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Master Oficial en Energías Renovables y Eficiencia Energética Estudio de viabilidad de una central térmica de biomasa en Venezuela Memoria (1/2) Curso académico: 2009-2010 Alumno: Elena Hernández Abós Director: Javier Royo Herrer 2 Estudio de viabilidad de una central térmica de biomasa en Venezuela Resumen Venezuela se ha inmerso en los últimos años en una crisis energética en la que la demanda de electricidad no se ha satisfecho y las restricciones y cortes en el suministro han sido cada vez más frecuentes. El problema del sector eléctrico en Venezuela deriva, además de en el incremento de la demanda eléctrica, en la fuerte dependencia de una única fuente de generación de la electricidad. Más del 73% de la electricidad es de origen hidroeléctrico, generado en las centrales al sur del país, por lo que se precisa de una amplia red de distribución ya que la mayor parte de la población de encuentra al norte. Con el fin de poner solución a este problema, el gobierno está reorientando su política energética promoviendo el desarrollo de centrales de relativamente pequeño tamaño capaces de suministrar electricidad a sectores más reducidos. Dentro de este plan de generación más distribuida, ya se están implantando pequeñas centrales térmicas de combustibles fósiles de unos 15MW por todo el país. También se están empezando a promover desde el gobierno las energías renovables, ya que a pesar de ser un país con un gran potencial de recursos aprovechables para las energías verdes, la participación de las mismas en el marco energético global apenas representa en la actualidad un 10%. Teniendo en cuenta estas consideraciones medioambientales y el comentado nuevo enfoque del sector energético, surge la idea de la instalación de la primera planta de producción eléctrica a partir de biomasa en Venezuela. El principal objetivo de este estudio es el análisis de viabilidad de una central termoeléctrica de combustión de bagazo de caña de azúcar en la región de Guanare, en el estado de Portuguesa, gestionada por Cadafe, la compañía estatal de generación y distribución eléctrica. El bagazo sería suministrado por la empresa azucarera Molipasa y la cantidad disponible del combustible dependerá de su producción. Así, se analizan tres escenarios diferentes posibles dependiendo de la cantidad de bagazo disponible, proponiéndose para cada una de ellas diferentes configuraciones de ciclo de vapor. Por último, una vez analizada la viabilidad tecnológica de la planta, se analiza el coste económico de las diferentes propuestas para definir la opción más recomendable en cada uno de los escenarios. 3 Indice 1. Antecedentes y objetivos.......................................................................................... 5 1.1. Introducción...................................................................................................... 5 1.2. Venezuela......................................................................................................... 5 1.3. Objetivos........................................................................................................... 7 2. Recursos biomásicos ................................................................................................ 8 2.1. Introducción...................................................................................................... 8 2.2. Recursos biomásicos de Venezuela.................................................................. 8 2.3. Recursos biomásicos en el estado de Portuguesa............................................. 8 2.4. Caña de azúcar.................................................................................................. 8 2.5. Bagazo.............................................................................................................. 9 3. Estado del arte ........................................................................................................ 10 3.1. Introducción.................................................................................................... 10 3.2. Calderas de biomasa....................................................................................... 10 3.3. Ciclos de centrales térmicas de biomasa ........................................................ 13 4. Dimensionamiento y prediseño de la central.......................................................... 18 4.1. Introducción.................................................................................................... 18 4.2. Posibles escenarios......................................................................................... 18 4.3. Análisis tecnológico: Ciclo de vapor.............................................................. 19 4.4. Configuraciones de ciclo de vapor simuladas por escenario.......................... 22 4.5. Resultados obtenidos en las simulaciones...................................................... 22 5. Análisis económico ................................................................................................ 24 5.1. Introducción.................................................................................................... 24 5.2. Costes contemplados...................................................................................... 24 5.3. Resultados....................................................................................................... 25 6. Conclusiones........................................................................................................... 32 7. Bibliografía............................................................................................................. 33 Indice de anexos 1. Calderas de biomasa.................................................................................................36 1.1. Pirotubulares………………………………………………………………... .36 1.2. Acuotubulares……………………………………………………...……........36 1.3. Lecho fijo…………………………………………………………………......36 1.4. Lecho fluidizado……………………………………………………………...39 2. Calderas de bagazo…………………………………………………………….......40 3. Simulaciones de los ciclos de vapor propuestos en EES……………………….….41 3.1. Configuración 1….…………………………………………………………...44 3.2. Configuración 2……………………………………………………………....45 3.3. Configuración 3……………………………………………………………....48 3.4. Configuración 4……………………………………………………………....51 3.5. Cálculo del precio mínimo de kWh………………………………………..…54 4. Equipos……………………………………………………………………….....…54 4.1. Caldera...............................................................................................................54 4.2. Turbinas............................................................................................................. 56 4 Indice de tablas Tabla 1. PCI bagazo de caña ............................................................................................ 9 Tabla 2. Características calderas de biomasa ................................................................ 12 Tabla 3. Calderas de central térmicas existentes............................................................ 17 Tabla 4. Resultados simulaciones EES.......................................................................... 23 Tabla 5. Costes de inversión España y Venezuela. ........................................................ 24 Tabla 6. Valores de TIR y VAN ( Escenario 2 - España) .............................................. 27 Tabla 7. Valores de TIR y VAN ( Escenario 2 - Venezuela)......................................... 27 Tabla 8. Valores de TIR y VAN ( Escenario 1 - España) .............................................. 29 Tabla 9. Valores de TIR y VAN ( Escenario 1 - Venezuela)......................................... 29 Tabla 10. Valores TIR y VAN (España)........................................................................ 31 Tabla 11. Valores TIR y VAN (Venezuela)................................................................... 31 Tabla 12. Tarifas mínimas kWh (Venezuela)................................................................. 31 Indice de gráficas Gráfica 1. Rendimiento vs P3......................................................................................... 20 Gráfica 2. Rendimiento vs P2......................................................................................... 20 Gráfica 3. Rendimiento vs P2......................................................................................... 21 Gráfica 4. Rendimiento vs P4......................................................................................... 22 Gráfica 6. Escenario 1- C4: Beneficio vs Precio de la biomasa.................................... 26 Gráfica 7. Escenario 1- Venezuela: Beneficio vs Precio electricidad............................ 26 Gráfica 8. Escenario 2- C2-C3: Beneficio vs Precio de la biomasa............................... 27 Gráfica 9. Escenario 2- Venezuela: C2-C3. Beneficio vs Precio electricidad. ............. 28 Gráfica 10. Escenario 3- C1-C2: Beneficio vs Precio de la biomasa............................. 29 Gráfica 11. Escenario 3- Venezuela: C1-C2. Beneficio vs Precio electricidad. ............ 30 Indice de figuras Figura 1. Detalle superficie agujereada de parrilla Pinhole .......................................... 13 Figura 2. Parrilla Pinhole antes (izqda) y después (dcha) del proceso de limpieza ..... 13 Figura 3. Esquema configuración 1............................................................................... 14 Figura 4. Esquema configuración 2............................................................................... 15 Figura 5. Esquema configuración 3............................................................................... 15 Figura 6. Esquema configuración 4............................................................................... 16 1. Introducción 5 1. Antecedentes y objetivos 1.1. Introducción En los últimos años, la evidencia de los efectos nocivos de la acción humana sobre el medioambiente como son el calentamiento global, la desaparición de la capa de ozono o la lluvia ácida, ha motivado una mayor preocupación por su conservación. Estos efectos son consecuencia, en muchos casos, de la degradación causada por el uso indiscriminado de combustibles fósiles como el petróleo, el carbón o el gas natural, por lo que desde hace unos años son muchos los esfuerzos para encontrar formas de energía capaces de sustituir a las fuentes fósiles, las denominadas energías renovables, limpias o alternativas. Una de estas energías limpias es el empleo de biomasa como fuente primaria de energía. La biomasa puede ser valorizada por combustión directa o por combustión del biogas o biocombustible generado a partir de ella. El empleo de biomasa supone un balance neto de CO 2 emitido prácticamente cero si se tiene en cuenta el análisis de ciclo de vida, ya que el CO 2 emitido en la combustión es igual al absorbido previamente por la biomasa durante su crecimiento. La sustitución de combustibles fósiles convencionales por biomasa está aumentando considerablemente, ya que, además de los beneficios ambientales, puede suponer importantes ventajas económicas y sociales. 1.2. Venezuela Venezuela, en la parte septentrional de América del Sur, se divide en 25 estados. Tiene una extensión de 916.445 km² y 28 millones de habitantes. Venezuela tiene una economía basada principalmente en la extracción y refinado del petróleo. El sector agrícola tiene también cierta relevancia en la economía global del país. Por su situación geográfica y orografía Venezuela posee gran diversidad de ecosistemas aptos para el cultivo de muy distintas especies, siendo las principales, café, cacao, caña de azúcar, maíz, arroz, sorgo, ajonjolí, cacahuete, girasol y algodón [19]. 1.2.1. Sector energético En el aspecto energético, Venezuela dispone de grandes recursos energéticos tanto de origen fósil como renovable. Con respecto a los recursos fósiles, Venezuela es en la actualidad el país con mayores reservas petroleras en el mundo con la reciente certificación de la Faja Petrolífera del Orinoco. Se calcula, además, que posee un 2,7% el gas natural mundial y es el segundo país latinoamericano en cuestión de reservas de carbón. [1] El aporte actual de las energías renovables supone hoy un 10,6% de la energía producida en el país según la Comisión Económica para América Latina y el Caribe [20]. Según un estudio realizado a partir de datos oficiales del Ministerio de Energía Venezolano, en el año 2002 se estimaba que el potencial aprovechable de este tipo de 1. Introducción 6 energías era tres veces superior a la producción diaria de petróleo, siendo la energía solar, la eólica y la bioenergía las energías renovables con mayor potencial [1]. El principal obstáculo en el desarrollo de este tipo de energías es que Venezuela es un país con una larga tradición petrolera y una economía y política energética basada casi en su totalidad en el consumo de combustibles fósiles. En los últimos años, un valor promedio del 72% de la producción de energía primaria corresponde a la producción de petróleo, un 16% a la de gas natural, un 9% a la energía hidroeléctrica y un 3% al carbón [1]. El consumo energético interno del país representa un 15% de la producción de energía primaria, del cual, cerca de un 80% es de combustibles fósiles líquidos. Es un consumo bastante elevado, ya que supone cerca del 1% del consumo mundial siendo Venezuela un país cuya población representa un 0,4% de la población mundial. 1.2.2. Sector eléctrico En cuestión de generación eléctrica el sistema ha cambiado mucho en los últimos 40 años en el país, pasando de un sistema de generación eléctrica basado en centrales termoeléctricas a un sistema prácticamente sustentado en la generación en centrales hidroeléctricas. Así, en el año 2010, el 73% (13.865 MW) de la capacidad instalada total fue de origen hidroeléctrico, el 26% (7.350 MW) de origen térmico (plantas de combustión de gas natural, diesel, fuel oil o una combinación de ambos) y el 1% de la electricidad tuvo que ser importado [2]. El sistema eléctrico venezolano presenta varios problemas importantes. Uno de ellos es que la alta dependencia de una única fuente hace que cualquier fallo en ella resulte en un fallo en el suministro total de electricidad. Por otro lado, otro de los problemas es la situación de las centrales hidroeléctricas, ya que mientras la mayoría de ellas se encuentran al sur del país, la mayor parte de la población y los núcleos urbanos se encuentran en el norte, por lo que las redes de distribución son muy extensas, implicando elevados costes de reparación y mantenimiento y aumentando la probabilidad de fallos por lo que las actuales redes de distribución se encuentran en un estado bastante precario de conservación. 1.2.3. Crisis energética En la actualidad Venezuela está inmersa en una intensa crisis energética. En 2008, según datos oficiales del Ministerio de Energía la demanda supuso el 90% de la potencia instalada y en 2009 la demanda finalmente superó en un promedio de 1.000 MW la producción diaria [2]. Las principales causas de esta situación son el rápido aumento de la demanda, debido al crecimiento demográfico y de las zonas urbanas, y el mal estado del sistema, ya que además de la falta de inversión en los sistemas de generación, tampoco se han mantenido en las condiciones óptimas de conservación las líneas de transmisión y distribución. Otra de las causas que han desencadenado esta crisis energética ha sido la política 1. Introducción 7 energética desarrollada por el gobierno desde hace años. Así, desde el gobierno se ha fomentado de manera indirecta el consumo irresponsable tanto de electricidad como de combustibles fósiles, tales como gasolina y gasoil, debido al gran subsidio que éstos reciben por parte del gobierno. Los precios ni siquiera cubren los costes de producción. Por ejemplo, el coste del litro de gasolina en Venezuela es el más bajo a nivel mundial, 3 céntimos de euro por litro, mientras que las tarifas eléctricas han permanecido congeladas desde el año 2002 siendo actualmente 4 céntimos de euro por kWh la tarifa más elevada [21], [22]. En esta situación, el gobierno está desarrollando un intensivo plan para paliar la crisis, que incluye, como ya se ha comentado, la instalación de 67 plantas de 15 MW basadas en motores diesel, que suponen un total de 1.000 MW, en zonas en las que el suministro de electricidad es complicado, enfocando de esta manera, la generación eléctrica a un nuevo sistema de generación, más distribuida [2]. Por otra parte, se ha realizado el lanzamiento de campañas de sensibilización entre la población, para crear una conciencia de ahorro y consumo responsable, y se esta planteando una posible subida de los precios. 1.3. Objetivos La incapacidad de cubrir la demanda eléctrica y el deficiente estado en el que se encuentra el actual sistema de generación y distribución eléctrica en Venezuela hacen necesaria la ampliación, modernización y mejora del mismo. Contribuyendo al plan de creación de una red de centrales de potencia de pequeño y mediano tamaño en zonas donde el suministro eléctrico es difícil, y teniendo en cuenta los beneficios medioambientales que supondría, se ha planteado la realización de un estudio la viabilidad de la primera central termoeléctrica alimentada con bagazo de caña de azúcar en Venezuela. La planta se instalaría en el estado de Portuguesa, en el municipio de Guanare. Sería gestionada por Cadafe, la empresa estatal eléctrica, y el bagazo de caña de azúcar sería suministrado por una de las empresas agrícolas más importantes del país, Molipasa. En este marco se encuadra el presente proyecto, cuyo principal objetivo es comenzar el estudio de viabilidad de la planta mencionada, para lo cual se han realizado las siguientes actividades concretas: • Breve estudio teórico de los recursos biomásicos de Venezuela (capítulo 2). • Revisión del estado del arte de calderas y centrales térmicas de biomasa. (capítulo 3). • Análisis técnico de las posibles centrales y definición de las configuraciones de planta más eficientes según los diferentes escenarios (capítulo 4). • Análisis de los costes asociados a cada una de las centrales propuestas y determinación de la opción más viable económicamente en cada uno de los escenarios (capítulo 5). 2. Recursos biomásicos 8 2. Recursos biomásicos 2.1. Introducción A continuación se comenta la disponibilidad del bagazo necesario para alimentar la central así como sus principales características. 2.2. Recursos biomásicos de Venezuela Venezuela, por su situación geográfica y climatología, cuenta con una amplia variedad de especies vegetales y es apta para el crecimiento de un gran número de cultivos distintos. Aproximadamente, más del 50% de la superficie son selvas y bosques y cuenta con más de 21 millones de hectáreas de suelo agrícola. Los principales cultivos en Venezuela son arroz, algodón, maíz, ajonjolí, girasol, caraote, cacao, sorgo, café y caña de azúcar [19]. Venezuela es un importante productor de caña de azúcar a nivel mundial: en la última zafra, 2009-2010, tuvo una producción de 5,7 millones de toneladas de caña, lo que supone aproximadamente 1,4 millones de toneladas de bagazo de caña [3]. 2.3. Recursos biomásicos en el estado de Portuguesa En cuanto a la evaluación de la disponibilidad de recursos biomásicos, se ha de tener en cuenta la situación geográfica, climatología y economía de la zona donde se plantea instalar la planta, en este caso el estado de Portuguesa, y en concreto el municipio de Guanare. El estado de Portuguesa se encuentra en la transición entre la cordillera de los Andes y Los Llanos y tiene un clima predominantemente tropical lluvioso de sabana. Estas condiciones climatológicas favorecen la actividad agrícola convirtiéndola en la actividad económica más relevante del estado. Los principales cultivos son maíz, arroz, ajonjolí, algodón, sorgo, caña de azúcar, caraota, tabaco y café [23]. La planta será alimentada exclusivamente con bagazo de caña de azúcar, que será suministrado por la empresa azucarera Molipasa, cuya de producción de bagazo es del orden de 350 kt anuales. 2.4. Caña de azúcar Venezuela presenta las condiciones idóneas para el cultivo de caña de azúcar, ya que ésta precisa de climas tropicales, una temperatura cálida y abundante agua, para su crecimiento. La caña de azúcar se adapta a casi todo tipo de suelos, obteniendo mayor concentración de azúcar en suelos ligeros, suelos muy aireados que permiten el fácil acceso del agua. Así, las principales zonas de producción de azúcar se encuentran en el sudeste y este de Sudamérica, la región del Amazonas, África central y la zona del sudeste asiático. El tiempo de cosecha es de 6 a 12 meses, dependiendo de las características de la zona de cultivo, cortándose el tallo por la parte inferior. La caña cortada seguirá su desarrollo sin problemas y no es necesario su replante hasta los 5-10 2. Recursos biomásicos 9 años. La caña de azúcar tiene una composición media de 65-75% agua, 11-18% de azúcares, 8-14% de fibra y 12-23% de sólidos insolubles [4]. De la cosecha y procesado de la caña de azúcar se obtienen tres productos, el caldo y el bagazo, ambos productos de la propia caña, y la paja arrastrada en la recolecta de la caña. Pueden obtenerse hasta más de 150 productos y subproductos de gran valor con muy diferentes usos, desde azúcar, producto principal de la caña, hasta bioetanol o melaza utilizados como combustibles, vinaza usado como fertilizante, o el bagazo, con distintas aplicaciones, desde su uso como pienso para animales o para la producción de bioetanol, hasta su uso como combustible para la producción de calor, energía mecánica o energía eléctrica [4]. 2.5. Bagazo El bagazo de caña de azúcar es el residuo de la extracción del caldo de la caña de azúcar. Tiene una composición media del 50% de agua, 46% de fibra, y 4% de sólidos disueltos. Su composición elemental aproximada es: C=43,82%; H=5,85%; O=47,10%; N=0,35% [4]. El PCI del bagazo de caña depende mucho tanto de la variedad de la caña como de la zona de cultivo. Para el presente proyecto se ha considerado un valor medio de PCI de bagazo de caña al 50% de humedad de 7.750 MJ/t (véase la tabla 1). Referencia PCI (kJ/kg) Pellegrini 7.740 Peres 8.194 Aalborg Industries 7.536,20 Ensinas 7.542 Media 7.753,05 Tabla 1. PCI bagazo de caña [4] Se estima que la producción media de caña por hectárea cultivada es de 56,3 t/ha y la cantidad media de bagazo por tonelada de caña procesada es de 250 kg/t según la tipología del suelo y la caña [4]. 3. Estado del arte 16 La configuración 3 está indicada, en general, para plantas de pequeñas y medianas potencias (< 15 MW). El ciclo de vapor de la figura 5 es un ciclo Rankine con dos extracciones una de alta presión dirigida a un precalentador cerrado y otra extracción de baja presión a la segunda turbina que va al desgasificador. El vapor tras su paso por las turbinas y el condensador atraviesa el desgasificador donde se mezcla con la extracción de vapor de alta presión tras su paso por el precalentador de alta presión y la extracción de media presión. − Configuración 4: un desgasificador y dos precalentadores (alta y baja presión) Figura 6. Esquema configuración 4. El ciclo de vapor de la configuración 4 es un ciclo típico de plantas de biomasa de medianas y grandes potencias (> 15 MW). Es un ciclo Rankine con tres extracciones. El vapor tras su paso por las turbinas se introduce en el condensador donde se mezcla con la extracción de vapor de baja presión realizada a la turbina tras su paso por el precalentador. La corriente de salida del precalentador de baja presión atraviesa el desgasificador donde se mezcla con la extracción de media presión y con la extracción de vapor de alta presión tras su paso por el precalentador de alta presión. La corriente resultante entra entonces en el precalentador de alta presión atravesada por la extracción de vapor de alta tras lo cual se introduce de nuevo en la caldera. Según experiencias previas de calderas de centrales térmicas alimentadas con biomasa, se estima que el vapor es generado a una presión media de 70 bar y 500 ºC de temperatura media. En la tabla 3 se recogen las características del vapor generado en caldera en algunas instalaciones ya existentes [24]. 3. Estado del arte 17 Central térmica Parrilla Producción vapor (t/h) Presión vapor (bar) Tª vapor (ºC) Usina Cocal II Pinhole 350 67 520 Usina São José Pinhole 300 94 520 Usina Santa Terezinha Pinhole 300 65 480 Usina São Francisco Pinhole 250 67,6 480 Usina Interlagos Pinhole 220 67,3 480 Usina Uberaba Pinhole 120 23-67 320-490 Abengoa bioenergía Pinhole 250 67 520 Bioenenergía cogeneradora Ltda. Basculante 150 63,2 480 Termoeléctrica Santa Adélia Ltda. Basculante 175 63,2 480 Usina Barra Grande de Lençois Basculante 180 65 520 Usina Vale do Paraná Basculante 200 21-65 355-515 Tabla 3. Calderas de central térmicas existentes [24]. Se consideran presiones típicas de los equipos, 0,11 bar en el condensador y 2,7 bar en el desgasificador. 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 18 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 4.1. Introducción A continuación se definen los posibles escenarios, según la cantidad de biomasa disponible, y se analizan los resultados obtenidos de la simulación en EES de los ciclos de vapor de las centrales propuestas en cada escenario para determinar cual será la configuración de ciclo más eficiente en cada uno de ellos. 4.2. Posibles escenarios Como se ha comentado previamente, el bagazo será suministrado por la empresa Molipasa. Molipasa es una empresa agroindustrial centrada en la producción de azúcar a partir de caña de azúcar. Fue fundada en 1975 en el estado Portuguesa. En sus comienzos tenía una capacidad de molienda de caña de azúcar de 2.000 t/día y en la actualidad ya procesa más de 3.300 t/día. Desde el año 2005, Molipasa ha estado desarrollando un intenso plan de crecimiento que incluye tareas de renovación e innovación de los equipos y procesos en busca de una producción más eficiente. Molipasa, en la actualidad, utiliza una parte de los residuos generados para su propio autoconsumo. En la última zafra (2008-2009), tuvo una producción de 337,2 kt de bagazo, de las cuales, 218,8 kt, fueron destinadas para su propio consumo, ya que dispone de calderas de bagazo y gasoil, y así, tuvo un excedente de residuo de 118,4 kt. Esta fracción de bagazo no utilizada supone principalmente costes y problemas a la propia fábrica ya que debe almacenarla y gestionar el modo de deshacerse de ella. Para el estudio realizado, se ha estimado una producción de bagazo media anual de 350 kt, de las cuales, 230 kt se consideran se emplean para autoconsumo. A partir de este valor, se analizan tres posibles escenarios en función de la cantidad de biomasa suministrada: Escenario 1: La fábrica aporta a la central todo el bagazo generado, 350 kt, y cubre sus necesidades energéticas con otro combustible. Escenario 2: Es el escenario actual y más probable, se disponen de 120 kt de bagazo. Escenario 3: La fábrica se plantea en un futuro sustituir sus actuales calderas de gasoil por calderas de biomasa, por lo que el autoconsumo aumentaría en 60 kt anuales. La biomasa disponible para la central son 60 kt. Se analiza la viabilidad en cada uno de los escenarios de las posibles plantas de potencia según las configuraciones de ciclo de vapor mostradas en el apartado 3. 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 19 4.3. Análisis tecnológico: Ciclo de vapor Se han realizado las simulaciones de los ciclos de potencia de las posibles centrales según los distintos escenarios con la herramienta EES 5 . Para los cálculos, en las simulaciones se han tomado los valores citados previamente de 2,7 bar de presión en el desgasificador y 0,11 bar en el condensador. Teniendo en cuenta que la caldera seleccionada para la planta es una caldera de suspensión se ha supuesto un rendimiento medio de caldera del 85%, ya que como se ha mencionado en el apartado 3.2.3 los valores medios de eficiencia de este tipo de calderas está entre el 80 y 87% y se ha estimado una eficiencia de bombas y turbinas del 85% y un rendimiento eléctrico del 97%. 4.3.1. Configuración 1 En la configuración de vapor 1 el vapor generado en la caldera a 500 ºC y 70 bar (pto 1) tras pasar por la turbina se introduce en el condensador a 0,11 bar y 47,6 ºC (pto3) donde se condensa hasta el estado de líquido saturado a 0,11 bar y 47,6 ºC (pto 4). El vapor tras el paso por la bomba se introduce en el desgasificador a 0,11 bar y 47,6 ºC (pto 5) donde se mezcla con la corriente vapor de alta presión extraída de la turbina a 2,7 bar y 141,5 ºC (pto 2”). La corriente de salida, a 2,7 bar y 130 ºC (pto 6) se bombea hasta la presión de caldera, 70 bar (pto 7) y entra en de nuevo en ella. 4.3.2. Configuración 2 En la configuración 2 el vapor sobrecalentado en la caldera atraviesa la turbina y entra en el condensador a 0,11 bar y 47,6 ºC (pto 4) donde se mezcla con la extracción de baja presión de la turbina, tras su paso por el precalentador, que entra al condensador a 0,11 bar y 47,6 ºC (pto 11). La corriente de salida es bombeada hasta la presión del desgasificador, 2,7 bar. A la salida del precalentador, atravesado por la extracción de vapor de baja presión, 0,68 bar y 89,3 ºC, (pto 3”), la corriente es líquido saturado a 2,7 bar y 77,8 ºC (pto 7), entra en el desgasificador donde se mezcla con la extracción de alta presión de la turbina (pto 2). Tras su paso por el desgasificador (pto 8), el líquido saturado a 2,7 bar y 130 ºC se bombea hasta 70 bar y se introduce de nuevo en la caldera a 130,9 ºC. El valor de la presión de la extracción de baja presión, (pto 3), ha sido optimizado en la simulación para determinar el valor que proporciona mejor rendimiento. La evolución del rendimiento en función de la presión se muestra en la gráfica 1. 5 Las simulaciones de las centrales propuestas se detallan en el anexo 3, “Simulaciones de los ciclos de vapor propuestos en EES” 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 20 0,29 0,291 0,292 0,293 0,294 0,295 0,296 0,297 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 P3 (bar) Rendimiento Gráfica 1. Rendimiento vs P3 (bar) La presión más recomendable para la extracción de baja presión que mayor rendimiento de planta proporciona es 0,6856 bar. 4.3.3. Configuración 3 La configuración de ciclo de vapor 3 es muy similar a la configuración 2, pero en este caso la extracción realizada a la turbina es de alta presión. Las características del fluido son iguales hasta la entrada del desgasificador donde el líquido saturado entra a 0,11 bar y 47,6 ºC (pto 6) donde se mezcla con la extracción de baja presión realizada a la turbina a 2,7 bar y 132,3 ºC (pto 3”) y la extracción de vapor de alta presión tras su paso por el precalentador, 40 bar y 206,2 ºC, (pto 10), y ser expandido mediante una válvula hasta la presión del desgasificador y 130 ºC (pto 11). El líquido saturado de salida del desgasificador se bombea hasta la presión de caldera, las características del fluido en ese punto son 70 bar y 130 ºC (pto 8). El líquido se introduce en el precalentador, atravesado por la extracción de alta presión, donde aumenta su temperatura a 205,3 ºC (pto 9) antes de volver a la caldera. El valor de la presión de la extracción de alta presión, (pto 2), ha sido optimizado en la simulación para determinar cual es el valor que proporciona mejor rendimiento. La evolución del rendimiento en función de la presión se muestra en la gráfica 2. 0,26 0,265 0,27 0,275 0,28 0,285 0,29 0,295 0,3 0,305 0,31 0 20 40 60 80 P2 (bar) Rendimiento Gráfica 2. Rendimiento vs P2 (bar) 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 21 El valor de presión para la extracción de alta presión que maximiza el rendimiento es 17,66 bar. 4.3.4. Configuración 4 En la configuración4, el vapor una vez turbinado entra en el condensador donde se mezcla con la corriente de salida de la extracción de vapor tras su paso por el precalentador de baja presión, 0,7 bar y 89,38 ºC (pto 14) y una válvula donde se expande hasta la presión del condensador, 0,11 bar y 47,67 ºC (pto 15). La corriente de salida del condensador (pto 6) es bombeada hasta el precalentador de baja presión (pto 7) atravesado por la extracción de vapor de baja presión (pto 4”). A continuación entra en el desgasificador a 2,7 bar y 77,67 ºC donde se mezcla con la extracción de media presión a 134,3 ºC (pto 3”) y la extracción de vapor de alta presión tras su paso por el precalentador de alta, 17,66 bar y 206,2 ºC (pto 12) y una válvula donde se expande hasta 2,7 bar y 130 ºC (pto 13). El líquido a la salida del desgasificador se bombea hasta la presión de caldera antes de entrar en el precalentador a 130,9 ºC. Antes de entrar en la caldera el líquido se encuentra a 70 bar y 205,3 ºC. El valor de la presión de la extracción de alta presión, (pto 2) y el de la extracción de baja presión (pto 4), han sido optimizados en la simulación para determinar cuales son los valores que proporcionan mejor rendimiento. La evolución del rendimiento en función de estas presiones se muestra en las gráfica 3 y 4. 0,265 0,27 0,275 0,28 0,285 0,29 0,295 0,3 0,305 0,31 0 20 40 60 80 P2 (bar) Rendimiento Gráfica 3. Rendimiento vs P2 (bar) El valor de presión de la extracción de alta presión es 17,66 bar. 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 22 0,301 0,302 0,303 0,304 0,305 0,306 0,307 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 P4 (bar) Rendimiento Gráfica 4. Rendimiento vs P4 (bar) La presión más recomendable de la extracción de baja presión es 0,6856 bar. 4.4. Configuraciones de ciclo de vapor simuladas por escenario Las simulaciones realizadas de los ciclos de vapor de las posibles plantas según el escenario y la configuración de vapor son: Escenario 1 (350 kt): Como la cantidad de biomasa es bastante elevada, la potencia esperada de la planta será media-alta, por lo que se ha analizado el rendimiento del ciclo de vapor de la planta con la configuración 4. Escenario 2 (120 kt): Por la cantidad de biomasa disponible, la potencia de la planta será pequeña-media por lo que se analizará el rendimiento de la planta con las configuraciones de vapor 2 y 3. No se analiza el caso con la configuración 4 porque los costes específicos aumentarían mucho. Escenario 3 (60 kt): La cantidad de biomasa es baja por lo que se analizará el rendimiento de la planta con los ciclos 1 y 2. No se analiza el caso con las configuraciones 3 y 4 ya que los costes específicos aumentarían mucho. 4.5. Resultados obtenidos en las simulaciones En la tabla 5 se resumen los resultados obtenidos de las simulaciones de las plantas propuestas para cada escenario. 4. Dimensionamiento y prediseño de la central 23 Bagazo (kt) Caudal vapor (t/h) W (MW) Rendimiento (%) Escenario 1: C4 350 113,9 29,77 30,65 Escenario 2: C2 120 34,61 9,85 29,59 C3 120 39,04 10,11 30,37 Escenario 3: C1 60 17,31 4,88 29,3 C2 60 17,31 4,93 29,59 Tabla 4. Resultados simulaciones EES. Según las simulaciones realizadas a cada una de las configuraciones de vapor propuestas, y como era de esperar, la configuración que mejor rendimiento proporciona es la configuración 4, seguida de la 3, la 2 y por último la 1. La configuración 1 es la que menor rendimiento proporciona ya que el ciclo consiste simplemente en una caldera, un condensador y un desgasificador y no existe ningún tipo de precalentador aumentando la temperatura media de absorción en la caldera y así el rendimiento. Las configuraciones 2 y 3 cuentan con un precalentador de baja y alta presión respectivamente que aumentan el rendimiento con respecto a la configuración anterior. La eficiencia de la configuración 3 será mayor, pero también lo serán los costes. La configuración 4 dispone de dos precalentadores que le proporcionan el máximo rendimiento de los ciclos propuestos. De acuerdo con los resultados mostrados en la tabla, las plantas con mejor rendimiento en cada escenario serían: Escenario 1: planta con configuración de vapor 4. Escenario 2: planta con configuración de vapor 3. Escenario 3: planta con configuración de vapor 2. Para determinar definitivamente cual de las configuraciones será la más adecuada para la central en cada uno de los posibles escenarios habrá que tener en cuenta la rentabilidad económica de la planta por lo que se realiza más adelante un análisis económico de cada una de las opciones. 5. Análisis económico 24 5. Análisis económico 5.1. Introducción En el siguiente apartado se analizan los costes asociados y la rentabilidad de cada una de las plantas propuestas para determinar la viabilidad económica de las posibles centrales en cada uno de los escenarios. A modo de comparación y dadas las muy diferentes costes de la energía en los dos países, se ha realizado el análisis económico de cada una de las plantas en el caso de que la central fuera instalada tanto en Venezuela como en España. 5.2. Costes contemplados Para el análisis se han tenido en cuenta diversos costes e ingresos asociados a la instalación de la central que se detallan a continuación. 5.2.1. Coste de la biomasa En el caso de España, el coste medio de la biomasa está entre 30 y 60 €/t. Así, suponiendo que existiera bagazo de caña de azúcar en España, se consideraría un coste por tonelada entre los valores mencionados. En Venezuela, el coste de la biomasa es mucho más reducido ya que es un país muy rico en recursos naturales biomásicos y además, como se ha visto en el apartado 1, el precio de los combustibles fósiles es muy bajo, por lo que se espera que el de la biomasa también lo sea. Aún no se ha fijado precio por tonelada de bagazo suministrada por Molipasa, pero se prevé que el coste sea principalmente una cifra simbólica entre 0 y 10 €/t, pues la acumulación del bagazo en la fábrica supone un problema de almacenamiento, generación de olores e insectos y la empresa se muestra interesada en aportar la fracción de bagazo sobrante. 5.2.2. Coste de inversión de la instalación En la tabla 5 se muestran los costes de inversión por kW instalado para cada una de las centrales analizadas, W (MW) Coste España (€/kW) Coste Venezuela (€/kW) C1 4,879 3.035 2.580 C2 4,927 3.135 2.665 9,854 2.800 2.380 C3 5,057 3.195 2.716 10,113 2.855 2.427 C4 29,773 2.470 2.100 Tabla 5. Costes de inversión España y Venezuela 6 . 5.2.3. Costes de operación y mantenimiento 6 Costes calculados a partir de datos de plantas reales facilitados por una empresa de servicios energéticos y medioambientales 5. Análisis económico 25 Los costes medios de operación y mantenimiento se suponen, para el caso español, de 1,2 c€/kW [8]. En Venezuela los costes se van a estimar un 15% inferiores de media, 1,02 c€/kW. 5.2.4. Precio del kWh producido En España la producción eléctrica a partir de biomasa es una actividad primada por el estado español por pertenecer al conjunto de actividades de producción eléctrica en régimen especial definido en el Real Decreto 661/2007. En este caso, la producción eléctrica a partir de bagazo de azúcar se clasifica en el grupo de energías renovables, centrales alimentadas con residuos agroindustriales (b8.1) para centrales de más de 2 MW de potencia. En el decreto se definen dos tipos de tarifas, la tarifa regulada y la tarifa con prima de referencia. La tarifa regulada, en este caso, es de 13,2994 c€/kWh durante los primeros 15 años y 8,9663 c€/kWh a partir de ese momento. La tarifa media de venta de electricidad es de 5,754 c€/kWh [18] y la prima correspondiente, cuyo valor se añade a esta tarifa, es de 9,1620 c€/kWh, lo que supone una tarifa final de 14,916 c€/kWh. Ya que estas tarifas primadas tienen un límite inferior y superior y la tarifa final obtenida supera el límite superior se tomará como tarifa para los cálculos la tarifa fijada por este límite, 14,0812 c€/kWh. En Venezuela, a diferencia de como ocurre en España las empresas eléctricas no reciben ningún tipo de primas por parte del estado por la producción eléctrica a partir de energías renovables. Las tarifas eléctricas son muy reducidas, teniendo la tarifa más cara un coste medio de 4 c€/kWh [21]. 5.2.5. Calculo del beneficio El cálculo del beneficio anual de la instalación se realiza restando a los ingresos por la venta de electricidad, calculados con la tarifa definida por el límite superior, los costes anuales asociados al consumo de bagazo, los costes de operación y mantenimiento de la instalación y los costes de amortización. Se ha estimado un periodo de amortización de 15 años al 5% de interés y se ha aplicado el modelo de amortización francesa. 5.3. Resultados A continuación se muestran los resultados obtenidos del análisis económico de cada una de las centrales propuestas para cada escenario. Se han calculado los beneficios generados anuales teniendo en cuenta los costes mencionados previamente y con el fin de determinar la mayor o menor rentabilidad de las distintas centrales en un mismo escenario se han calculado los valores de TIR y VAN en el caso de que el coste de la biomasa fuera el mínimo posible, 30 €/t en el caso de España y 0 €/t en Venezuela. 5. Conclusiones 32 6. Conclusiones La intensa crisis energética por la que atraviesa Venezuela en los últimos años y el alto potencial aprovechable de recursos biomásicos en el país han motivado el estudio de viabilidad de la instalación de una central termoeléctrica alimentada con bagazo de caña de azúcar en Guanare, en la región de Portuguesa. La instalación de la planta, además del beneficio medioambiental, supondría también el aprovechamiento y valorización de los cuantiosos residuos de un sector con cierta relevancia en la economía de Venezuela como es el sector azucarero, que se encuentra desde hace unos años sumido en una crisis. La instalación de este tipo de plantas podría suponer un importante impulso para la reactivación del sector. Existen tres posibles escenarios de implantación de la central según la cantidad de biomasa disponible, la cual depende del futuro de la propia fábrica azucarera que suministraría el bagazo de caña a la central: Escenario 1(350 kt bagazo/año): La configuración de ciclo de vapor propuesta para la planta es la de mayor rendimiento de las configuraciones evaluadas. A pesar de que los costes de inversión también son los mayores es la única planta en la que se obtendrían beneficios, aunque muy bajos, con la tarifa eléctrica vigente, 4 c€/kWh. Escenario 2 (120 kt bagazo/año): Es el escenario más probable. Se ha analizado la viabilidad de dos posibles plantas, según la configuración de vapor 2 y la configuración 3. Ninguna de las dos plantas generaría beneficios económicos independientemente de los posibles precios de la biomasa, con la actual tarificación, pero si las tarifas eléctricas aumentaran por encima de 4,18 c€/kWh, sí generarían beneficios. La planta con la configuración 2 resultaría más viable ya que, a pesar de tener un menor rendimiento de ciclo, los costes de inversión son menores y como resultado los beneficios son mayores que los de la planta con la configuración 3. Escenario 3 (60kt bagazo/año): Se han analizado dos posibles plantas con las configuraciones 1 y 2. La rentabilidad de las dos plantas dependerá del incremento de las tarifas actuales hasta un mínimo de 4,44 c€/kWh. En ese caso, la planta más viable en este escenario sería la planta con la configuración de ciclo de vapor 1. Como ocurre en el escenario 2, la mejora en el rendimiento de la configuración del ciclo de vapor de la planta no compensa el aumento de los costes de inversión de la instalación y la planta más rentable es la de menor rendimiento, más sencilla y económica. Se concluye que la instalación de una planta de producción eléctrica a partir de biomasa en Venezuela es técnicamente posible y podría ayudar a solucionar en parte los problemas de suministro del sistema eléctrico mediante el empleo de una energía limpia, pero su viabilidad está condicionada al incremento de las actuales tarifas eléctricas ya que en la actualidad son tan bajas que ni siquiera cubren los costes de producción. 6. Bibliografía 33 7. Bibliografía [1] Posso, F. “Estudio del desarrollo de las energías alternativas en Venezuela”. Departamento de ciencias, Universidad de los Andes, Venezuela, 2004. [2] Hernández, N. “Crisis eléctrica en Venezuela. Una situación anunciada hace más de 10 años”. CMPC Consultores C.A., Caracas. 2009. (http://www.cmpc-consult.com) [3] Cova, Y. “Caña de azúcar: un mercado amargo en Venezuela”. Mercado de Dinero. Caracas. 2010. [4] Fraga, E. “Gestión óptima de la operación de industrias sucroenergéticas en mercados eléctricos”. Tesis doctoral. 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[17] Misplon, B., Verbanck, H., McIntyre, P. “Pinhole grate conversions of two 30 t/h boilers at south Nyanza sugar company, Kenya”, Proceedings of the South African Sugar Technologists, vol. 70, South Africa. 1996. [18] REE. “Síntesis del informe eléctrico 2009”. Red eléctrica de España, 2010. 6. Bibliografía 34 Páginas web consultadas: [19] Página oficial del gobierno Venezolano. (http://www.presidencia.gob.ve) [20] Comisión Económica para América Latina y el Caribe. CEPAL. (http://www.eclac.org) [21] CORPOELEC-CADAFE. (http://www.corpoelec.gob.ve), (http://www.cadafe.com.ve/index.php?option=com_content&view=article&i d=328&Itemid=461) [22] Coste del litro de gasolina en Venezuela. (http://www.petroleonet.com) [23] Gobierno en línea “Estado de Portuguesa” (http://www.gobiernoenlinea.ve/venezuela/perfil_portuguesa.html) [24] Caldema. (http://www.caldema.com.br)