Estudio de pre-factibilidad para una planta de cogeneración a partir de biomasa lignocelulósica seca

Estudio de Pre-factibilidad para una Planta de Cogeneración en la empresa Maderas Cultivadas de Costa Rica S.A.

Oportunidades

para la traNsformación de la biomasa forestal en energía y las posibilidades mediante procesos de gasificación

Ana Catalina Villalobos González 19 Julio, 2017

Agenda 1. Introducciรณn: Proceso innovaciรณn 2. Proceso de innovaciรณn aplicado: Un caso de estudio 3. Pasos siguientes

1. Introducciรณn: Proceso innovaciรณn 2. Proceso de innovaciรณn aplicado: Un caso de estudio 3. Pasos siguientes

Proceso de innovación

Identificación de las oportunidades de innovación

Evaluación de las oportunidades de innovación

Definición de la estrategia de innovación

Consolidación de capacidades

Transferencia tecnológica

Proceso de innovación Identificación de las oportunidades de innovación

Evaluación de las oportunidades de innovación

Definición de la estrategia de innovación

Estudios preliminares

Capacitación a nivel general

Consolidación de capacidades

Transferencia tecnológica

Proceso de innovación Identificación de las oportunidades de innovación

Evaluación de las oportunidades de innovación

Definición de la estrategia de innovación

Estudios de caso de negocio • Estudio de mercado • Identificación de actores • Análisis de capacidades internas • Análisis de barreras: técnicas, ambientales, legales, regulatorias • Análisis económico financiero

Consolidación de capacidades

Transferencia tecnológica

Proceso de innovación Identificación de las oportunidades de innovación

Evaluación de las oportunidades de innovación

Definición de la estrategia de innovación

Definición de la estrategia • Objetivos de la innovación • Definición de hoja ce ruta • Definición de modelos de negocios • Asociación con empresas externas • Tercerizar proyectos de I+D • Desarrollo interno de los proyectos de I+D

Consolidación de capacidades

Transferencia tecnológica

Proceso de innovación Identificación de las oportunidades de innovación

Evaluación de las oportunidades de innovación

Definición de la estrategia de innovación

Cierre de brechas: desarrollo capacidades internas • Programa cierre de brechas • Implantación procesos optimizados • Desarrollo de proyectos piloto • Innovación a nivel operativo y de procesos internos • Innovación a nivel de producción y comercialización

Consolidación de capacidades

Transferencia tecnológica

Proceso de innovación Identificación de las oportunidades de innovación

Evaluación de las oportunidades de innovación

Definición de la estrategia de innovación

Consolidación de capacidades

Transferencia de conocimientos a grupos operativos

Transferencia de I+D a grupos operativos Nuevo producto/proceso/tecnología en la empresa

Transferencia tecnológica

Proceso de innovaciรณn

Proceso de innovaci贸n 1. Introducci贸n: Proceso innovaci贸n 2. Proceso de innovaci贸n aplicado: Un caso de estudio 3. Pasos siguientes

Identificación y evaluación de oportunidades

Estudios preliminares • Estudio por parte de ICE, referente a diversos tipos de biomasa (2011-2012 y 2014-2015): • Caracterización de las biomasa • Potencial másico y energético • Ubicación del recurso (logística/costo de transporte) • Estudio de mercado • Determinación de oportunidades para el desarrollo de la fuente energética

Identificaci贸n y evaluaci贸n de oportunidades Estudios del entorno Identificaci贸n de actores en el negocio de la biomasa

Estudios de: informaci贸n base en biomasa, potenciales en CR

Estudios de factibilidad realizados

Proceso de innovación: Estudios de mercado

256 MW

Potencial total disponible

168,3 MW

Consumo de bunker a nivel país 2966,1 TJ

Biomasa seca disponible

54 MW

Representa un 32% de la biomasa seca disponible

Sustitución de bunker por biomasa

Fuentes: DSE (2007) Encuesta de oferta y consumo energético nacional a partir de la biomasa en costa rica año 2006.

DSE (2014) Encuesta de consumo energético nacional en el sector industrial 2014 .

Inversión

Definición de la estrategia de innovación Estudios preliminares • Estudio por parte de ICE, referente a diversos tipos de biomasa (2011-2012 y 2014-2015): • Caracterización de las biomasa • Potencial másico y energético • Ubicación del recurso (logística/costo de transporte) • Determinación de oportunidades para el desarrollo de la fuente energética

Casos de estudio

Mapa de ruta para el aprovechamiento de la biomasa

Planta de Co-generaciรณn para aprovechamiento de residuos de biomasa ESTUDIO DE PRE-FACTIBILIDAD.

ANTECEDENTES

Características de la industria • Ubicado en una de las zonas de mayor actividad forestal del país.

• Plantaciones forestales propias que, garantizan la materia prima para la planta.

Industria

• Tipo de residuos generados por la industria: •Diferentes formatos: astillas, aserrín, polvo.

•Se dispone de gran cantidad de material almacenado en patios • Requerimientos energéticos : térmicos y eléctricos •Proceso de secado y planta de aglomerados: factor de pla ta ≈ 9 % 7 350 horas al año) •Planta de laminados: opera 3 300 horas/año (Factor de planta: 41 %).

Aserradero

EVALUACION DEL RECURSO BIOMASICO

Evaluación del recurso: disponibilidad G-Melina: principal combustible, especie con mayor participación en los procesos de la industria Biomasa de proceso: 20 000 toneladas/año. Con un horizonte de proyecto de 10 años Biomasa en patio: 160 000 t aproximadamente, permitiendo extraer de la pila 8 000 t/año) Compra de biomasa: no sobrepasar el 25 % de la biomasa generada por el aserradero, anualmente

Evaluaciรณn del recurso: disponibilidad

Toma de muestras a 1 m de profundidad

Toma de muestras a 3 m de profundidad

Evaluaciรณn del recurso: disponibilidad

Toma de muestras a 6 m de profundidad

Mediciรณn de densidad aparente en campo

Toma de muestras a 8 m de profundidad

Evaluaciรณn del recurso: disponibilidad

1. Se tomarรก en cuenta la disponibilidad de biomasa generada por aserraderos cercanos a MCC (30 km) y 2. Usos alternativos de la biomasa

Evaluaciรณn del recurso: caracterizaciรณn

Evaluación del recurso: caracterización G-Melina: principal combustible, especie con mayor participación en los procesos de la industria.

Se asu e u a io asa tipo e uivale te

• Humedad: 44% b.h.

• Poder calórico inferior: 9 400 kJ/kg.

Aserradero

EVALUACION DE LA INDUSTRIA

Requerimiento térmico: calor de proceso Secado: proceso principal de la industria • Alimentado por caldera de vapor, vapor saturado a una presión de 5,1 bar absolutos • Demanda térmica 1 589 kWt • Fa to de pla ta ≈ 9 % 7 350 horas al año)

Planta de aglomerados: más demandante en energía térmica: 2 523 kWt • Dos consumos alimentados con una caldera de aceite térmico: una secadora rotativa y el proceso de prensado • Producción de tableros de 62,5 m3/día.

• Fa to de pla ta ≈ 9 % 7 50 ho as al año

Planta de laminados: demanda térmica 1 546 kWt • Alimentada por una caldera de vapor • Opera 3 300 horas/año, lo que llevó a analizar dos casos (sistema con y sin planta de laminados)

Requerimiento térmico: calor de proceso

Diagnóstico de los equipos instalados y los de mayor consumo térmico

• Calderas: de biomasa y aceite térmico • Secadoras de madera

Requerimiento eléctrico Picos de consumo que llegan a los 1,2 MWe, entre semana

Patrón de carga típico de la industria

Irregular

Valles en el consumo eléctrico que descienden a 80 kWe en los fines de semana.

El consumo medio anual se ha estimado como 320 kWe

Solicitudes explícitas de la empresa

1. No cambiar el equipo de combustión que posee la industria (caldera).

2. Se requiere que el sistema propuesto cubra el mayor requerimiento térmico posible

Aserradero

OTROS ESTUDIOS

Evaluación de impacto ambiental preliminar y de regulación

Impacto ambiental:

Estudio legal y de regulación:

El estudio no detectó impactos ambientales graves

Aun no se dispone del marco regulatorio para la venta de energía a la red, a no ser que se siga la Ley 7200

Evaluación de impacto ambiental preliminar y de regulación

Impacto ambiental:

Estudio legal y de regulación:

El estudio no detectó impactos ambientales graves

Aun no se dispone del marco regulatorio para la venta de energía a la red, a no ser que se siga la Ley 7200

Aserradero

ESCENARIOS EVALUADOS

Escenarios de desarrollo Operación en isla • Consiste en operar la parte de generación de electricidad, sin interconexión a la red de distribución eléctrica.

• Implica la instalación de una planta que pueda suplir en todo momento los requerimientos eléctricos de la empresa.

• Esta opción no es técnicamente viable, con las condiciones actuales de operación, ya que no es posible operar una turbina de vapor con variaciones muy grandes en la potencia entregada.

Escenarios de desarrollo Venta de electricidad: • La construcción de una planta de 1,2 MWe de potencia entregará a la red, mucho más energía de la que consume el aserradero.

• Implica vender la energía sobrante, para que sea viable una planta de esa potencia

Esquema de generación privada de electricidad: Ley 7200 Debe seguir un procedimiento administrativo, que involucra al Instituto Costarricense de Electricidad (ICE), y a la Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos (ARESEP).

Escenarios de desarrollo

Operación en neteo : Firmar un acuerdo con la compañía de distribución eléctrica, e instalar un generador que opere de forma constante a la potencia nominal, entregando su energía a la red las 24 horas del día La empresa de distribución eléctrica mide dos parámetros: la energía consumida por la empresa y la energía entregada por el generador.

Al aserradero se le cobra, únicamente, la diferencia entre la energía consumida y la energía entregada.

Escenarios con y sin la planta de laminados Contemplando laminados

planta

de

Sin contemplar planta de laminados

El calor de proceso corresponde a:

El calor de proceso corresponde a:

 5 658 kWt  Laborando 4 050 h/año

 4 112 kWt  Laborando 3 300 h/año

Los procesos de secado y aglomerados laboran: 7 350 h/año

Escenarios para diseños conceptuales (configuración y potencia) Cogeneración con condensación y extracción

Cogeneración a contrapresión

Tecnología: combustión Central térmica (con 1 extracción)

Diseño conceptual y su viabilidad técnica: criterios

1. Turbinas con potencias eléctricas NO menores a 250 kWe 2. Cumplimiento de las condiciones de operación que, demanda la planta de cogeneración: caldera con 16,5 bar absolutos de presión y 230 °C de temperatura 3. Cantidad de biomasa requerida por año debe ser menor o igual a 20 000 t/año 4. Porcentaje de biomasa a adquirir no debe superar el 25%, en relación a la biomasa total generada en la empresa: 5 000 ton/año 5. El sistema propuesto debe cubrir el mayor requerimiento térmico posible

Escenarios para diseños conceptuales (configuración y potencia)

Parámetro avaluado

Unidad

Caso 1

Caso 2

Caso 3

Caso 4

Caso 5

Caso 6

Vapor a secadores de madera

X

X

X

X

X

X

Vapor a planta de aglomerados

-

X

X

-

X

-

Vapor a planta laminados DATOS TÉCNICOS

-

-

X

X

X

X

Cambio de caldera actual

X

X

X

X

-

-

Uso de biomasa adicional (pila/compra)

-

-

-

-

-

-

NO

SÍ

SÍ

NO

¿?

NO

USOS DE LA ENERGÍA TERMICA

PRINCIPALES RESULTADOS Viabilidad técnica We

kW

113

298

356

162

230

106

Potencia de la caldera

kW

1714

4442

6123

3381

5957

3296

Energía de la biomasa

GJ/año

52120

135105

158182

74887

178532

84707

Configuraci贸n seleccionadas

Esquema del ciclo de vapor de una planta de cogeneraci贸n a condensaci贸n con extracci贸n

Viabilidad económica: consideraciones Balances de efectivo, ingresos: El análisis financiero contempló un único ingreso: la venta/ahorro de electricidad.

Se considera un ingreso por ahorro de electricidad de 14 c$/kW.

Debe integrarse en un nuevo análisis, la ventaja que representa la generación del vapor para autoabastecimiento.

Es otra razón que justificaría las inversiones requeridas

Viabilidad económica: consideraciones Balances de efectivo, egresos:

Se pagará ese precio, aún cuando pertenezca y esté disponible, en el aserradero.

La biomasa requerida se comprará a un precio de 8,3 $/tonelada

Es decir, se tiene el beneficio adicional de que se está vendiendo la biomasa almacenada al mismo aserradero.

Viabilidad económica: consideraciones Inversión inicial:

Si la caldera actual, se mantiene:

Incluye la compra de equipamiento, construcción y puesta en marcha para el ciclo de vapor.

No se incluyen otras inversiones implicadas en los estudios de preinversión.

Se asumió inversión equivalente al 30% del costo de una caldera nueva, previendo posibles gastos en reformas a esta.

El costo de sustitución de la caldera principal de la planta representa el costo más elevado en la inversión inicial del proyecto.

Casos seleccionados

Casos seleccionados Principales parámetros técnicos y económicos, Principales resultados de los parámetros financieros

Proceso de innovaci贸n 1. Introducci贸n: Proceso innovaci贸n 2. Proceso de innovaci贸n aplicado: Un caso de estudio 3. Pasos siguientes

Identificación de oportunidades Estudios preliminares • Estudio por parte de ICE, referente a diversos tipos de biomasa (20112012 y 2014-2015): • Caracterización de las biomasa • Potencial másico y energético • Ubicación del recurso (logística/costo de transporte) • Determinación de oportunidades para el desarrollo de la fuente energética

Aprovechar y concretar las oportunidades identificadas

Mapa de ruta para el aprovechamiento de la biomasa

GRACIAS

Oportunidades

para la traNsformaciĂłn de la biomasa forestal en energĂ­a y las posibilidades mediante procesos de gasificaciĂłn