Estudio técnico‐económico para la implantación de una planta de generación de energía eléctrica a partir de biomasa en Andalucía

ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO PARA LA IMPLANTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE BIOMASA EN ANDALUCÍA Autor: Enrique Figueroa Luque Tutor: José Morillo Aguado Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla. Curso 2013- 2014 Trabajo Fin de Máster en Ingeniería Ambiental Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página2    Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página3   ÍNDICE 1 Introducción 5 1.1 Objetivos y argumentación del proyecto 9 2 Análisis del estado de la biomasa en Andalucía 10 2.1 Biomasa: tipos y propiedades 16 2.2 Capacidad de Biomasa en Andalucía 18 2.3 Equipamiento coetáneo de biomasa 20 3 Designación de la ubicación en la provincia de Jaén de una planta de biomasa 22 3.1 Material y origen de la información 22 3.2 Procedimiento de asignación del enclave 23 4 Establecimiento de la disponibilidad de biomasa 29 4.1 Superficie disponible de biomasa 29 5 Cómputo del potencial de biomasa utilizable 40 6 Biomasa utilizable 43 6.1 Calificación de la biomasa utilizable 43 7 Tratamientos termoquímicos 50 7.1 Reacciones sólido-gas 50 7.1.1 Pirolisis 50 7.1.2 Gasificación 52 7.1.3 Combustión 56 7.2 Proceso idóneo de reacción sólido-gas para la planta 57 8 Procedimientos previos 60 9 Tratamientos termodinámicos 67 9.1 Ciclo de Vapor (Ciclo Rankine) 67 9.2 Ciclo Orgánico Rankine (ORC) 68 9.3 Ciclo de turbina de gas 70 9.4 Ciclo combinado 71 9.5 Cogeneración 72 9.6 Establecimiento de la tecnología y cálculos termodinámicos 73 10 E studio económico 75 Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página4   10.1 Coste de la biomasa 76 10.2 Estimación de la viabilidad económica: nociones básicas 76 10.2.1 Valor Actual Neto (VAN) 76 10.2.2 Tasa Interna de Retorno (TIR) 77 10.2.3 Periodo de retorno de una inversión (Payback) 77 10.2.4 Coste levelizado de la energía (LCOE) 77 10.3 Resultados acerca de la viabilidad económica 78 11 Conclusiones generales 82 12 Abreviaturas empleadas 84 13 Bibliografía 85 14 Anexos 90 Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página5   1. INTRODUCCIÓN El freno al desarrollo de las energías renovables que ocurre actualmente no parece un camino adecuado para establecer escenarios donde la Sostenibilidad sea un paradigma social dominante. Son evidentes las pruebas que el Cambio Climático nos está dejando de su realidad y, si a esto sumamos la gran dependencia energética de otros países, así como la inestabilidad política de éstos que inducen conflictos armados, son razones más que suficientes para apoyar aquellas tecnologías que más respetan el medio ambiente, con el valor añadido de generar una mayor autonomía energética y, además, mostrar la posibilidad de contribuir al Desarrollo Local Sostenible en zonas rurales, cuestión muy relevante para Andalucía. La lucha contra el Cambio Climático es hoy un importante reto. La declaración anual de la Organización Meteorológica Mundial alerta de que se acentúan los episodios climáticos extremos e insiste en la idea de que la influencia de la actividad humana sobre el clima explica alguno de los cambios que se están observando. La tendencial al calentamiento global sigue poniéndose de manifiesto en las estadísticas. Teniendo en cuenta datos de años anteriores observamos que el año 2003 fue, junto con 2007, el sexto año más cálido desde que se tienen registros. De acuerdo con el informe citado, 13 de los 14 años más cálidos se han producido en el siglo XXI. Cada uno de los tres últimos decenios ha sido más cálido que el anterior, mostrando el valor más elevado la década 2001-2010. El promedio de la temperatura registrada en continentes y superficies de océanos fue, el año pasado, de 14,5 grados Celsius, lo que quiere decir que aumentó en medio grado respecto a la media de los años sesenta, setenta y ochenta. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) expresó en septiembre de 2013 que el calentamiento del planeta es inequívoco y que la influencia humana está clara. En el informe presentado en Yokohama, marzo 2014, se advierte a los líderes políticos que realicen urgentes previsiones de acciones ante el Cambio Climático, ante un panorama futuro lúgubre si no se actúa a tiempo, debido a la vulnerabilidad diferencial de los territorios. Andalucía, debido a su posición geográfica es una zona de alta vulnerabilidad, posiblemente de las más vulnerables de Europa. El Plan Andaluz de Acción por el Clima 2007-2012 de la Junta de Andalucía indicaba acciones concretas tanto en mitigación como en adaptación. Michel Jarraud, Secretario General de la Organización Meteorológica Mundial, ha manifestado en el informe presentado en marzo de 2014, que muchos de los fenómenos meteorológicos extremos que se produjeron en 2013 se correspondían con las consecuencias que se esperaban que tuviera el Cambio Climático provocado por la actividad humana. Respecto a España, se alerta acerca de grandes Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página6   variaciones geográficas entre regiones y potenciales diferencias entre años en la precipitación registrada. Figura 1. Evolución de la temperatura y precipitación media de la superficie terrestre. Fuente: IPCC 2014. En España, en 2013, las precipitaciones fueron un 20% superiores a la media histórica, pero con grandes diferencias geográficas. En algunas zonas costeras de la fachada atlántica se registró un aumento del 50% sobre los valores habituales pero las regiones del área mediterránea recibieron menos precipitación que lo esperado de acuerdo con la media. Por ello, la adopción de una estrategia para incrementar la utilización de fuentes renovables de energía resulta esencial ante el escenario planteado por el IPCC. La sinergia de la utilización de fuentes de energías renovables, como la biomasa, unida a estrategias de Desarrollo Local Sostenible es muy adecuadas para Andalucía, para tratar de mitigar el Cambio Climático y para adaptarse al mismo. Entre 2008 y 2012, España, manifiesta incumplidora del Protocolo de Kyoto, ha pagado más de 800 millones de euros por la compra de derechos de emisión a Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página7   otros países que han reducido más sus emisiones. Evidentemente, en este escenario, poner pegas a las renovables, no ayuda nada. El Protocolo de Kyoto le sale caro a España, porque contaminar cuesta dinero. El dióxido de carbono está en el mercado (Sistema Europeo de Comercio de Emisiones) con el objetivo inicial de incentivar las tecnologías limpias; pero un exceso de derechos de emisión provocó que el precio del dióxido de carbono cayera, y no cumpliera el papel disuasorio que implicaba. En España, aunque el sector de las energías renovables haya sido objeto de recortes, en una situación de manifiesto parón en seco por parte del Gobierno, el respaldo de la ciudadanía a las energías renovables es del 81%, cifra superior a la europea, que es del 70%, de acuerdo con los datos del Eurobarómetro de la Comisión Europea. La dependencia energética española se sitúa en un 70,8%, por encima de la media europea (53,8%), según datos del Balance Energético 2012, del Ministerio de Industria, Energía y Turismo. La energía primaria utilizada proviene en un 75,3% de combustibles fósiles contaminantes, como petróleo, gas y carbón. Un hecho que aleja sustancialmente a España de los compromisos del Protocolo de Kyoto en el horizonte de 2020 para minimizar el calentamiento global. En los años previos a la crisis el impulso que las administraciones públicas ofrecieron a las energías renovables fue bastante prometedor, facilidades, ayudas, subvenciones y grandes retribuciones hicieron que el país se volcara en este tipo de tecnologías. Se crearon centros de investigación como el Centro Tecnológico Avanzado de Energías Renovables de Andalucía (CTAER), el cual es colaborador en este proyecto y la Agencia Andaluza de la Energía (AAE). Se instalaron plantas tipo para la investigación y el desarrollo de estas tecnologías y posteriormente se empezaron a construir plantas productoras de energía térmica y eléctrica con iniciativa privada y siempre contando con las ayudas comentadas. La biomasa se configura como un recurso energético limpio y económico capacitado para generar calor en los hogares, industrias y administraciones públicas. En general, potenciar el empleo de la biomasa, especialmente de bosques, ayuda a su limpieza y contribuye a reducir el riesgo de incendios (Xunta de Galicia. 2014). Cumplir con el Plan de Acción de la Biomasa de la Unión Europea crearía entre 250.000 y 300.000 hasta 2020. La biomasa es una de las fuentes de energía renovable más intensivas en la generación de empleo, particularmente en el entorno rural. Por cada 60 MWt producidos se generan 135 puestos de trabajo, contar los 9 que generarían los combustibles Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página8   fósiles de acuerdo con la Asociación Sueca de Bioenergía y la Asociación Austriaca de Bioenergía (Díaz González, J., 2014). En la actualidad, en España, existen unas setenta plantas de biomasa (biomasa, pellets, gasificación, biogás y FORSU). De todas las fuentes renovables la biomasa es la que más cantidad puede aportar al sistema energético español y por tanto es la energía renovable que más puede contribuir a la persecución del objetivo marcado por la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo, relativa al fomento del uso de la energía procedente de fuentes renovables, cuyos objetivos son: ‐ Un 20% del consumo final bruto de energía de la UE ha de ser de origen renovable. ‐ Un 10% de biocarburantes y otros combustibles renovables para el sector transporte. ‐ Reducción del 20% de las emisiones de efecto invernadero respecto a 1990. Atendiendo a los datos ofrecidos por el Instituto para la diversificación y ahorro de la energía (IDAE), la potencia instalada bruta en España en 2010 procedente de biomasa sólida era de 533 MW y según el Plan de Energías Renovables 2011-2020 se ha de alcanzar para el año objetivo 1350 MW, el doble de lo que había instalado el año pasado, que son 721 MW (Pérez, J.M, 2014). Si el origen de la bioenergía es forestal o agrícola, desde una perspectiva general, el impulso de la cadena de valor de la biomasa aporta sostenibilidad al medio rural, permitiendo compatibilizar la preservación de sus valores naturales con su desarrollo económico. El proyecto LIFE+Coop 2020, iniciado en 2014, en Tarragona, desarrolla una red rural inteligente ("rural smart grid") probando que la generación y distribución de energía descentralizada es factible y deseable (Barroso, M., 2014). Andalucía cubre el 45% de la producción de renovables en España y, según sus características geográficas y el potencial de su industria agroalimentaria, le permite que la industria de la biomasa sea casi el 40% del total de la potencia de biomasa instalada en España, teniendo un incremento anual del uso de ésta del 10%. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página9   1.1 Objetivos y argumentación del proyecto La intención de este proyecto es estudiar las posibilidades de implementar plantas de generación de energía eléctrica a partir de biomasa en la comunidad andaluza, mediante el estudio del caso de la provincia de Jaén y por la oportunidad que suponen las razones que se indican a continuación. Por un lado, el potencial de biomasa disponible, en general en Andalucía, que es más que suficiente para implantar este tipo de plantas; y por otro, de acuerdo con el espíritu y facilidades de la Ley 2/2007, de 27 de marzo, relativa al fomento de las energías renovables y eficiencia energética, que promueve el aprovechamiento de la biomasa entre sus medidas. Además, el escenario sombrío que para las energías renovables supone el Real Decreto Ley 1/2012, que suprime temporalmente las primas y nuevas asignaciones para todas las tecnologías renovables para la generación de electricidad y para la cogeneración, hace todavía más deseable la oportunidad de hacer este proyecto fin de Máster, contextualizado en la provincia de Jaén, para intentar poner de manifiesto la posibilidad de obtener energía eléctrica a partir de plantas de biomasa conociendo las potencialidades de generación de la misma en Andalucía y sus excedentes. A lo largo del presente trabajo se va a discutir la potencialidad de instalación de plantas de biomasa en Andalucía y se determinará una zona concreta en la provincia de Jaén, tras valorar tres sitios alternativos. Para ello se estudiará la cantidad de biomasa disponible en cada uno, teniendo en cuenta que su transporte no genere costes elevados, así como otros criterios. Adicionalmente, atendiendo al tipo de biomasa del cual se disponga, se presentarán las distintas tecnologías más apropiadas para todo el proceso de conversión energética, realizando un análisis comparativo de las mismas, comparando el tipo de tecnología más eficiente y rentable posible. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página16    2.1 Biomasa: tipos y propiedades Los diferentes tipos de procedencia de la biomasa son los siguientes: Residuos Ganaderos Los residuos ganaderos son los producidos por los propios animales al usar la biomasa vegetal como alimento. Este tipo de residuo se incluye dentro del grupo de la biomasa animal, y puede ser originada por un animal vivo o uno muerto. En el primer caso, dan lugar a los estiércoles, purines o camas, y en el segundo, a los residuos de matadero. El aprovechamiento de estos residuos con fines energéticos necesita un tratamiento previo de descomposición de la materia orgánica en unas condiciones de operación específicas, y se obtiene lo que se conoce como biogás y que se utiliza como combustible. Residuos urbanos Son aquellos generados a partir de las actividades cotidianas del ser humano en el marco de las ciudades y municipios. Los residuos urbanos considerados son:  Fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU).  Aguas residuales y lodos de depuradoras.  Aceites vegetales usados.  Residuos vegetales de parques y jardines. Residuos industriales Son aquellos residuos generados en industrias agrícolas y forestales. No todos son exactamente residuos sino subproductos o materias primas que se encuentran en aplicaciones en otras industrias. Algunos ejemplos son las arroceras con la cáscara de arroz, cerveceras, fábricas de muebles, residuos del vino, fábricas de pasta de papel, etc. Residuos forestales Estos residuos pueden dividirse en residuos de poda o residuos de corta. Los de poda provienen de los tratamientos silvícolas para el mantenimiento y mejora de los montes y masas forestales. De este modo se generan residuos como leñas, ramas y matorrales. Los de corta de pies se generan en la limpieza de los pies maderables. Aquí se podrían incluir los restos de podas de parques y jardines de los núcleos urbanos. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página17    Residuos agrícolas Se incluyen los residuos orgánicos y restos vegetales que se generan por los cultivos agrícolas directamente tanto en campo como en invernadero. Provienen de las podas de cultivos arbóreos, la paja y restos vegetales de cultivos. La agricultura es una importante actividad económica y social de Andalucía, y su papel resulta esencial para el desarrollo de la región como actividad productiva. Si, como complemento, se pueden aprovechar los desechos de ésta, tendrá todavía más peso en nuestra sociedad. Las aportaciones que puedan hacerse al Desarrollo Rural Sostenible son importantes para frenar la endémica emigración del campo a la ciudad, con los problemas que genera de abandono de zonas rurales, y, en muchos casos, crecimiento no sostenible de las ciudades. Los cultivos más predominantes en la comunidad son, principalmente, algodón, girasol, tomate, invernaderos, vid, tropical, cítrico, frutal, arroz y, sobre todo, el olivar. Tabla 1. Generación de biomasa en actividades forestales y agrícolas. Fuente: Enciclopedia del Medio Ambiente Urbano 2012. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página18    Cultivos energéticos Son cultivos específicos dedicados exclusivamente a la producción de energía. Tienen gran productividad de biomasa ya que son bastante resistentes a la sequía, a las enfermedades, muestran vigor, precocidad de crecimiento, capacidad de rebrote y adaptación a terrenos marginales. También deben cumplir aspectos como no contribuir a la degradación del Medio Ambiente, tener un balance energético positivo, posibilidad de poder recuperar fácilmente las tierras después de finalizar el cultivo, etc. En función de la naturaleza del cultivo (herbáceo o leñoso), del ciclo del cultivo (anual o plurianual) y del tipo de aprovechamiento energético, los podemos clasificar en: - Cultivos oleaginosos: son un conjunto de ésteres metílicos o etílicos de los ácidos grasos de los aceites vegetales. Algunos ejemplos son el girasol, la colza, la soja y la palma. - Cultivos alcoholígenos: Podemos destacar la remolacha y la caña de azúcar. - Cultivos lignocelulósicos: Son especies leñosas cultivadas en alta densidad y corta rotación como eucaliptos, acacias o chopos y especies herbáceas de alta producción como el cardo de la especie Cynara cardunculus. 2.2 Capacidad de Biomasa en Andalucía Gracias a las evaluaciones realizadas por la Agencia Andaluza de la Energía, perteneciente a la Consejería de Economía, Innovación, Ciencia y Empleo de la Junta de Andalucía, es posible conocer el potencial de biomasa existente en nuestra Comunidad Autónoma, a diferentes niveles (municipal, comarcal, provincial y regional) para cada tipo de biomasa. A lo largo de la anterior década se han ido actualizando y ampliando los registros oficiales que permiten conocer con adecuado detalle las cantidades de biomasa que se generan. En la Tabla 2 se recoge el potencial total por provincias en Andalucía en 2011. El total de producción de toneladas de biomasa en Andalucía son 20159,199; el porcentaje de producción más elevado corresponde a la provincia de Sevilla (23%), seguida muy de cerca por la provincia de Jaén (22%). El resto de las provincias muestras menores porcentajes de producción entre el 4 y el 16%, que corresponde a Córdoba. El mayor potencial de producción de estas provincias es debido a su localización en la cuenca del río Guadalquivir, que constituye un importante eje económico y social de Andalucía, con tierras más fértiles y facilidades para el regadío. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página19    Principalmente hay que destacar la importancia del olivar en las provincias de Jaén y Córdoba, especialmente en la primera, no solo como biomasa lignocelulósica, sino también como biomasa procedente de la propia industria del olivar, es decir, del aceite de oliva y de la aceituna de mesa. T OTAL PROVINCIAL T ONELADAS K TEP % A LMERÍA 1,337,052 148 4 % C ADIZ 1,831,423 314 8 % C ÓRDOBA 3,012,933 631 1 6% G RANADA 1,954,756 373 9 % H UELVA 1,924,053 402 1 0% J AEN 4,026,057 884 2 2% M ÁLAGA 1,849,463 310 8 % S EVILLA 4,223,461 896 2 3% A NDALUCIA 20,159,199 3,958 1 00% Tabla 2 “Potencial total de biomasa en Andalucía”. AAE. 2011. Esta información se ve ampliada en el Anexo 1 Potencial de Biomasa en Andalucía, 2011. Como ya se ha expuesto, las provincias con mayor producción de biomasa son Jaén y Sevilla, pudiendo generar, respectivamente, 884 y 896 ktep. En relación con el ámbito agrícola e industrial, el potencial de producción de Jaén es superior al de Sevilla (Tabla 3). Toneladas (agrícola) Toneladas (industrial) Jaén 1,260,517 2,019,325 Sevilla 1,163,209 638,228 Tabla 3. Potencial de producción de biomasa de Sevilla y Jaén. Elaboración propia a partir de datos de la AAE. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página20    2.3 Equipamiento coetáneo de biomasa Andalucía produce el 40% de la potencia instalada a partir de biomasa en España. Esta potencia contempla tanto generación de energía eléctrica como térmica. En total hay instalados unos 257,48 MW repartidos en 18 plantas y unos 26,27 MW en 16 plantas de biogás. En la Tabla 4 “Plantas de biomasa en funcionamiento para la generación eléctrica” se encuentran detalladas estas dieciocho plantas y como se puede observar, la mayor parte de éstas usan el orujo y el orujillo para la generación de la energía eléctrica. Tal como aparece en la Tabla 4, la mayoría de estas centrales están situadas en las provincias de Córdoba y Jaén, debido al predominio del cultivo del olivar. Respecto a la generación eléctrica con biogás la mayor parte de ésta proviene de centrales que aprovechan los RSU con 19,61 MW y en menor medida de estaciones EDAR con 6,66 MW, todas ellas localizadas en capitales de provincia. También es interesante mencionar las instalaciones de biomasa para uso térmico con una potencia térmica instalada de 1.554,84 MW; ésta contempla aquellas instalaciones tanto industriales como domésticas y a la cabeza se encuentran las provincias de Jaén, Córdoba y Sevilla. Por último hay que añadir la fabricación de pellets con una producción de 41,20 ktep/año, repartida en plantas situadas en las provincias de Jaén, Córdoba y Granada. Además de la fabricación de biocarburantes, con diez plantas de biodiesel y dos de ETBE (Etil TerButil- Éter), con una producción de 995 ktep/año. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página21    C ENTRAL B iomasa/Cog. P OTENCIA ( MW) T IPO BIOMASA L OCALIDAD P ROVINCIA P UESTA M ARCHA T IPO C ENTRAL A lbaida R ecursos Naturales 1 1.7 Restos invernaderos Nijar Almería 2004 Generación A groenergética Baena 25 Orujo Baena Córdoba 2002 Cogener. B ioenergética Egabrense 8 Orujillo Cabra Córdoba 2006 Generación S everaes 0.1 Poda de Olivo Cañete de las Torre s Córdoba 209 Generación B ioenergética Santamaría 14.3 Orujillo Lucena Córdoba 2006 Generación A groenergética Palenciana (2) 5.37 Orujo Palenciana Córdoba 2007 Cogenr. E l Tejar Autogeneración 5.65 Orujo Palenciana Córdoba 1999 Cogenr. V eteja r 12.9 Orujo Palenciana Córdoba 2000 Generación B iomasa Puente Genil 9.82 Orujillo,poda, CE Puente Genil Córdoba 2006 Generación E nce I 40.95 Madera San Juan del Puerto Huelva 2009 Generación E nce II 27.50 Madera San Juan del Puerto Huelva 2009 Cogener. E NCE Biomasa 50.00 Restos madera y CE San Juan del Puerto Huelva 2012 Generación T radema 2 Madera Linares Jaén 2001 Cogener. B ionenergética Linares 15 Orujillo, residuo s agrícolas, forestales, CE Linares Jaén 2009 Generación L a Loma 16 Orujillo Villanueva d e Arzobispo Jaén 2002 Generación A ldebarán Energía del Guadalquivir 6 Poda de Olivo,residuos forestales Andújar Jaén 2010 Generación F uente de Piedra 8.04 Orujillo Fuente de Piedra Málaga 2004 Generación E xtragol 9.15 Orujillo,poda, C E Villanueva de Algaidas Málaga 2003 Generación T OTAL MW 257.48 Tabla 4. Plantas de biomasa en funcionamiento para la generación eléctrica. AAE. 2013 Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página22    3. DESIGNACIÓN DE LA UBICACIÓN EN LA PROVINCIA DE JAÉN DE UNA PLANTA DE BIOMASA 3.1 Material y origen de la información La determinación de un emplazamiento adecuado para una planta de generación de energía eléctrica a partir de biomasa no se basa simplemente en elegir aquellos lugares con mayor disponibilidad de recursos. Para la búsqueda de un lugar apropiado se han de tener en cuenta un conjunto de factores que permitan establecer el lugar más idóneo en el marco de la Comunidad Autónoma de Andalucía. La cantidad de biomasa disponible es el principal factor, pero también se ha de tener en cuenta otros aspectos como, por ejemplo, la topografía del terreno, la accesibilidad (carreteras y caminos), así como agentes sociales interesados en la zona. Resulta también esencial tener en cuenta las poblaciones más adecuadas en las que podemos situar la planta considerando tanto sus infraestructuras como su tamaño. Para realizar la toma de decisión acerca del emplazamiento se han empleado bases de datos oficiales con empleo de Sistemas de Información Geográfica (SIG). Así, se han utilizado datos de la Agencia Andaluza de la Energía (AAE), de las aplicaciones Bioraise (CIEMAT) y Bionline (IDAE) de biomasa disponible en toda la Comunidad Autónoma. La metodología seguida comienza con una evaluación general de la situación en Andalucía que nos ha llevado a la recopilación de información relativa a la provincia de Jaén especialmente por su uso territorial de olivo hasta detectar un enclave en la misma que se considere apropiado. La mayor parte de la información recopilada procede de las bases de datos de la Junta de Andalucía, aunque se han utilizado también otras fuentes, que se indican a continuación:  Mapa de usos y coberturas vegetales del suelo de Andalucía a escala 1:25.000 Nivel reconocimiento y Nivel detalle (2007), de la Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía (actualmente Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio). Facilita identificar el uso de las superficies del terreno objeto de estudio.  Mapas de Potencial de Biomasa en Andalucía de la AAE.  Mapa de Infraestructuras energéticas de Andalucía. AAE.  Bases de datos de Potencial de Biomasa en Andalucía de la AAE. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página23     Bioraise (CIEMAT): Esta aplicación nos permite evaluar los recursos de biomasa agrícola y forestal en España, Portugal, Francia, Italia y Grecia.  Bionline (IDAE): Herramienta para el cálculo de biomasa forestal on-line en España.  Aplicación para soporte de GIS “GOOGLE EARTH” ((R) 2013 Google).  Mapa REPSOL de la red de carreteras de España.  Mapa de la Provincia de Jaén, Diputación de Jaén, Junta de Andalucía. 3.2 Procedimiento de asignación del enclave Son varios los factores que se han de tener en cuenta para la elección de una zona recomendable, en el marco territorial de la provincia de Jaén, para la implantación de una planta de biomasa para la generación de energía eléctrica. A continuación se detallan los pasos que se han seguido para su elección: 1. Establecimiento de áreas con mayor densidad energética: Partiendo de los mapas de Potencial de Biomasa en Andalucía se ha podido observar cuales son aquellas zonas geográficas que disponen de mayor densidad potencial energética. (Mapa 4). Mapa 4. Potencial de biomasa en Andalucía. Fuente AAE. 2011 Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página24    Mapa 5. Potencial de Residuos Agrícolas en Andalucía. Fuente. AAE. 2011. En el Mapa 4, la zona con mayor potencial de biomasa total se encuentra en la cuenca del río Guadalquivir y más concretamente en la provincia de Jaén. También se observa en el Mapa 5 que las zonas con mayor potencial en residuos agrícolas son: la cuenca del Guadalquivir, predominando la provincia de Jaén, una zona en la provincia de Córdoba y por último la parte suroeste de la provincia de Sevilla. Aparte de éstas zonas sólo se podría destacar la zona de El Ejido en Almería y una pequeña área en la desembocadura del río Guadalete en la provincia de Cádiz. Se puede concluir en este apartado que la mayor densidad energética aparece en la provincia de Jaén. 2. Determinación de valores energéticos de cada zona: En este apartado se cuantifica la información gráfica del paso anterior con datos obtenidos de la base de datos de la Agencia Andaluza de la Energía, en relación con el Potencial de Biomasa en Andalucía. El análisis de la Tabla 5 presentada a continuación nos permite establecer que la provincia de Jaén es la que ofrece mejores prestaciones energéticas para el establecimiento de la planta de biomasa. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página25    Tabla 5. Energía en Andalucía. Fuente AAE. 3. Información sobre plantas de biomasa existentes o en fase de proyecto, así como de fabricación de pellets. Instalaciones en funcionamiento o en fase de proyecto de plantas de biomasa, así como empresas de fabricación de pellets, es un factor que se ha de tener en cuenta para que no existan variaciones en el abastecimiento de la biomasa disponible. Cuando se elige la localización de una planta de biomasa, ésta se realiza de acuerdo a la biomasa disponible en un área determinada, por tanto, el área diseñada para la recogida de biomasa de una nueva planta no debería interferir en el área de abastecimiento de otra planta. Para ello, se ha utilizado la información que nos ofrece la Agencia Andaluza de la Energía. En la Tabla 4 “Plantas de biomasa en funcionamiento para la generación eléctrica” se indican las plantas de biomasa ya implantadas y en la Tabla 6 “Fabricación de pellets en Andalucía” se señala la situación de este otro tipo de plantas y como se puede comprobar la mayor parte de ellas se encuentran en Jaén y en Córdoba. A pesar de que la gran mayoría de estas instalaciones se localizan en estas dos provincias, sigue siendo recomendable ubicar en Jaén la planta de biomasa debido al excedente de recursos que sigue habiendo. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página32    El primer dato que necesitamos es la superficie de olivar de las zonas delimitadas: - Arjona: 56.448 hectáreas. - Puente de Génave: 27.989,81 hectáreas. - Puente del Obispo: 56.743,84 hectáreas. A continuación, en relación con las superficies indicadas se realiza una estima indicadora de densidad energética en cada ubicación que nos conduce al valor total de toneladas equivalentes por zona. Hectáreas olivar (15km radio) Intervalo densidad energética (te/ha) Intervalo densidad energética referido a hectáreas de olivar Arjona 56.448 30.001-60.000 1.693.488.896,74-3.386.864.898 Puente de Génave 27.989,81 30.001-60.000 839.722.424,81- 1.679.388.870 Puente del Obispo 56.743,84 30.001-60.000 1.702.371.922,83- 3.404.630.358 Tabla 7. Hectáreas y densidad energética en un radio de 15 km de los municipios a estudiar. Elaboración propia a partir de datos de la AAE. 3.- Caracterización de usos y coberturas del suelo. El análisis que realizamos a continuación nos permite conocer otras fuentes alternativas de biomasa comparando los distintos usos productores de biomasa de cada zona de estudio. Mapa 10. Usos y cobertura del suelo en Arjona (radio 15 km). Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página33    Mapa 11. Usos y cobertura del suelo en Puente de Génave (radio 15 km). Mapa 12. Usos y cobertura del suelo en Puente del Obispo (radio 15 km). Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página34    En el caso de Arjona aparecen formaciones arboladas densas y formaciones arbustivas y herbáceas sin arbolado. En Puente de Génave tenemos formaciones arboladas densas, formaciones arbustivas y herbáceas sin arbolado, y formaciones en secano. Por último, en Puente del Obispo observamos más formaciones forestales dispersas junto con formaciones arbustivas y herbáceas sin arbolado. Lo cual podría permitir en el primer emplazamiento un mayor uso de otras fuentes alternativas de biomasa para la planta prevista. 4.- Determinación de las redes de comunicación. Se compara la red de carreteras de cada una de las zonas con el fin de analizar las facilidades de acceso desde las zonas de producción de biomasa a la planta de producción de energía Mapa 13. Redes de comunicación en Arjona. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página35    Mapa 14. Redes de comunicación en Puente de Génave. Mapa 13. Redes de comunicación en Puente del Obispo. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página36    La zona delimitada para Arjona tiene las siguientes vías de comunicación: A-321, A-305 y JA-3404. En el caso de Puente de Génave tiene como principales accesos la carretera N- 322, JV-6301, A-310 y A-317. Finalmente en Puente del Obispo la red viaria está constituida por la A-316, JV-3054, JV-3021, JV-3034, JV-3043 y JV-3044. 5.- Coste de transporte y de recursos disponibles. Para establecer la ubicación de una planta de generación de energía eléctrica a partir de biomasa resulta interesante conocer los costes de transporte asociados a la materia prima necesaria y también el volumen de recursos disponibles. En relación con los recursos disponibles de olivar (en t m.s./año), las zonas previamente delimitadas rinden los siguientes resultados: - Arjona: 57.840,74 en 50.737,50 hectáreas. - Puente de Génave: 33.772,49 en 29.625 hectáreas. - Puente del Obispo: 49.433,24 en 43.362,50 hectáreas. El coste medio de recolección es idéntico en las tres zonas (37,91 euros/t m.s.) variando un poco el valor de los costes de transporte. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página37    Figura 3. Coste de transporte y recursos disponibles en Arjona. BIORAISE. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página38    Figura 4. Coste de transporte y recursos disponibles en Puente de Génave. BIORAISE. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página39    Figura 5. Coste de transporte y recursos disponibles en Puente del Obispo. BIORAISE. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página40    5. CÓMPUTO DEL POTENCIAL DE BIOMASA UTILIZABLE En relación con la base de datos de potencial de biomasa en Andalucía ofrecida por la Agencia Andaluza de la Energía de la Junta de Andalucía, que clasifica los distintos tipos de biomasa para cada municipio, se podrá calcular de manera aproximada, las cantidades de biomasa disponible que se podrían obtener para cada municipio y por ello la referida al área total seleccionada en el marco de este proyecto para la recogida de biomasa. Se siguen los siguientes pasos: 1. Delimitación de municipios afectados. Ya se han delimitado los municipios afectados por el área seleccionada y superficie de cada uno de ellos, tanto la total como la ocupada por la biomasa. Posteriormente se extraen de bases de datos oficiales los valores de cada municipio necesarios para este estudio. 2. Porcentaje de biomasa afectada. A las matrices facilitadas por las bases de datos para cada municipio, se han añadido columnas referentes al “Área de biomasa afectada”, que corresponde a la cantidad de superficie ocupada por biomasa en cada municipio, y “Porcentaje de biomasa afectada”, que es el porcentaje de biomasa que se dispone respecto a la cantidad total de materia prima en el territorio del municipio. A partir de aquí, multiplicando las cantidades de residuos por éste porcentaje, se obtienen los valores de biomasa disponibles para la planta. 3. Factor de seguridad del 10%. Se ha considerado que puede existir un margen de error de entorno al 10%, de manera que, a los datos obtenidos se le aplicará este porcentaje para asegurar una cantidad de materia disponible en la planta. 4. Resultados finales. La biomasa predominante para el caso de la planta que nos ocupa es el olivar. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página41    En la Tabla 8 se muestra " TEP/año disponibles finales." Para más información y en el Anexo 2 “Cálculos de biomasa disponible” se pueden encontrar las tablas con todos los cálculos realizados PLANTA DE BIOMASA PUENTE DEL OBISPO PUENTE DE GÉNAVE ARJONA TOTAL DE TONELADAS DE RESIDUOS 156.453,20 60.539,90 107.942,92 TONELADAS DE RESIDUOS AGRÍCOLAS ÁREA AFECTADA 74.395,53 36.805,61 83.786,12 KTEP RESIDUOS AGRÍCOLAS ÁREA AFECTADA 23,57 6,33 26,53 BIOMASA OLIVAR KTEP DISPONIBLES FINALES COEF. REDUCCIÓN 10% 20,79 11,72 18,68 ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD (Kg/ha) 8.812,90 4.378,25 5.902,92 BIOMASA INVERNADERO KTEP DISPONIBLES FINALES COEF. REDUCCIÓN 10% ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD (Kg/ha) BIOMASA FRUTAL KTEP DISPONIBLES FINALES COEF. REDUCCIÓN 10% ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD (Kg/ha) BIOMASA GIRASOL KTEP DISPONIBLES FINALES COEF. REDUCCIÓN 10% 0,094 0,14 ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD (Kg/ha) 86,75 85,21 BIOMASA TOMATE KTEP DISPONIBLES FINALES COEF. REDUCCIÓN 10% 0,018 0,014 ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD (Kg/ha)) 15,44 7,61 Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página48    M aterial T OMATE. RESTOS DE COSECHA P ropiedades Unidad (*) Base húmeda Base seca daf C ontenido de humeda d wt% 35 C ontenido en cenizas wt% 18.71 M ateria Volatil wt% 66.02 81.22 C arbón fijado wt% 15.27 18.78 C aracterización energética P CS MJ/kg 14.83 18.24 kcal/kg 3542.08 4356.55 P CI MJ/kg 12.56 13.94 17.14 kcal/kg 3000.00 3329.51 4093.82 A nálisis elemental C arbono wt% - 38.17 46.96 H idrógeno wt% - 4.08 5.02 N itrógeno wt% - 2.3 2.83 A zufre wt% - 0.5 0.62 O xígeno wt% - 36.24 44.58 T otal (con haluros) wt% - 102.94 103.61 C omposición bioquímica C elulosa wt% (dry) - 25.70 H emicelulosa wt% (dry) - 6.00 L ignina wt% (dry) - 10.50 P roteina wt% (dry) - 13.00 P ectina wt% (dry) - 6.60 T otal Cenizas + bioquímica wt% (dry) - 82.00 Composición elemental en cenizas P 2O5 wt% (ash) - 2.50 S iO2 wt% (ash) - 10.20 F e2O3 wt% (ash) - 0.97 A l2O3 wt% (ash) - 1.26 C aO wt% (ash) - 24.74 M gO wt% (ash) - 7.91 N a2O wt% (ash) - 5.51 K 2O wt% (ash) - 12.97 T iO2 wt% (ash) - 0.26 d af: dry ash free (Base seca libre de cenizas) Tabla 12. Caracterización de la biomasa (Tomate). Fuentes: © ECN-Biomass. Phyllis 2 y (*)Agencia Andaluza de la Energía. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página49    En las tablas expuestas resalta el elevado contenido en cenizas que presenta la biomasa del olivar. La recogida de estas cenizas podría ser una fuente de negocio en relación a ser vendida a determinadas instalaciones, por ejemplo, a cementeras para su uso en la fabricación de hormigón u otras aplicaciones. Podría resultar conveniente realizar análisis de laboratorio de cada una de las biomasas disponibles de la zona para una mayor apreciación de los resultados. También se puede comprobar que la cantidad de humedad en esta biomasa es muy elevada, en torno al 50%, aunque un contenido en cenizas inferior al 4.5%. En referencia al tomate el inconveniente que existe es el alto contenido en cenizas y la elevada humedad, aunque inferior al 36%. El girasol presenta también un contenido elevado en cenizas pero una base húmeda inferior al 17%, mientras que el algodón tiene poco contenido en cenizas y una base húmeda aceptable entorno al 25%. De aquí en adelante los resultados de los datos en los apartados siguientes dependerán principalmente de éstos, ya que son las características de la biomasa las que condicionan los diferentes sistemas a utilizar en el proceso de conversión energética que tiene lugar para alcanzar el objetivo. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página50    7. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Hasta el momento todos los datos recopilados han sido un factor extrínseco, es decir, todo lo documentado forma parte del material de partida del cual disponemos, material de biomasa y territorio, y constituye una restricción del modelo. El paso siguiente consiste en la elección de los procesos que se consideran más apropiados, en función de las necesidades y de las limitaciones técnicas y económicas, para transformar la biomasa en energía. Es necesario establecer los sistemas de recogida, secado, almacenamiento, alimentación, transformación a energía eléctrica y sobre todo los procesos termoquímicos. La elección de éstos últimos tiene gran importancia ya que el resto de procesos dependerán directamente del tipo de reacción que sufra la biomasa. Por esta razón se comenzará con la elección de las reacciones sólido-gas, para ir avanzando posteriormente, en función de los datos aquí obtenidos, con el resto de procesos, tanto anteriores como posteriores al proceso termoquímico. 7.1. Reacciones sólido-gas Las reacciones sólidos-gas son aquellas reacciones termoquímicas mediante la cual se obtiene energía a partir de la biomasa. En la actualidad las reacciones más extendidas son la pirolisis, la gasificación y la combustión. En todas ellas tiene lugar la reacción entre un sólido, en nuestro caso biomasa, y un gas, que puede ser aire, oxígeno, vapor de agua, etc. 7.1.1. Pirolisis La pirólisis se puede definir como la descomposición térmica de un material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor. La pirólisis también aparece como paso previo a la gasificación y a la combustión. Se puede considerar que la pirólisis comienza en torno a los 250 °C, llegando a ser prácticamente completa en torno a los 500 °C, aunque esto está en función del tiempo de residencia del residuo en el reactor. A partir de la pirólisis pueden obtenerse diferentes productos secundarios útiles en función de la tecnología de tratamiento que se utilice. En la siguiente tabla pueden verse estos productos y tecnologías. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página51    Figura 6. Productos procedentes de la pirólisis. Los productos primarios formados son los siguientes (en diferentes proporciones según el proceso empleado):  Gases: Compuestos principalmente de CO, CO2, CH4, C2H6 y pequeñas cantidades de hidrocarburos ligeros.  Líquidos: Compuesto por una gran mezcla de distintos productos como pueden ser cetonas, ácido acético, compuestos aromáticos, y otras fracciones más pesadas.  Sólidos: El producto sólido de la pirólisis es un residuo carbonoso (char) que puede ser utilizado como combustible o para la producción de carbón activo. Existen diferentes tipos de pirólisis en función de las condiciones físicas en las que se realice. Así, factores como la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, la presión, etc, tienen una influencia muy grande en la distribución de los productos que se obtienen. Esto puede verse resumido en la siguiente tabla. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página52    Tabla 13. Características de los procesos de la pirólisis. La carbonización es, quizás, el proceso de pirolisis conocido desde hace más tiempo de todos los mostrados en el cuadro anterior, y el que más importancia tiene industrialmente para la producción de carbón vegetal. La pirólisis en centrales de biomasa para la obtención de energía eléctrica no está muy extendida, suele emplearse fundamentalmente para la creación de carbón vegetal que puede ser transportado a industrias de fundición o de co-combustión con carbón natural. Su coste también es elevado cuando la cantidad de materia prima a procesar no es a gran escala, de manera que se descarta directamente como proceso termoquímico de conversión energética posible para la planta de biomasa que contempla este estudio. 7.1.2 Gasificación La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (biomasa lignocelulósica, es decir, leña, matorrales, forraje, o carbones vegetales) es transformado en un gas combustible de bajo poder calorífico, gas de gasificación o de síntesis, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada (800-900ºC) en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno y/o vapor de agua). Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página53    Figura 7. Proceso de Gasificación. La elección del método para llevar a cabo el proceso de gasificación depende de varios factores como el tamaño y forma del residuo, el aprovechamiento de la energía del gas producido que vaya a hacerse y, por supuesto, de los condicionantes económicos. En la Figura 8 se muestra un esquema del funcionamiento del proceso de gasificación. Figura 8. Esquema de funcionamiento del proceso de gasificación. Fuente: Universidad Nacional de Colombia, 2011. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página54    Por su parte el aprovechamiento energético de este gas pobre puede hacerse quemándolo inmediatamente en una cámara de combustión, o introduciéndolo en una turbina de gas o en un motor de combustión interna. El agente gasificante puede ser tanto aire, oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, vapor de agua o hidrógeno, de modo que se obtienen diferentes mezclas de gases que a su vez pueden tener diferentes utilidades. Tabla 14. Composición de los agentes gasificantes. El tipo de reactores que normalmente se utilizan para estos procesos son variados, y su elección depende de varios factores como pueden ser la granulometría del residuo, la humedad de éste, o la limpieza del gas requerida. Algunas de las ventajas del proceso de gasificación son:  Versatilidad en la valorización del residuo, ya que se puede aprovechar la energía que contiene en forma de calor, electricidad o como gas de síntesis para la obtención de productos químicos.  Buen rendimiento eléctrico, en el caso de que esa sea la vía más adecuada para el aprovechamiento del residuo.  Menor impacto ambiental. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página55    Respecto a las configuraciones en función del movimiento relativo entre el sólido y el agente gasificante en el Figura 9 se pueden diferenciar principalmente: - Lecho móvil descendente (downdraft): se trata de corrientes paralelas descendientes en el que el sólido tiene una velocidad relativamente lenta. - Lecho móvil a contracorriente (updraft): El sólido desciende lentamente mientras que el gas asciende en sentido contrario. - Lecho fluidizado: el sólido se encuentra en suspensión gracias a la acción del gas y dependiendo de la velocidad del gas mayoritariamente se puede diferenciar entre lechos fluidizados burbujeantes y lechos fluidizados circulantes. Figura 9. Flujos de materia en los procesos de gasificación. Fuente IDAE 2007. En el Anexo 3 “Características del proceso de gasificación” se detallan las características generales del proceso así como las de las distintas configuraciones que se pueden presentar con la intención de facilitar una valoración que ayude a seleccionar el proceso más idóneo a implantar en la planta objeto de estudio. Más adelante, tras el apartado de combustión se decidirá cuál es el tipo de tecnología que más se adapta a la biomasa en este caso concreto. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página56    7.1.3. Combustión Este proceso se define como la reacción de oxidación exotérmica que tiene lugar cuando un combustible, en este caso la biomasa, reacciona con el oxígeno, el comburente, para producir gases de combustión y cenizas. Al inicio de la combustión la biomasa sufre un secado mediante el cual se evapora la humedad contenida en ella, seguidamente, al superar los 150 ºC hasta los 200 ºC, tiene lugar la pirólisis (descomposición térmica) y, a partir de los 275 ºC, la reacción se acelera liberando de forma rápida los componentes volátiles. A continuación, estos últimos entran en contacto con los agentes oxidantes formando una llama, y el sólido carbonoso sobrante (char) arde lentamente sin llama dando lugar a las cenizas. Se detallan en el Anexo 4 “Características del proceso de combustión” las diferentes características del proceso de combustión y sus distintas tecnologías, En el Figura 10 “Estructura de un proceso de combustión” se pueden observar las distintas fases que tienen lugar durante el proceso de combustión. Figura 10. Estructura de un proceso de combustión. Fuente Rafal Strzalka. 2011. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página57    7.2 Proceso idóneo de reacción sólido-gas para la planta En las tablas de los Anexos 3 y 4 se pueden observar cuales son los puntos más favorables para cada tecnología y cuáles no lo son. Con lo cual se concluye lo siguiente: La tecnología de la combustión está altamente desarrollada y probada, y es capaz de trabajar en un ancho rango de potencias en función de la tecnología que se use a posteriori, desde los motores Stirling (<100 kWel) que están teniendo un buen comienzo en el mercado, pasando por el Ciclo Orgánico Rankine (ORC, 200-2000 kWel) hasta plantas de turbinas de vapor (>2000 kWel) (Byoenergiesysteme GmbH, 2008). En referencia a la gasificación se trata de una tecnología en pleno desarrollo y con un futuro prometedor, pero hasta el momento no ha encontrado una posición suficientemente consolidada, no obstante, las plantas experimentales están teniendo buenos resultados. Por tanto su coste es considerablemente mayor al de la combustión, aunque se esperan ayudas por parte de los gobiernos para alcanzar un desarrollo tecnológico suficiente para competir con la combustión. A este aspecto hay que añadir que debido a la crisis que está sufriendo Europa desde el año 2008, el soporte gubernamental a este tipo de tecnologías no ha sido el deseado. Como se puede apreciar en la Gráfica 3, el coste de la gasificación es bastante superior al de los sistemas de combustión. Se estaría hablando de entre 5.300 €/kWel y 4.600 €/kWel, para rangos de potencia entre 35 y 70 kWel respectivamente para el caso de motores Stirling, para procesos ORC 2.600-3.600 €/ kWel (1.570 kWel - 650 kWel) y para turbinas de vapor de unos 2.400 €/kWel (5 MWel) Si se habla del coste específico de la generación eléctrica, Gráfica 4 “Coste de generación eléctrica para diferentes tecnologías en función de la potencia”, para el caso de motores Stirling la suma sería entre 0,22 €/kWhel y 0,19 €/kWhel, para rangos de potencia entre 35 y 70 kWel respectivamente. Para mediana escala con un proceso ORC el rango sería entre 0,14 a 0,17, para rangos de potencia entre 35 y 70 kWhel (1.570 kWel - 650 kWel) y para turbinas de vapor de 0,13 €/kWhel. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página64    Gráfica 7. Humedad Media Puente de Génave. Fuente AAE. 2013. Gráfica 8. Radiación Directa Puente de Génave. Fuente AAE. 2013. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página65    Gráfica 9. Humedad Media Arjona. Fuente AAE. 2013. Gráfica 10. Radiación Directa Arjona. Fuente AAE. 2013. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página66    Mapa 15. Mapa eólico estacional de Andalucía. Fuente IDAE. Por ello, tanto, el sistema de secado más recomendable teniendo en cuenta además que el tipo de biomasa del cual se dispone es el procedente de la poda del olivo con una granulometría inferior a 80 mm y una base húmeda en torno al 26% y que tiene lugar a finales de la temporada de recogida de aceitunas, aproximadamente en los meses de febrero y marzo, se propone usar el secado natural a la intemperie con la posibilidad de usar grandes lonas para tapar la biomasa en caso de lluvias. La biomasa deberá ser almacenada en pilas cónicas entre 3 y 15 m en la propia planta. Una alternativa es el empleo de secaderos solares pasivos, que, evidentemente, incrementan el precio del proceso global. Tras la recogida, astillado y secado de la biomasa, se dispone de material que ha de ser transportado a sistemas de almacenamiento, tolvas o silos, diseñados de forma adecuada para ser transportados posteriormente por cintas transportadoras o tornillos sin fin. En este caso se recomienda la utilización de tornillos sin fin portratarsedeunsistemacerrado,de maneraqueimpidelaposibilidaddeignicióndemateriaprimaenlascercaníasdela caldera.Éstosocupanmenorespacioquelascintastransportadorasylanecesidadde mantenimientoesmenor. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página67    9. TRATAMIENTOS TERMODINÁMICOS Hasta el momento han sido seleccionados todos aquellos parámetros y tecnologías que tienen lugar en todo el proceso de conversión energética a excepción de los ciclos termodinámicos que van aprovechar el calor producido por las calderas. En la actualidad existe una tecnología lo suficientemente desarrollada para conseguir una eficiencia del sistema aceptable, el inconveniente está en saber elegir correctamente esa tecnología de manera que se consiga el máximo rendimiento. A grandes rasgos se pueden diferenciar para las tecnologías de cogeneración más extendidas los ciclos Rankine o ciclo de vapor que funcionan a través de turbinas de vapor y son recomendables para plantas a gran escala con potencias superiores a los 2 MWel, los Ciclos Orgánico Rankine (ORC) que son empleados para media escala con rangos de potencias comprendidos entre los 200 kWel y los 2 MWel (Bioenergiesysteme GmbH., 2008). Además existen los sistemas avanzados de ciclo combinado que están compuestos por un ciclo de alta que funciona a través de una turbina de gas y un ciclo de baja que recupera el calor sobrante en el ciclo de alta para calentar el fluido de trabajo en la turbina de baja. A continuación se detallarán con mayor precisión estos sistemas y posteriormente se explicarán las conclusiones del sistema a emplear en el caso de estudio expuesto con la finalidad de evaluar si la elección ha sido la acertada. 9.1 Ciclo de Vapor (Ciclo Rankine) El ciclo de vapor también conocido como ciclo Rankine es el principal ciclo de generación energética del cual han ido evolucionando otros ciclos como el ORC. Principalmente consiste en una caldera, en este caso de biomasa, que calienta agua hasta su evaporación (puntos 2-3, en la Gráfica 7), dicha agua ha sido posteriormente impulsada por una bomba (1-2). Una vez que se dispone de vapor de agua, éste pasa a través de una turba de vapor (3-4), produciendo un trabajo mecánico que es trasmitido a un generador para su conversión a energía eléctrica. Finalmente el vapor de agua es condensado (4-1) y el ciclo vuelve a repetirse. No obstante, esta configuración básica ha sido perfeccionada mejorando su eficiencia mediante el aumento de la temperatura en el punto 3 (colocando un sobrecalentador 3-3’), aumentando la presión en la caldera o disminuyendo la temperatura mediante la reducción de la presión en el condensador, usando algún refrigerante. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página68    G ráfica 7 Diagrama Ts del ciclo Rankine s imple con sobrecalentamiento. Figura 11. Diagrama ciclo Rankine simple con s ob r ecalentamiento. La eficiencia en plantas de biomasa no muy grandes en este tipo de tecnologías ronda el 20% debido al uso de sobrecalentadores de ciclo abierto y a la baja presión de la bomba (Faaij, 2006). 9.2 Ciclo Orgánico Rankine (ORC) El ORC ha tenido un gran impulso en los últimos años debido a la posibilidad de trabajar con fluidos orgánicos diferentes al agua, como hidrocarburos, capaces de trabajar a menores temperaturas debido a que sus puntos de ebullición se encuentran por debajo de los 100ºC. El comportamiento del ciclo es similar al ciclo Rankine convencional de agua/vapor. Estos ciclos suelen usar sistemas de regeneración con el fin de extraer parte del calor del vapor saliente de la turbina que ha sido expansionado para precalentar el fluido procedente del condensador antes del evaporador. En la siguiente Gráfica 8 se muestra la comparación entre fluidos orgánicos y agua, donde se puede comprobar la posibilidad de trabajar con temperaturas inferiores a los 400ºC. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página69    G ráfica 8. Diagrama Ts comparativo entre agua y fluido orgánico. F igura 12: Diagrama ORC con regenerador de calor. Es un ciclo recomendado para aprovechar el calor residual de otros ciclos, por lo que es ideal para funcionar como ciclo de baja en ciclos combinados. También permite trabajar a altas temperaturas mediante el uso de nuevos fluidos como el trimetilsiloxano (Kuo, 1999), lo que le permite su dimensionamiento a media escala. Respecto a su eficiencia, puede alcanzar un alto rendimiento térmico entorno al 75% aportado por el aceite térmico y un rendimiento eléctrico entre el 15-20% (Bioenergiesysteme GmbH., 2008). Figura 13. Figura 13. Balance energético de planta de cogeneración basada en ORC. Bioenergiesysteme GmbH., 2008 Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página70    La posibilidad de trabajar con cargas a partir del 30% y tener menor riesgo de erosión en los álabes de la turbina que otros sistemas, son otras ventajas añadidas que se observan en este ciclo. 9.3 Ciclo de turbina de gas Básicamente es un ciclo termodinámico que puede ser abierto o cerrado consistente en la compresión de un fluido (aire) aumentando su presión y, por tanto, su aumento de temperatura (1-2); posteriormente se hace pasar a través de un quemador dónde es calentado (2-3) antes de atravesar una turbina de gas (3-4) y producir un trabajo mecánico. Finalmente, si el aire es expulsado al ambiente, se trataría de un ciclo abierto, pero si éste es aprovechado en caldera de recuperación (HSRG) (4-1) sería un ciclo cerrado. Figura 14. Ciclo termodinámico básico de las turbinas de gas. Fuente: Elcogas. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página71    Figura 15. Esquema del ciclo básico de las turbinas de gas. Fuente: Elcogas. Las turbinas de gas presentan una eficiencia energética entre el 25-35% en la combustión de gases de la biomasa, producen menores emisiones atmosféricas y son equipos compactos con alto grado de automatización, cuya producción de energía no supone un alto coste al igual que su instalación, en comparación con otros sistemas. Otro aspecto importante es la capacidad de trabajar con múltiples combustibles (Gregorio Juste, UPM). 9.4 Ciclo Combinado Es considerado un sistema avanzado de generación energética compuesto principalmente por un ciclo de alta, que suele ser una turbina de gas, combinado con un ciclo de baja, que puede ser una turbina de vapor de agua u ORC, que aprovecha el calor de los gases de escape de la turbina de gas, los cuales se encuentran a muy elevada temperatura para calentar el fluido de trabajo en la turbina de baja, usando normalmente para este intercambio de calor un sistema denominado Heat Recovery Steam Generator (HRSG), consiguiéndose rendimientos entre el 50% y el 60% (Pihl et ál., 2010). Figura 17. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página72    F igura 16. Diagrama Ts comparativo c iclo combinado. Fuente Elcogas. F igura 17. Diagrama ciclo combinado. F uente Elcogas. Las principales ventajas que presenta respecto a las tecnologías de ciclo de vapor de agua son su mayor eficiencia y menores emisiones (Elcogas). 9.5 Cogeneración La cogeneración consiste en la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica, con sus siglas en inglés CHP (Combined Heat and Power). Una planta de ciclo de vapor no puede transformar más de un tercio del poder calorífico inferior de su combustible para la producción de calor (Lyle, 1947), por tanto, el resto de la energía del combustible es transformada en calor, el cual puede ser aprovechado para su uso en industrias o en “district heating”. El aprovechamiento de este calor consiste en conducir el fluido utilizado para condensar el fluido de trabajo, en lugar de a un condensador, a un intercambiador de calor, de manera que se produzca una transferencia de calor de un fluido a otro y conduciendo el fluido condensador a un distrito o un proceso industrial. Como se puede observar en el Figura 13 el rendimiento térmico en un sistema ORC puede alcanzar hasta el 75%. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página73    9.6 Establecimiento de la tecnología y cálculos termodinámicos La elección del ciclo termodinámico a emplear es otro aspecto importante a lo largo de este proyecto. Elegir una tecnología apta y eficiente no es tan complicado porque existen multitud de publicaciones al respecto que pueden orientar la selección de un sistema aceptable, pero lo importante no es esto, lo verdaderamente importante es elegir la tecnología más eficiente posible entre todas las tecnologías consideradas aptas. Para realizar los cálculos relativos a trabajo, calor, energía y rendimientos del sistema se han empleado las leyes de la termodinámica así como el programa informático ESS (Engineering Equation Solver) que es un software de cálculo matemático, especialmente diseñado para termodinámica, que permite además la representación gráfica de los sistemas y es capaz de representar los diagramas (h,T,s,P, V) para distintos fluidos de trabajo. El tipo de reacción sólido-gas será combustión con lecho fluido burbujeante. Nos encontramos en una población interior con red de distribución de gas, con algunas industrias y un núcleo urbano que puede hacer utilidad del calor emitido. Según la bibliografía consultada de acuerdo a la cantidad de biomasa disponible, la potencia resultante en la planta sería superior a 2 MWel, por tanto, se estaría hablando de una planta de gran escala, de acuerdo a las explicaciones detalladas en el apartado 9 la tecnología más óptima para su implantación sería un Ciclo de turbina de vapor o Ciclo Rankine de acuerdo las escalas de potencias comentadas anteriormente. Además se podría aprovechar el calor generado para calentar una industria o un distrito, convirtiendo el sistema de cogeneración. Un esquema simplificado resultante de la planta se puede observar en el Figura 18. Para una mayor eficiencia del sistema se podrían usar sistemas de recalentamiento o regeneración, sin embargo, se ha optado por un sistema simple con la intención de abaratar costes. Figura 18. Esquema simplificado de turbina de vapor. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página80    Tabla 19. Resultados de la evaluación de la viabilidad económica. Planta 2. Puente de Génave. PROYECTO‐PLANTABIOMASA2.PUENTEDEGÉNAVE5,95MWe INVERSIÓNTOTAL17.665.912€ PROMEDIOFLUJOCAJA1.983.028€ SUBVENCIÓN(fondoperdido) €TIR19%  CANTIDADaFINANCIAR17.665.912€VAN21.994.645€   PERIODODERETORNO8,9años VIDAPROYECTO20añosTASAdeRETORNO6,368% CosteElectricidadLevelizado(LEC) PreciodeMercado11,93c€/kwh LECtotal4,03c€/kwh LECCapital1,09c€/kwh LECBiomasa1,41c€/kwh LECO&M0,96c€/kwh LECCostesIndirectos0,57c€/kwh PERIODORETORNO27,81años PromedioCajaLevelizado635.337€  Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página81    Tabla 20. Resultados de la evaluación de la viabilidad económica. Planta 3. Arjona. PROYECTO‐PLANTABIOMASA3.ARJONA13,91MWe INVERSIÓNTOTAL26.499.123€ PROMEDIOFLUJOCAJA4.800.619€ SUBVENCIÓN(fondoperdido) €TIR30%  CANTIDADaFINANCIAR26.499.123€VAN69.513.248€   PERIODODERETORNO5,5años VIDAPROYECTO20añosTASAdeRETORNO6,368% CosteElectricidadLevelizado(LEC) PreciodeMercado11,93c€/kwh LECtotal3,12c€/kwh LECCapital0,71c€/kwh LECBiomasa1,5c€/kwh LECO&M0,55c€/kwh LECCostesIndirectos0,37c€/kwh PERIODORETORNO11,01años PromedioCajaLevelizado2.406.500€   Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página82    11. CONCLUSIONES GENERALES Los efectos del Cambio Climático, cuya realidad comienza a ser innegable de acuerdo con las conclusiones del último informe del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, 2014), podrían ser minimizados mediante políticas que incentiven las energías renovables. Una política gubernamental en este sentido resulta hoy absolutamente necesaria. La idea de este proyecto es apoyar tecnologías sensibles con el medio ambiente y con potencialidad de uso en Andalucía. En el marco del proyecto se ha tratado de poner de manifiesto que el estudio en detalle de la posibilidad de instalar plantas de biomasa en municipios, en este caso de la provincia de Jaén, con alto potencial de biomasa de olivar ofrece un camino, no solo para mitigar el Cambio Climático, sino también para contribuir al desarrollo económico y social de Andalucía, en un marco de desarrollo rural sostenible. Se puede establecer una cadena productiva continua desde la producción de biomasa hasta la propia venta de la energía, sin necesidad de depender del exterior, beneficiándose empresas, sectores productivos o zonas del calor sobrante en los procesos, alcanzándose un modelo sostenible que, no solo genera energía renovable sino que lucha contra el Cambio Climático. En España, en su conjunto territorial, al igual que en Andalucía, se pueden encontrar zonas con altos índices de producción de biomasa. Por ello, sería muy recomendable la constitución de equipos multidisciplinares que llevaran a cabo estudios como el que se presenta en diferentes municipios españoles con una alta producción de biomasa potencial. Esta recomendación podría considerarse como una primera conclusión de este estudio. Otra cuestión que puede emanar del estudio presentado está relacionado con el coste de la biomasa, ya que la rentabilidad de una planta podría depender del mismo. Factores como fluctuaciones climáticas o comercialización hacia otros mercados podrían generar problemas de abastecimiento continuo y variaciones en precios, por ello es deseable conseguir acuerdos sólidos entre los distintos agentes implicados, tanto públicos como privados. Tras el estudio de los posibles enclaves para la implantación de una planta de generación de energía eléctrica a partir de biomasa en la provincia de Jaén, de acuerdo con los criterios empleados en el desarrollo del proyecto, llegamos a la conclusión de que el municipio en el que aparecen más indicadores favorables es Arjona, seguido muy de cerca por Puente del Obispo y en tercer lugar Puente de Génave. Para la determinación de la ubicación final de la planta han resultado criterios determinantes: Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página83    - Estudio económico: en el cual la relación inversión/potencia de la planta es más rentable en Arjona, además de tener un periodo de retorno de la inversión menor que las demás plantas. - Disponibilidad de biomasa: la biomasa disponible de olivar hace que el enclave de Arjona sea más adecuado en comparación con las otras dos ubicaciones. - Producción de energía térmica y eléctrica: la cantidad de MWh producida de nuevo conduce a la idoneidad de Arjona como lugar de implantación de la planta. Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página84    12. ABREVIATURAS EMPLEADAS Las abreviaturas más empleadas en el presente proyecto se clasifican a continuación: ‐ AAE: Agencia Andaluza de la Energía. ‐ CAPJA: Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía. ‐ CCGT: Ciclo combinado de turbina de gas. ‐ CHP: Cogeneración electricidad y calor (Combined Heating a Power). ‐ CIEMAT: Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas. ‐ CNE: Comisión Nacional de la Energía. ‐ CTAER: Centro Tecnológico Avanzado de Energías Renovables de Andalucía. ‐ EDAR: Estación Depuradora de Aguas Residuales. ‐ EES: Engineering Equation Solver. ‐ FAO: Organización de la Agricultura de los Alimentos de las Naciones Unidas. ‐ GIS: Sistemas de información Geográfica. ‐ HRSG: Recuperador de calor en turbina de vapor (Heat Recovery Steam Generator). ‐ IDAE: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía. ‐ IRENA: International Renewable Energy Agency. ‐ LCOE: Coste Levelizado de la Energía. ‐ ORC: Ciclo Orgánico Rankine. ‐ PCI: Poder Calorífico Inferior ‐ RSU: Residuos Sólidos Urbanos ‐ TIR: Tasa Interna de Retorno ‐ VAN: Valor Actual Neto Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página85    13. 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CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página101   ANEXO 4. CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página102   ANEXO 5. MAQUINARIA Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página103   Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página104   ANEXO 6. CÁLCULOS ECONÓMICOS Estudiotécnico‐económicoparalaimplantacióndeunaplantadebiomasa EnriqueFigueroaLuque  Página105  