador mercado(OM) + Liq. del operador sistema(OS) Prima equivalente = Tarifa – Costes de desvíos – Liquidación OM – Liquidación OS Se puede observar así, que al final los ingresos obtenidos son los mismos por ambos caminos. Para este apartado es esencial recordar que las horas de trabajo anual son 8.328 es decir, disponibilidad del 95% al año. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 57 de 106 9 INGRESOS PARA EL MOTOR GUASCOR SFGLD 180 Primero se va a analizar la energía que se estima producir con este motor. Éste, posee una potencia eléctrica de 304 kWe con un autoconsumo del 5%. Sabiendo esto se puede hallar que la energía producida con este motor será: E = Pelec · h/año · (1 – autoconsumo %)= = 304 kW · 8328 h/año · (1 – 0,05) E = 2.405.126,4 kWh/año (13) Para analizar los ingresos procedentes de la venta de energía, se puede realizar de cualquiera de las dos maneras explicadas en la introducción (estipuladas en el art. 24.1 del RD 661/2007), las cuales llevarán exactamente a la misma solución. Se va a realizar mediante la OPCIÓN A. Ésta queda resumida en la Ecuación 19: Liquidación = Tarifa – Costes de los desvíos + Complementos (14) El precio de venta de la electricidad a tarifa viene dado en el RD 661/2007 de 25 de Mayo, de Producción de Energía Eléctrica en Régimen Especial. Se trata de una instalación de cogeneración con biogás procedente de la digestión anaeróbica con potencias menores de 500 kW (Grupo a.1.3; subgrupo b.7.2. en el Real Decreto 661/2007). Por lo que, según el ANEXO III en el que aparece la actualización trimestral de las tarifas y primas del régimen especial a partir del 1 de Enero de la Orden IET/3586/2011, tendrán un valor de: Precio de la electricidad = 0,148131 €/kWh Con la consiguiente prima también dada en el mismo documento citado del Real Decreto: Prima de referencia = 0,116897 €/kWh TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 64 de 106 Y los gastos anuales: Año Gastos 2012 64.022,50 € 2013 65.623,06 € 2014 67.591,75 € 2015 69.619,51 € 2016 71.708,09 € 2017 73.859,33 € 2018 76.075,12 € 2019 78.357,37 € 2020 80.708,09 € 2021 83.129,33 € 2022 85.623,21 € 2023 88.191,91 € 2024 90.837,67 € 2025 93.562,80 € 2026 96.369,68 € TOTAL 1.185.279,42 € Tabla 21. Gastos para el motor Guascor SFGLED 180. Fuente: elaboración propia GASTOS TOTALES = 1.185.279,42 € 9.6 ESTUDIO DE LA FINANCIACIÓN DEL PROYECTO En este apartado, se procede al cálculo de la cuantía del préstamo o crédito que se ha de solicitar para financiar el motor de cogeneración, la planta de producción de biogás y gastos de ingeniería, obras… Se utiliza para el cálculo del préstamo un tipo de interés adecuado para la mencionada duración de 15 años: 3,5 % T.A.E. El montante final del crédito será la suma de los precios de las instalaciones consideradas en cada caso, menos el capital que aportan los inversores, y menos la subvención que proporciona el TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 65 de 106 estado a la implantación de sistemas de obtención de biogás a partir del proceso de la digestión anaeróbica. De acuerdo así con el siguiente documento oficial: “Real Decreto 949/2009, de 5 de junio, por el que se establecen las bases reguladoras de las subvenciones estatales para fomentar la aplicación de los procesos técnicos del Plan de biodigestión de purines.” En este Real Decreto se establece lo siguiente: Artículo 5. Actividad subvencionable. 1. De acuerdo a lo especificado en el artículo 41 del Reglamento (CE) nº1698/2005, del Consejo, de 20 de septiembre de 2005, relativo a la ayuda al desarrollo rural a través del Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural (FEADER), se considerarán subvencionables las siguientes inversiones no productivas realizadas en las explotaciones para reducir las emisiones de GEI mediante el tratamiento anaeróbico de purines: a) Adquisición e instalación de equipos para la instalación de los digestores anaeróbicos, así como el recubrimiento flexible de las balsas de purines existentes, en su caso, en las granjas a la fecha de entrada en vigor del presente Real Decreto. b) Adquisición e instalación de los sistemas de agitación, conducción, limpieza, concentración y otros acondicionamientos del biogás para su combustión o el aprovechamiento, en su caso. c) Adquisición e instalación de elementos de seguridad en los digestores y sistemas de combustión o aprovechamiento del biogás. d) Adquisición e instalación de equipos de control para las mediciones de emisiones anuales de metano (CH4). 2. No se subvencionarán las actividades que se hubieran iniciado ya en una fecha anterior a la presentación de la solicitud. Artículo 6. Cuantía, compatibilidad y límites de las ayudas. 1. La cuantía de la subvención para las inversiones del artículo 5.1 será: a) Para digestores rurales con capacidad inferior a 1.000 m³: hasta 115 €/m³ de digestor. b) Para digestores rurales con capacidad entre 1.000 m³ y 2.000 m3: hasta 105 €/m3 de digestor. c) Para digestores rurales de capacidad superior a 2.000 m³: hasta 95€/m³ de digestor. Por tanto, con los datos de los que dispone, se calcula la subvención máxima por la utilización de los equipos indicados. El volumen total de los digestores anaerobios que se utilizan en este proyecto es de 3800 m³, entonces la subvención teórica sería de 361.000 €, sin embargo, la cuantía máxima que se regula en la legislación aragonesa es la siguiente: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 66 de 106 Volumen = 3.800 m³  SUBVENCIÓN = 237.000 € Por otro lado, como se ha indicado antes, se establece que el capital que aportan los socios para la ejecución del proyecto es: CAPITAL APORTADO POR LOS SOCIOS = 200.000 € Habitualmente, esta cifra suele estar entre un 10% y un 15% aproximadamente de financiación por parte de los inversores. 9.7 GASTOS FINANCIEROS PARA EL GUASCOR SFGLD 240 El importe total del préstamo para este caso será el siguiente: Préstamo = Precio motor + Precio planta de biogás – Subvención – capital socios Préstamo = 256.000 + 1.700.000 -237.000 – 200.000 PRÉSTAMO (Co) = 1.473.500 € Se opta por un método de pago con una cuota fija de amortización la cual se calcula con la siguiente fórmula financiera de la renta anual: Cn = ( Co · i ) / [ 1 - (1 + i )- n] (22) Siendo: i = 3,5% n = 15 años (periodo de amortización) TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 67 de 106 Por lo que la cuota anual tendrá un valor de: Cuota anual = 127.936,74 € Se realiza ahora una tabla en la cual quedará reflejada la evolución de gastos financieros durante los 15 años de la duración del préstamo: Año Interés Importe pendiente 2.012 110.512,50 € 1.456.075,76 € 2.013 109.205,68 € 1.437.344,70 € 2.014 107.800,85 € 1.417.208,82 € 2.015 106.290,66 € 1.395.562,74 € 2.016 104.667,21 € 1.372.293,20 € 2.017 102.921,99 € 1.347.278,45 € 2.018 101.045,88 € 1.320.387,60 € 2.019 99.029,07 € 1.291.479,93 € 2.020 96.860,99 € 1.260.404,18 € 2.021 94.530,31 € 1.226.997,76 € 2.022 92.024,83 € 1.191.085,85 € 2.023 89.331,44 € 1.152.480,55 € 2.024 86.436,04 € 1.110.979,85 € 2.025 83.323,49 € 1.066.366,60 € 2.026 79.977,49 € 1.018.407,35 € Tabla 22. Evolución del préstamo. Motor SFGLD 180. Fuente: elaboración propia 9.8 ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE LA INVERSIÓN En este apartado se realizan los cálculos que permiten obtener los indicadores principales de rentabilidad de la inversión para este proyecto con el motor AB Guascor SFGLD 180. Se realiza de los tres métodos posibles más usuales. Estos son análisis de la tasa interna de retorno también llamada TIR, análisis del valor neto actual (VAN) y Payback. Estos son brevemente definidos a continuación: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 68 de 106  VAN: Este método consiste en calcular el valor actual de todas las inversiones anuales y los ahorros netos a lo largo de la vida del proyecto. Sumando todos los valores actuales (los costes se representan en valores negativos y los ahorros en positivos), se obtiene este valor, al que se le llama valor actual neto.  TIR: La tasa interna de retorno se define como el valor del interés elegido con el que se obtiene un valor neto actual igual a cero en las condiciones de la inversión, flujo de ahorros netos y tiempo especificadas. O dicho de otra forma, es la tasa de interés por medio de la cual se recupera la inversión. Éste es utilizado para decidir sobre la aceptación o el rechazo de un proyecto de inversión  Payback: o también denominado periodo de retorno, se entiende el tiempo necesario para que el total de los ingresos o ahorros netos anuales de la depreciación obtenidos con el proyecto sean iguales al capital invertido. Cuanto menor sea el periodo de retorno, más atractivo resultará el proyecto. Definiciones según: apuntes de tecnología energética, capítulo 3 “Evaluación económica de los sistemas energéticos” Con esto se procede a analizar que el equipo con dichos gastos y beneficios que genera, sea rentable o no. En este apartado no se tiene en cuenta el efecto de la financiación con el préstamo pero sí se mantiene el efecto de la subvención ya que esta está registrada en el Real Decreto 949/2009. A continuación quedan citados los principales indicadores y magnitudes para la evaluación de la rentabilidad de la inversión con el motor Guascor SFGLD 180:  Inversión inicial  coste planta biogás + coste motor - subvención  Io = 1.673.500 €  Inversión total (si no hubiera subvenciones)  coste planta biogás + coste motor  Inflación anual  1,5 %  Tasa de interés anual  5 % Se muestran ahora las tablas en las que se puede ver el desglose del estudio económico, el período de retorno (Payback), el resultado contable anual y tanto el cálculo del TIR como del VAN. La inversión total es lo que se tendría que invertir en el caso de que los ganaderos no tuvieran ninguna subvención. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 69 de 106 Año Inversión total € Préstamo € Subvención € Ingresos € Gastos € Cuotas anuales € 2.012 1.910.500 1.473.500 237.000 388.875,47 64.022,50 0 2.013 0 0 0 396.652,98 65.623,06 166.928,74 2.014 0 0 0 406.569,30 67.591,75 166.928,74 2.015 0 0 0 407.421,43 69.619,51 166.928,74 2.016 0 0 0 417.606,97 71.708,09 166.928,74 2.017 0 0 0 418.502,24 73.859,33 166.928,74 2.018 0 0 0 428.964,79 76.075,12 166.928,74 2.019 0 0 0 429.905,38 78.357,37 166.928,74 2.020 0 0 0 440.653,02 80.708,09 166.928,74 2.021 0 0 0 441.641,23 83.129,33 166.928,74 2.022 0 0 0 452.682,26 85.623,21 166.928,74 2.023 0 0 0 453.720,49 88.191,91 166.928,74 2.024 0 0 0 465.063,51 90.837,67 166.928,74 2.025 0 0 0 466.154,30 93.562,80 166.928,74 2.026 0 0 0 477.808,16 96.369,68 166.928,74 Tabla 23. Análisis completo de la rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 70 de 106 Año Flujo de caja € Flujo de caja actualizado € 0 -1.673.500 -1673500 1 324.852,97 304811,61 2 331.029,92 291444,97 3 338.977,55 280030,23 4 337.801,93 261842,87 5 345.898,88 251577,88 6 344.642,90 235199,99 7 352.889,68 225970,41 8 351.548,02 211223,35 9 359.944,93 202926,14 10 358.511,89 189648,82 11 367.059,05 182191,11 12 365.528,59 170238,29 13 374.225,84 163536,36 14 372.591,51 152777,07 15 381.438,48 146755,50 Tabla 24.Indicadores principales del análisis de rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia TIR 12% VAN 1.596.674,58 € Payback 4,73 años TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 71 de 106 10 INGRESOS PARA EL MOTOR AB ECOMAX 2BIO Ahora se procede a realizar los mismos cálculos pero para el motor Ecomax 2BIO. Primero se va a analizar la energía que se estima producir con este motor. Este posee una potencia eléctrica de este motor es de 190 kWe y tiene un autoconsumo del 5%. Por lo que la energía eléctrica obtenida es: E = Pelec · h/año · (1 – autoconsumo %) E = 190 kW · 8328 h/año · (1 – 0,05) E = 1.503.204 kWh/año (23) Para analizar los ingresos procedentes de la venta de energía, se puede realizar de cualquiera de las dos maneras explicadas en la introducción (estipuladas en el art. 24.1 del RD 661/2007), las cuales llevarán exactamente a la misma solución. Se va a realizar mediante la OPCIÓN A. Ésta queda resumida en la Ecuación 19: Liquidación = Tarifa – Costes de los desvíos + Complementos (24) El precio de venta de la electricidad a tarifa viene dado en el RD 661/2007 de 25 de Mayo, de Producción de Energía Eléctrica en Régimen Especial. Se trata de una instalación de cogeneración con biogás procedente de la digestión anaeróbica con potencias menores de 500 kW (Grupo a.1.3; subgrupo b.7.2. en el Real Decreto 661/2007). Por lo que, según el ANEXO III en el que aparece la actualización trimestral de las tarifas y primas del régimen especial a partir del 1 de Enero de la Orden IET/3586/2011, tendrán un valor de: Precio de la electricidad = 0,148131 €/kWh Con la consiguiente prima también dada en el mismo documento citado del Real Decreto: Prima de referencia = 0,116897 €/kWh TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 72 de 106 10.1 COMPLEMENTOS Complemento de energía reactiva: Según la Orden ITC/3519/2009, de 28 de diciembre, del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, el complemento por energía reactiva tiene un valor de 0,082954 €/kWh. Cuantía del complemento = E · Valor del complemento · Porcentaje Reactiva Cuantía complemento = 1.503.204 kWh/año · 0,082954 €/kWh · 0,06 Cuantía complemento = 7.481,8 €/año (25) Complemento por eficiencia: El complemento por eficiencia viene dado por esta fórmula: C. por Eficiencia = 1,1 · [ (1/ ηe.e.min) – (1/ ηe.e)] · Cn C. por Eficiencia = 1,1 · [ (1/ 0,45) – (1/0,6258 )] · 0,02826 (26) El Rendimiento Eléctrico Mínimo Equivalente aparece en la tabla del Anexo I del Real Decreto 661/2007 del 25 de Mayo. Este tiene un valor para este caso 45% puesto que estamos ante una instalación la cual tiene una potencia inferior a 1MW. Y se denomina Cn al coste de materia prima. El valor de esta queda estipulado para este trimestre según la Ley 30/1992, de 26 de noviembre, de Régimen Jurídico de las Administraciones Públicas y del Procedimiento Administrativo Común. Establece para este trimestre este valor 0,02826 €/kWh. Se calcula el valor del Complemento tomando como valor del Rendimientos Eléctrico Equivalente, el hallado para la demanda térmica media al año. Con ello se obtiene que: TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 73 de 106 Complemento por eficiencia= 29.171,15 kW/año Complemento de discriminación horaria Esta instalación no se puede acoger debido a que el proyecto está realizado para una instalación que trabaja las 24 horas del día, es decir, durante más horas valle que punta. COMPLEMENTOS TOTAL = 7.481,8 + 29.171,15 = 36.652,95 €/año 10.2 INGRESOS ANUALES TOTALES Los ingresos totales anuales serán: INGRESOS = ( E · Precio venta ) + Complementos - Desvíos (27) Los desvíos son definidos como la carencia o el exceso de electricidad que se prevé producir con respecto a la producida finalmente, es decir: Desvíos = Energía medida – Energía programada (28) Las instalaciones están obligadas a presentar una previsión de producción al operador del mercado. Para este análisis económico, tomaremos el valor que estipula IDAE como valor de referencia, este es el 5%. Por lo que los ingresos serán: INGRESOS = ( 1.503.204 · 0,148131) + 36.652,95 – 0,05 INGRESOS = 259.324 €/año TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 80 de 106 El volumen total de los digestores anaerobios que se utilizan en este proyecto es de 3.800 m³, entonces la subvención teórica sería de 361.000 €, sin embargo, la cuantía máxima que se regula en la legislación aragonesa es la siguiente: Volumen = 3.800 m³  SUBVENCIÓN = 237.000 € Por otro lado, como se ha indicado antes, se establece que el capital que aportan los socios para la ejecución del proyecto es: CAPITAL APORTADO POR LOS SOCIOS = 200.000 € Habitualmente, esta cifra suele estar entre un 10% y un 15% aproximadamente de financiación por parte de los inversores. 10.7 GASTOS FINANCIEROS PARA EL ECOMAX 2BIO El importe total del préstamo para este caso será el siguiente: Préstamo = Coste del motor + Coste planta biogás – Subvención – Capital socios Préstamo = 256.000 + 1.700.000 -237.000 – 200.000 PRÉSTAMO (Co) = 1.519.000 € (32) Se opta por un método de pago con una cuota fija de amortización la cual se calcula con la siguiente fórmula financiera de la renta anual: Cn = ( Co · i ) / [ 1 - (1 + i )- n] (33) TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 81 de 106 Siendo: i = 3,5% n = 15 años (periodo de amortización) Por lo que la cuota anual tendrá un valor de: Cuota anual = 131.887,3 € En la siguiente Tabla, queda comprobado que a los 15 años, con esta cuota fija quedará devuelto el préstamo: Año Interés Importe pendiente 2.012 113.925,00 € 1.501.037,72 € 2.013 112.577,83 € 1.481.728,27 € 2.014 111.129,62 € 1.460.970,61 € 2.015 109.572,80 € 1.438.656,12 € 2.016 107.899,21 € 1.414.668,05 € 2.017 106.100,10 € 1.388.880,88 € 2.018 104.166,07 € 1.361.159,66 € 2.019 102.086,97 € 1.331.359,36 € 2.020 99.851,95 € 1.299.324,03 € 2.021 97.449,30 € 1.264.886,05 € 2.022 94.866,45 € 1.227.865,22 € 2.023 92.089,89 € 1.188.067,83 € 2.024 89.105,09 € 1.145.285,64 € 2.025 85.896,42 € 1.099.294,78 € 2.026 82.447,11 € 1.049.854,61 € Tabla 29. Evolución de la Inversión. Motor Ecomax 2BIO. Fuente: Elaboración propia. Como se puede apreciar en el año 2.026, ya no se tendrán que pagar más cuotas anuales, esto quiere decir que el préstamo estará amortizado. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 82 de 106 10.8 ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE LA INVERSIÓN En este apartado se realizan los cálculos que permiten obtener los indicadores principales de rentabilidad de la inversión para este proyecto con el motor AB ecomax 2BIO. Se realiza de los tres métodos posibles más usuales. Estos son análisis de la tasa interna de retorno también llamada TIR, análisis del valor neto actual (VAN) y Payback. Estos son brevemente definidos a continuación:  VAN: Este método consiste en calcular el valor actual de todas las inversiones anuales y los ahorros netos a lo largo de la vida del proyecto. Sumando todos los valores actuales (los costes se representan en valores negativos y los ahorros en positivos), se obtiene este valor, al que se le llama valor actual neto.  TIR: La tasa interna de retorno se define como el valor del interés elegido con el que se obtiene un valor neto actual igual a cero en las condiciones de la inversión, flujo de ahorros netos y tiempo especificadas. O dicho de otra forma, es la tasa de interés por medio de la cual se recupera la inversión. Éste es utilizado para decidir sobre la aceptación o el rechazo de un proyecto de inversión  Payback: o también denominado periodo de retorno, se entiende el tiempo necesario para que el total de los ingresos o ahorros netos anuales de la depreciación obtenidos con el proyecto sean iguales al capital invertido. Cuanto menor sea el periodo de retorno, más atractivo resultará el proyecto. Definiciones según: apuntes de tecnología energética, capítulo 3 “Evaluación económica de los sistemas energéticos” Con esto se procede a analizar que el equipo con dichos gastos y beneficios que genera, sea rentable o no. En este apartado no se tiene en cuenta el efecto de la financiación con el préstamo pero sí se mantiene el efecto de la subvención ya que esta está registrada en el Real Decreto 949/2009. A continuación quedan citados los principales indicadores y magnitudes para la evaluación de la rentabilidad de la inversión con el motor Ecomax 2BIO:  Inversión inicial  coste planta biogás + coste motor - subvención  Io = 1.719.000 €  Inversión total (si no hubiera subvenciones)  coste planta biogás + coste motor  Inflación anual  1,5 %  Tasa de interés anual  5 % Se muestran ahora las tablas en las que se puede ver el desglose del estudio económico, el período de retorno (Payback), el resultado contable anual y tanto el cálculo del TIR como del VAN. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 83 de 106 Año Inversión total € Préstamo € Subvención € Ingresos € Gastos € Cuotas anuales € 2.012 1.956.000 1.519.000 237.000 259.324,01 65.160,00 0 2.013 0 0 0 264.510,49 66.789,00 172.083,31 2.014 0 0 0 271.123,26 68.792,67 172.083,31 2.015 0 0 0 272.081,27 70.856,45 172.083,31 2.016 0 0 0 278.883,31 72.982,14 172.083,31 2.017 0 0 0 279.889,82 75.171,61 172.083,31 2.018 0 0 0 286.887,07 77.426,76 172.083,31 2.019 0 0 0 287.944,54 79.749,56 172.083,31 2.020 0 0 0 295.143,15 82.142,05 172.083,31 2.021 0 0 0 296.254,16 84.606,31 172.083,31 2.022 0 0 0 303.660,52 87.144,50 172.083,31 2.023 0 0 0 304.827,77 89.758,83 172.083,31 2.024 0 0 0 312.448,46 92.451,60 172.083,31 2.025 0 0 0 313.674,80 95.225,14 172.083,31 2.026 0 0 0 321.516,67 98.081,90 172.083,31 Tabla 30.Análisis completo de la rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 84 de 106 Se analiza el flujo de caja para obtener los valores de rentabilidad del proyecto citados: Año Flujo de caja € Flujo de caja actualizado € 0 -1.719.000 -1.719.000 1 194.164,01 182.185,33 2 197.721,49 174.077,72 3 202.330,59 167.145,82 4 201.224,82 155.976,87 5 205.901,16 149.755,26 6 204.718,21 139.709,02 7 209.460,31 134.126,43 8 208.194,98 125.091,42 9 213.001,11 120.083,63 10 211.647,85 111.959,37 11 216.516,02 107.468,52 12 215.068,93 100.164,44 13 219.996,86 961.38,44 14 218.449,66 89.572,89 15 223.434,78 85.964,80 Tabla 31.Indicadores principales del análisis de rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia Payback 8,21 años TIR 2% VAN 220.419,95 € TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 85 de 106 11 INGRESOS PARA EL MOTOR ECOMAX 2.5BIO Por último se realizarán los cálculos pertinentes para averiguar la rentabilidad de esta última opción de motor. Primero con en los anteriores motores estudiados, se va a hallar la potencia eléctrica obtenida por el motor. La potencia eléctrica de éste es de 250 kWe y tiene un autoconsumo del 8%. Por lo que la energía eléctrica obtenida es: E = Pelec · h/año · (1 – autoconsumo %) E = 250 kW · 8328 h/año · (1 – 0,08) E = 1.915.440 kWh/año (34) Para analizar los ingresos procedentes de la venta de energía, se puede realizar de cualquiera de las dos maneras explicadas en la introducción (estipuladas en el art. 24.1 del RD 661/2007), las cuales llevarán exactamente a la misma solución. Se va a realizar mediante la OPCIÓN A. Ésta queda resumida en la Ecuación 19: Liquidación = Tarifa – Costes de los desvíos + Complementos (35) El precio de venta de la electricidad a tarifa viene dado en el RD 661/2007 de 25 de Mayo, de Producción de Energía Eléctrica en Régimen Especial. Se trata de una instalación de cogeneración con biogás procedente de la digestión anaeróbica con potencias menores de 500 kW (Grupo a.1.3; subgrupo b.7.2. en el Real Decreto 661/2007). Por lo que, según el ANEXO III en el que aparece la actualización trimestral de las tarifas y primas del régimen especial a partir del 1 de Enero de la Orden IET/3586/2011, tendrán un valor de: Precio de la electricidad = 0,148131 €/kWh Con la consiguiente prima también dada en el mismo documento citado del Real Decreto: Prima de referencia = 0,118697 €/kWh TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 86 de 106 11.1 COMPLEMENTOS Complemento de energía reactiva: Según la Orden ITC/3519/2009 del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, el complemento por energía reactiva tiene un valor de 0,082954 €/kWh. Cuantía del complemento = E · Valor del complemento · Porcentaje Reactiva Cuantía complemento = 1.915.440 kWh/año · 0,082954 €/kWh · 0,06 Cuantía complemento = 9.533,6 €/año (36) Complemento por eficiencia: El complemento por eficiencia viene dado por esta fórmula: C. por Eficiencia = 1,1 · [ (1/ ηe.e.min) – (1/ ηe.e)] · Cn C. por Eficiencia = 1,1 · [ (1/ 0,45) – (1/ 0,5346)] · 0,02826 (37) El Rendimiento Eléctrico Mínimo Equivalente aparece en la tabla del Anexo I del Real Decreto 661/2007 del 25 de Mayo. Este valdrá para este caso 45% puesto que estamos ante una instalación la cual tiene una potencia inferior a 1MW. Y siendo Cn el coste de materia prima. El valor de esta queda estipulado para este trimestre según la Ley 30/1992, de 26 de noviembre, de Régimen Jurídico de las Administraciones Públicas y del Procedimiento Administrativo Común. Establece para este trimestre este valor 0,02826 €/kWh. Se calcula el valor del Complemento tomando como valor del Rendimientos Eléctrico Equivalente, el hallado para la demanda térmica media al año. Con ello se obtiene que: C. por Eficiencia = 20.939,3 kW/año TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 87 de 106 Complemento de discriminación horaria Esta instalación no se puede acoger debido a que el proyecto está realizado para una instalación que trabaja las 24 horas del día, es decir, durante más horas valle que punta. COMPLEMENTOS TOTAL = 9.533,6 + 20.939,3 = 30.472,9 €/año 11.2 INGRESOS ANUALES TOTALES Los ingresos totales serán: INGRESOS = ( E · Precio venta ) + Complementos - Desvíos (38) Los desvíos son definidos como la carencia o el exceso de electricidad que se prevé producir con respecto a la producida finalmente, es decir: Desvíos = Energía medida – Energía programada (39) Las instalaciones están obligadas a presentar una previsión de producción al operador del mercado. Para este análisis económico, tomaremos el valor que estipula IDAE como valor de referencia, este es el 5%. Por lo que los ingresos serán: INGRESOS = (1.915.440 · 0,148131 ) + 30.472,9 – 0,05 INGRESOS = 314.208,9 €/año TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 88 de 106 11.3 GASTOS También se han de tener en cuenta los gastos de electricidad anuales y gastos de operación y mantenimiento. Aquí quedan detallados: Gastos de electricidad = 21.000 €/año Gastos de Operación y Mantenimiento = 35.270 €/año Seguros = 88.175 €/año Gastos totales = 144.445 €/año Los gastos de operación y mantenimiento suelen ser alrededor de un 2% de la inversión inicial. Este incluye los gastos de la planta de obtención de biogás y del motor de cogeneración. Los gastos en seguros suelen estar entre un 0,5 y un 0,65% de los costes totales de la instalación. Estos porcentajes se encuentran en el libro Planning and installing bioenergy systems : a guide for installers, architects and engineers. 11.4 ANÁLISIS DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO Se analiza la rentabilidad del proyecto para los 15 años en los que el Real Decreto 661/2007 asegura la vigencia del marco legal que establece. 11.5 INGRESOS DEL MOTOR ECOMAX 2.5BIO Se estiman los siguientes valores del IPC con la finalidad de poder tener en cuenta la evolución económica a lo largo del periodo de 15 años citado con anterioridad. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 89 de 106 Año IPC % 2012 1,6 2013 2,5 2014 3 2015 3 2016 3 2017 3 2018 3 2019 3 2020 3 2021 3 2022 3 2023 3 2024 3 2025 3 2026 3 Tabla 32.Valores del IPC .Fuente: elaboración propia Ahora se pasa a calcular la cuantía de los ingresos año a año en función de estos valores del IPC. Se debe suponer que la energía producida durante estos 15 años no varía. Por lo tanto, los valores del precio de mercado se calculan con la aplicación de la variación del IPC: (Precio venta mercado)año i = ( Precio venta mercado)año i-1 · ( 1 + IPC% año i ) (40) Para los cálculos de los diferentes valores establecidos en el Real Decreto 661/2007, sufren la misma variación pero con un factor de corrección del IPC. Estos valores de corrección son del 0,5% para cada año. Por lo tanto las tarifas, prima de mercado, complementos y desvíos se calculan como: (Valor)año i = ( Valor)año i-1 · [ 1 + ( IPC% – Corrección% ) ] (41) TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 96 de 106 11.8 ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE LA INVERSIÓN En este apartado se realizan los cálculos que permiten obtener los indicadores principales de rentabilidad de la inversión para este proyecto con el motor AB ecomax 2.5BIO. Se realiza de los tres métodos posibles más usuales. Estos son análisis de la tasa interna de retorno también llamada TIR, análisis del valor neto actual (VAN) y Payback. Estos son brevemente definidos a continuación:  VAN: Este método consiste en calcular el valor actual de todas las inversiones anuales y los ahorros netos a lo largo de la vida del proyecto. Sumando todos los valores actuales (los costes se representan en valores negativos y los ahorros en positivos), se obtiene este valor, al que se le llama valor actual neto.  TIR: La tasa interna de retorno se define como el valor del interés elegido con el que se obtiene un valor neto actual igual a cero en las condiciones de la inversión, flujo de ahorros netos y tiempo especificadas. O dicho de otra forma, es la tasa de interés por medio de la cual se recupera la inversión. Éste es utilizado para decidir sobre la aceptación o el rechazo de un proyecto de inversión  Payback: o también denominado periodo de retorno, se entiende el tiempo necesario para que el total de los ingresos o ahorros netos anuales de la depreciación obtenidos con el proyecto sean iguales al capital invertido. Cuanto menor sea el periodo de retorno, más atractivo resultará el proyecto. Definiciones según: apuntes de tecnología energética, capítulo 3 “Evaluación económica de los sistemas energéticos” Con esto se procede a analizar que el equipo con dichos gastos y beneficios que genera, sea rentable o no. En este apartado no se tiene en cuenta el efecto de la financiación con el préstamo pero sí se mantiene el efecto de la subvención la cual está registrada en el Real Decreto 949/2009. A continuación quedan citados los principales indicadores y magnitudes para la evaluación de la rentabilidad de la inversión con el motor AB Ecomax 2.5BIO:  Inversión inicial  coste planta biogás + coste motor - subvención  Io = 1.763.500 €  Inversión total (en el caso de no haber subvenciones)  coste planta biogás + coste motor  Inflación anual  1,5 %  Tasa de interés anual  5 % Se muestran ahora las tablas en las que se puede ver el desglose del estudio económico, el período de retorno (Payback), el resultado contable anual y tanto el cálculo del TIR como del VAN. La inversión total es la que se debería realizar en el caso de que no existieran tales inversiones. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 97 de 106 Año Inversión total € Préstamo € Subvención € Ingresos € Gastos € Cuotas anuales € 2.012 2.000.500 1.563.500 237.000 314.208,94 61.260,00 0 2.013 0 0 0 320.493,12 62.791,50 177.124,59 2.014 0 0 0 328.505,44 64.675,25 177.124,59 2.015 0 0 0 329.301,93 66.615,50 177.124,59 2.016 0 0 0 337.534,48 68.613,97 177.124,59 2.017 0 0 0 338.371,29 70.672,39 177.124,59 2.018 0 0 0 346.830,57 72.792,56 177.124,59 2.019 0 0 0 347.709,74 74.976,33 177.124,59 2.020 0 0 0 356.402,48 77.225,62 177.124,59 2.021 0 0 0 357.326,16 79.542,39 177.124,59 2.022 0 0 0 366.259,32 81.928,67 177.124,59 2.023 0 0 0 367.229,76 84.386,53 177.124,59 2.024 0 0 0 376.410,50 86.918,12 177.124,59 2.025 0 0 0 377.430,07 89.525,66 177.124,59 2.026 0 0 0 386.865,82 92.211,43 177.124,59 Tabla 37. Análisis completo de la rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 98 de 106 Se procede a calcular ahora la rentabilidad del proyecto como se ha explicado en este capítulo. El flujo de caja equivale a los ingresos menos los gastos. Año Flujo de caja € F. de caja actualizado € 0 -1.763.500 -1763500,00 1 252.948,94 237343,60 2 257.701,62 226885,35 3 263.830,20 217950,81 4 262.686,43 203618,05 5 268.920,51 195590,26 6 267.698,90 182689,90 7 274.038,01 175478,30 8 272.733,40 163868,55 9 279.176,86 157391,52 10 277.783,77 146944,54 11 284.330,65 141128,56 12 282.843,23 131729,09 13 289.492,38 126507,91 14 287.904,40 118052,05 15 294.654,39 113365,99 Tabla 38. Indicadores principales del análisis de rentabilidad de la inversión. Fuente: elaboración propia Payback 6,43 años TIR 6% VAN 775.044,48 € TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 99 de 106 12 CONCLUSIONES.OPCIÓN ELEGIDA Tras los análisis efectuados a los largo de este capítulo, se ha obtenido la rentabilidad del proyecto en el caso de que se instalase un motor u otro. Para elegir el motor seleccionado, el estudio se va a centrar en el tiempo total que se tarda en recuperar la inversión. Por ello habrá que comparar el Payback de los tres motores estudiados durante este tercer capítulo, quedándonos con el que recupere la inversión en el menor número de años. No obstante, también se ha de tener en cuenta los valores del TIR y del VAN puesto que, el método de periodo de retorno, no considera la tasa de recuperación del dinero invertido. En el caso de haber obtenido un VAN negativo para alguno de los tres motores, la posibilidad de implantación de dicho motor sería desechada automáticamente puesto que (ese valor negativo del VAN) implicaría, que este proyecto jamás sería rentable. A continuación se realiza ese análisis de las tres opciones estudiadas en los apartados anteriores. Que como ya se ha explicado, se seleccionará el motor con el que la inversión se recupere en el menor número de años posibles. Es decir, el motor seleccionado será el que mayor rentabilidad esté ofreciendo ante este proyecto. Es por todo ello por lo que el motor elegido es: Motor elegido  GUASCOR SFGLD 180 El motor elegido posee una potencia eléctrica de 304 kWe. Este puede funcionar correctamente con la cantidad de biogás producida diariamente en el digestor y también cumple con el rendimiento eléctrico equivalente (RD661/2007) siendo siempre mayor que el mínimo incluso para el mes más desfavorable. Este motor también cubre tanto la demanda térmica supliendo las necesidades de calefacción de los animales como las del digestor para la producción de biogás. Y su precio es de 210.500€ Con respecto a la rentabilidad de la inversión, tiene estas características:  El valor de la tasa interna de retorno es: TIR  12 %  Con una tasa de interés de un 5% anual se obtiene : VAN  1.596.674,58 €  La inversión total se recupera a finales del cuarto año es decir, casi en el año 2.017. Payback  4,73 años TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 100 de 106 13 OPCIÓN ELEGIDA SIN SUBVENCIONES Debido a la crisis económica que atraviesa nuestro país, el 27 de Enero de 2012, el Consejo de Ministros aprobó un Real Decreto Ley por el cual se suspenden temporalmente los procedimientos de preasignación de retribución renovable. Y se suprimen, también temporalmente, los incentivos económicos para nuevas instalaciones de producción de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovable, residuos y cogeneración. Esto implica que la instalación no contaría con esos 237.000 € de subvenciones (por lo menos temporalmente). A continuación se analizará el Payback para esta instalación con el motor seleccionado pero sin esas ayudas. La inversión inicial por lo tanto será: Io = Precio del motor + Precio de la planta de biogás Io = 210.500 + 1.700.000 = 1.910.500 € Por lo que se obtendrá este flujo de caja: Año Flujo de caja Flujo de caja actualizado 0 -1.910.500 € -1.910.500,00 € 1 324.852,97 € 492.065,48 € 2 331.029,92 € 470.689,91 € 3 338.977,55 € 452.449,85 € 4 337.801,93 € 424.125,20 € 5 345.898,88 € 407.681,61 € 6 344.642,90 € 382.137,00 € 7 352.889,68 € 367.313,82 € 8 351.548,02 € 344.277,24 € 9 359.944,93 € 330.915,64 € 10 358.511,89 € 310.141,67 € 11 367.059,05 € 298.098,33 € 12 365.528,59 € 279.365,50 € 13 374.225,84 € 268.511,10 € 14 372.591,51 € 251.619,57 € 15 381.438,48 € 241.837,45 € Tabla 39. Payback, TIR y VAN para el motor seleccionado SIN subvenciones. Fuente: elaboración propia TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 101 de 106 TIR 20% Como se puede observar, sin las subvenciones del Estado, el inversor recuperaría su inversión un año más tarde que en el caso de tenerlas. Payback 5,4 años VAN 3.410.729,37 € TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 102 de 106 14 CONCLUSIONES Ante un proyecto como este, es de destacar que la creación de instalaciones de este tipo, supone una mejora enorme en lo que respecta a la protección medioambiental. Esto se debe a la eliminación de cuantiosas cantidades de purín producidas en este tipo de explotaciones con animales. Estos purines son altamente contaminantes en elevadas concentraciones puesto que pueden llegar a contaminar aguas subterráneas fácilmente. Otra ventaja a tener en cuenta en estas instalaciones, es la gran variedad de residuos o desechos orgánicos que pueden ser utilizados para la obtención del biogás. Por otro lado las granjas ya existentes, de por sí producen una gran cantidad de purín al día y este debe ser gestionado de la mejor manera posible. Esta mejor manera sin lugar a duda, es la de crear negocio a partir de esos desechos incómodos de gestionar de otra forma. El dueño de la granja puede obtener unas ganancias extras a través de la venta de la energía producida sumando estos a los beneficios habituales de una explotación agropecuaria. Otra ventaja más, es la posibilidad de venta del digestato que se obtiene al final del proceso de digestión anaeróbica ya que se puede utilizar como fertilizante. También se pueden generar ingresos por la venta del biogás sobrante, aunque se ha de decir también que se necesitaría un sistema de licuado y embotellado. Es por eso que, el planteamiento de estas instalaciones en granjas es muy ventajoso puesto que además de ayudar con la conservación del medioambiente, también supone unos ingresos mayores. Con respecto a la rentabilidad económica de este proyecto, se ha de tener presente lo antes mencionado con respecto a las subvenciones. En Enero ha salido una nueva normativa en el Real Decreto de 27 de enero de 2012 por el cual, suspende temporalmente las subvenciones para este tipo de instalaciones de Régimen Especial. Por lo que el Payback aumentaría, siendo recuperada la inversión a mitad del quinto año de funcionamiento de la planta. Y es por ello que, como cabría de esperar, no todo son ventajas. Los ganaderos pueden encontrarse con dificultades para obtener financiación para el proyecto debido esencialmente a las dificultades por las que España atraviesa en estos momentos. Por otro lado está planta podría disminuir su Payback obteniendo así mayor rentabilidad, si la instalación tuviera una demanda térmica mayor. La razón que si ésta se aumenta, pueden ser instalados motores con una mayor potencia eléctrica obteniendo así una cantidad mayor electricidad. Por lo que habrá mayores beneficios obtenidos a través de la venta de la electricidad a la red. Para aumentar esta demanda térmica podría asociarse con una instalación agropecuaria cercana, o realizarse en una granja de mayores magnitudes. No obstante, a pesar de las dificultades económicas por las que atraviesa el país, las ventajas superan con creces a los inconvenientes y es por eso por lo que los ganaderos deberían animarse a invertir en este tipo de instalaciones de cogeneración. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 103 de 106 15 AGRADECIMIENTOS A la empresa Guascor por la información suministrada con respecto a los motores de cogeneración. A Antonia Gil del departamento de Ingeniería mecánica del área de máquinas y motores térmicos, y a la consultora Asic por las recomendaciones que me han dado y por guiarme en este proyecto, así como a la empresa Grupo Syder. Y en especial a mi familia y amigos por su incondicional apoyo diario. A todos ellos, gracias. 16 BIBLIOGRAFÍA  Apuntes de la asignatura de tecnología energética.  IDAE07 Biomasa y digestores anaeróbicos. Instituto para la diversificación y ahorro de energía. Madrid, octubre 2007.  Cuantificación de materias primas de rigen ganadero. Consorcio PROBIOGÁS. Ministerio de Ciencia e Innovación. Octubre 2009.  IDEA05 Ahorro y eficiencia energética en instalaciones ganaderas. Instituto para la diversificación y ahorro de energía. Madrid, octubre 2005.  M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO: Fundamentos de la termodinámica técnica., editorial REVERTÉ, S.A.  M.BIGERIEGO : La producción porcina en España y el medio ambiente. Normativa e implementación, Madrid, junio 2001  Red eléctrica España. Liquidación de la energía del régimen especial. XI Edición.  James &James (Science Publishers) Ltd in UK and USA in 2005. Planning and installing bioenergy systems : a guide for installers, architects and engineers. Sitios web:  Guascor Power: http://www.guascor.com/  AB Energy: http://www.gruppoab.it  Caterpillar: http://www.cat.com TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 104 de 106  BOE (tarifas): http://www.boe.es/aeboe/consultas/bases_datos/doc.php?id=BOE-A-2009- 21173  Comisión Nacional de Energía: Comisión Nacional de Enegía www.cne.es  Finanzauto: http://www.finanzauto.es  ABT grupo: http://www.abt-grupo.com/  Asociación Española de Biogás: www.aebig.org Legislación:  Real Decreto 661/2007, del 25 de Mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en Régimen Especial.  Orden ITC/3519/2009, del 28 de Diciembre, por la que se revisan los peajes de acceso a partir del 1 de Enero del 2010 y las tarifas y primas de las instalaciones en Régimen Especial. TRABAJO: Sistema de cogeneración aplicado a una instalación agropecuaria AUTOR: Ana Bes Miras PROYECTO FIN DE CARRERA Página 105 de 106 ANEXOS