Oportunidades
para la traNsformación de la biomasa forestal en energía y las posibilidades mediante procesos de gasificación
COSTOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BAJO GASIFICACIÓN Juan Fernando Pérez Bayer Grupo de manejo eficiente de la energía – GIMEL Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería - Universidad de Antioquia
Seminario Internacional Transformación de la Biomasa Forestal en Energía. Cartago, Costa Rica, 2017
AGENDA 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Introducción Metodología Resultados Conclusiones Bibliografía Agradecimientos
1. Introducción
1.1 Generación de electricidad en Colombia
13500 MW installed Hydroelectric
68%
Thermal
32% Gas
27%
Coal
5%
1.2 Costos de generaciรณn de electricidad con diferentes recursos
1. Introducciรณn
Energy demand Generation MWh
Reservoir level (%)
Hydraulic generation Thermal generation
nov dic ene feb mar abr may jun jul
No rain
ago sep oct nov dic ene feb
Rains
www.xm.com.co
1. Introducciรณn
1.2 Costos de generaciรณn de electricidad con diferentes recursos
UPME, Colombia, 2013
1.3 Descripción del problema
1. Introducción
Se requiere calcular el costo de generación de energía eléctrica de centrales térmicas basadas en gasificación de biomasa. Esto se desarrolla mediante un análisis técnico-económico de varias plantas de gasificación. El objetivo es realizar un análisis previo de prefactibilidad en el contexto Colombiano calculando el costo de electricidad (COE).
2.1 Generalidades
2. Metodología
Núcleos forestales: *Selección *Potencial energía *Tecnología
cUSD/kWeh
Prefactibilidad: *Análisis técnico económico. *Precios de venta de la energía en mercados energéticos. *Costos de energía de la biomasa.
2. MetodologĂa
2.1 Generalidades
Wei et al. Evaluation of micro-scale electricity generation cost using biomass-derived synthetic gas through modeling. Int. J. Energy Res. 2011; 35:989–1003.
Área IMA Turno Calificación I 3 (ha) (m /ha/año) (años) Área IMA Turno Acacia mangium 11.300 28 4 4 5 4 13.0 Cupressus 4.278 23 10 1 3 2 6.0 lusitanica Eucalyptus sp. 4.6115 25 7 6 4 3 13.0 Gmelina arborea 4.972 23 7 2 3 3 8.0 Pinus patula 3.8495 20 13 5 2 1 8.0 Pinus sp. 59.811 20 13 7 2 1 10.0 Tectona grandis 6.341 18 7 3 1 3 7.0 Especie
2. Metodología
2.2 Bioenergía
De 19 empresas reforestadoras, 9 suministraron información. Nucleo
Producción Especie anual de forestal del madera para el núcleo proyecto
Energía Primaria
Potencia eléctrica estimada
[Ton/año]*
[GJ/año]
kWe
Kanguroid 3F
Acacia mangium
28800
432217
Pizano
Gmelina arbórea
7200
108841
Cipreses Yarumal
Pinus patula
7200
110329
Gresco
Pinus patula
11880
182043
2084 525 532 878
*Madera residual, seca al aire (20% humedad)
2.2 BioenergĂa SpecificConsumo fuel consumption [kg/kWe-h] especĂfico [kg/kWhe] 2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
3500
Power [kWe] [kWe] Generada Potencia
2. MetodologĂa
3000 Kanguroid 3F 2000 kWe
2500
Pizano 500 kWe 2,084 kWe (Kanguroid 3F)
Cipreses Yarumal 500 kWe
2000
900 kWe Gresco Estimados
1500 878 kWe (Gresco)
1000 500
525 kWe (Pizano) 532 kWe (Cipreses Yarumal)
0 10%
12%
14%
16%
18%
20%
22%
Eficiencia Global Global efficiency [%]
đ??¸đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ś đ?‘˜đ?‘Š = đ?‘‰đ?‘?đ?‘šđ?‘
đ?‘š3 đ?‘˜đ?‘” đ?‘˜đ??˝ đ?‘Śđ?‘’đ?‘Žđ?‘&#x; Ă— đ??´đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ž(â„Žđ?‘Ž) Ă— đ?œŒ Ă— đ??żđ??ťđ?‘‰ Ă— đ??śđ?‘Ąđ?‘’ â„Žđ?‘Ž ∗ đ?‘Śđ?‘’đ?‘Žđ?‘&#x; đ?‘š3 đ?‘˜đ?‘” đ?‘ đ?‘’đ?‘”
24%
2. Metodología
2.2 Bioenergía: tecnologías de generación con biomasa
Para dendroenergía: La combinación lecho fijo equicorriente/motor es la más adecuada
2.3 Descripción del modelo técnico-económico Salidas
Entradas • Prestaciones:
•
• Potencia • Eficiencia
•
2. Metodología
• Biomasa:
MODELO TÉCNICO FINANCIERO
• LHV (base seca) • $ USD / Ton
• Costos: • Inversión (compra) • Operación • Mantenimiento • Obra civil
N e,neta e m f LHVbms n i1i A C c n 1i 1
C f ,a m f C f ,ton t op, year C f ,e
C A,e
•
Costo específico de generación ($/kWeh). Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a: – Horas anuales de trabajo. – Inversión específica. – Costo de la biomasa. – Precio electricidad Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
C f ,a
CM , a N e top, year CM ,e Ne top, year
A N e top, year
C Lab,e
C Lab,a N e t op, year
COEref C A, e C f , e CLab, e CM , e
2.3 Descripción del modelo técnico-económico Salidas
Entradas • Prestaciones:
•
• Potencia • Eficiencia
•
2. Metodología
• Biomasa:
MODELO TÉCNICO FINANCIERO
• LHV (base seca) • $ USD / Ton
• Costos: • Inversión (compra) • Operación • Mantenimiento • Obra civil
N e,neta e m f LHVbms n i1i A C c n 1i 1
C f ,a m f C f ,ton t op, year C f ,e
C A,e
•
Costo específico de generación ($/kWe). Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a: – Horas anuales de trabajo. – Inversión específica. – Costo de la biomasa. – Precio electricidad Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
C f ,a
CM , a N e top, year CM ,e Ne top, year
A N e top, year
C Lab,e
C Lab,a N e t op, year
COEref C A, e C f , e CLab, e CM , e
2.3 Descripción del modelo técnico-económico Salidas
Entradas • Prestaciones:
•
• Potencia • Eficiencia
•
2. Metodología
• Biomasa:
MODELO TÉCNICO FINANCIERO
• LHV (base seca) • $ USD / Ton
• Costos: • Inversión (compra) • Operación • Mantenimiento • Obra civil
N e,neta e m f LHVbms n i1i A C c n 1i 1
C f ,a m f C f ,ton t op, year C f ,e
C A,e
•
Costo específico de generación ($/kWe). Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a: – Horas anuales de trabajo. – Inversión específica. – Costo de la biomasa. – Precio electricidad Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
C f ,a
CM , a N e top, year CM ,e Ne top, year
A N e top, year
C Lab,e
C Lab,a N e t op, year
COEref C A, e C f , e CLab, e CM , e
2.3 Descripción del modelo técnico-económico Salidas
Entradas • Prestaciones:
•
• Potencia • Eficiencia
•
2. Metodología
• Biomasa:
MODELO TÉCNICO FINANCIERO
• LHV (base seca) • $ USD / Ton
• Costos: • Inversión (compra) • Operación • Mantenimiento • Obra civil
N e,neta e m f LHVbms n i1i A C c n 1i 1
C f ,a m f C f ,ton t op, year C f ,e
C A,e
•
Costo específico de generación ($/kWe). Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a: – Horas anuales de trabajo. – Inversión específica. – Costo de la biomasa. – Precio electricidad Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
C f ,a
CM , a N e top, year CM ,e Ne top, year
A N e top, year
C Lab,e
C Lab,a N e t op, year
COEref C A, e C f , e CLab, e CM , e
2.3 Descripción del modelo técnico-económico Salidas
Entradas • Prestaciones:
•
• Potencia • Eficiencia
•
2. Metodología
• Biomasa:
MODELO TÉCNICO FINANCIERO
• LHV (base seca) • $ USD / Ton
• Costos: • Inversión (compra) • Operación • Mantenimiento • Obra civil
N e,neta e m f LHVbms n i1i A C c n 1i 1
C f ,a m f C f ,ton t op, year C f ,e
C A,e
•
Costo específico de generación ($/kWe). Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a: – Horas anuales de trabajo. – Inversión específica. – Costo de la biomasa. – Precio electricidad Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
C f ,a
CM , a N e top, year CM ,e Ne top, year
A N e top, year
C Lab,e
C Lab,a N e t op, year
COEref C A, e C f , e CLab, e CM , e
3.1 Proveedores de plantas de potencia
3. Resultados
Parámeters
Potencia nominal (kWe) Potencia Autoconsumo (% de la nominal) Precio planta generación (USD x1000) Eficiencia (%) Consumo de combustible (kg/kWeh) Tecnología gasificación
Proveedores de plantas de gasificación (baja – media potencia) AME AS1 AS2 AS3
AFR 500 20 (aprox.)
1936
500
1000
1945
500
Generación neta
1000 1250 2250 20 (aprox.)
500
1000
15
11000 17200 26300 1760 3102 3146 6270 1100
1000 2000
15
15 (aprox.)
2200
3190 6380
EU1 750
EU2 2000
10 (aprox.)
6960
500 10 (apr ox.)
16700 4470
25.9
19.5
19.5
23
23
14.3
24
16.3
0.88
1.36
1.3
1.1
1.1
1.6
1
1.3
Downdraft
Dow ndra ft
Downdraft Updraft Valor utilizado Observaciones
Parámetro Tiempo Ratiode capital cost/equipment operación al año costs Mano de obra (h/year) año/persona Vida Útil (años)
2.0 NS
Mano de obra Costo de(#la biomasa requerida operarios)
NS30 USD/Ton
[15][18][42] 7200 (approx.)
15500 USD 15
25
[15, 44]
Downdraft
Fluidized bed
Fluidized bed
7000 (max.)
7500 (max.)
NS
7000 (approx.)
NS
10
15
20
15
NS
NS
2
2
15 Transporte y acondicionamiento etc.) 2 (secar, astillar, almacenamiento, NS de la biomasa [18][42].
3.1 Proveedores de plantas de potencia
3. Resultados
Parameters
AFR 500 25.9
Power (kWe) Efficiency (%) Gasification Downdraft technology Annual NS operation time (h/year) Lifetime (years) 15 ParĂĄmetro Ratio capital cost/equipment costs Mano de obra aĂąo/persona Costo de la biomasa
Global suppliers of power gasification plants (low-medium power range) AME AS1 AS2 AS3 EU1 EU2 500 1000 1945 500 1000 1250 2250 500 1000 1000 2000 750 2000 500 19.5 19.5 23 23 14.3 24 16.3 Fluidized Fluidized Down Updraft Downdraft Downdraft bed bed draft 7200 (approx.)
7000 (max.)
7500 (max.)
NS
7000 (approx.)
NS
25
15
10
15
20
15
Valor utilizado
Observaciones
2.0
[15][18][42]
15500 USD
[15, 44]
30 USD/Ton
Transporte y acondicionamiento (secar, astillar, almacenamiento, etc.) de la biomasa [18][42].
3.2 Costos de la electricidad con plantas de gasificación
3. Resultados
Modelo técnico económico: Manufacturer
Nominal power (kWe)
Capital investment cost (%)
Fuel cost (%)
O&M cost (%)
COEref (cUSD/kWe-h)
AFR
500
54.2
17.7
28.1
16.6
500
67.4
10.0
22.6
40.8
1000
66.0
12.5
21.4
32.5
2000
64.1
15.5
20.4
26.3
500
46.8
31.1
22.1
15.7
1000
47.0
35.4
17.6
13.8
1250
43.5
40.4
16.2
12.1
2250
45.2
37.9
16.9
12.9
500
44.8
33.8
21.4
10.8
1000
47.8
36.1
16.0
10.2
1000
50.1
35.4
14.6
15.1
2000
51.3
36.3
12.4
14.7
750
64.5
14.5
21.0
23.0
2000
64.7
16.0
19.3
20.9
500
63.0
17.7
19.2
26.3
AME
No rain: 23-27 cUSD/kWeh AS1
Isolated: 25-52 cUSD/kWeh AS2 AS3 EU1 EU2
3. Resultados
3.3 Análisis de sensibilidad: horas de operación de la planta (h/año)
*Las plantas con SIC entre 2000-4000 $US/kWe : ▲ COE 12.5% y 15% por cada 1000 hr de parada toperación. *Las plantas de mayor costo 22000 a 9000 $US/kWe, el efecto incremental por cada 1000 hr de parada es entre 17% y 20%.
3.3 Análisis de sensibilidad: Costo del combustible (USD/ton) *Plantas con eficiencias entre 14 % y 20 %, el COE ▲ entre 1.56 y 1.76 cUSD/kWe-h.
3. Resultados
*Plantas con eficiencias entre 20 % y 26 % el COE ▲ entre 1.36 y 0.98 cUSD/kWe-h.
▼ SIC ▲ Eficiencia
En plantas de bajo SIC se ve más afectado el COE por un incremento en el costo de la biomasa, porque presentan un COEref bajo asociado al menor costo de la tecnología.
4. Conclusiones
1. El COE asociado con las plantas de energía basadas en gasificación (500 – 2000 kWe) está en el rango de 10 – 40 cUSD/kWeh en función de la potencia nominal y el proveedor de la tecnología.
2. El COE determinado es competitivo para zonas no interconectadas (ZNI) en Colombia (25 - 52 cUSD/kWeh), y para la red eléctrica nacional en tiempos de fenómenos climáticos como sequias donde la energía alcanza valores en mercados de 23 - 27 cUSD/kWeh. 3. Los proyectos de generación de energía con biomasa contribuyen a la metas nacionales de EERR en Colombia. 4. Los cultivos forestales energéticos son una alternativa para la creación de empleo en el post-conflicto Colombiano. 5. Para favorecer la viabilidad para proyectos bioenergéticos en Colombia:
*Usar biomasa residual *Instalar la planta cerca de la fuente de biomasa *Desarrollar la tecnología a nivel local para reducir el costo de inversión *Crear incentivos tributarios para reducir el COE
Referencias:
5. Bibliografía
Pérez J.F., Lenis Y., Rojas S., León C. Decentralized power generation through biomass gasification: a technical – economic analysis and implications by reduction of CO2 emissions. Revista Facultad de ingeniería. 62:91-103, 2012 Pérez J.F., Osorio L.F. Biomasa forestal plantada como alternativa energética: Bases para el análisis silvicultural, energético y financiero de proyectos bioenergéticos. Editorial Universidad de Antioquia - Colección investigación. 2014 Pérez J.F., Osorio LF., Agudelo A. A techno-economic analysis of wood gasification for decentralized power generation in Colombian forest cores. Sometido en Revista Colombia Forestal. 2017
6. Agradecimientos
Agradecimientos: Centro de investigación e innovación en energía – CIIEN Universidad de Antioquia Colinversiones - Celsia – Grupo ARGOS Universidad Nacional de Colombia sede Medellín
¡Gracias por su atención!
Juan F. Pérez-Bayer
e-mail: juanpb@udea.edu.co Phone: (+57-4) 219 8552 - 5550 Mobile: (+57) 302 2871691
COSTOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BAJO GASIFICACIÓN Juan Fernando Pérez Bayer Grupo de manejo eficiente de la energía – GIMEL Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería - Universidad de Antioquia
Seminario Internacional Transformación de la Biomasa Forestal en Energía. Cartago, Costa Rica, 2017