Tesis / 0031 / I.M by MAOSABO

ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS DIFERENTES FUENTES DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN COLOMBIA Y LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD A PARTIR DE BIOMASA

MONOGRAFÍA PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

JUAN MAURICIO GARCÍA TORRES

Director. GLORIA PALACIO OSORIO

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRONICA BOGOTA, COLOMBIA 2015 1

NOTA DE ACEPTACIĂ&#x201C;N:

_________________________ Firma de jurado

__________________________ Gloria Palacio Osorio Director.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 6 OBJETIVOS ......................................................................................................... 7 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................... 7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 7

JUSTIFICACIÓN.................................................................................................. 8 1.

ENERGÍA ELÉCTRICA ............................................................................... 9 1.1 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE FUENTES

HIDRÁULICAS ........................................................................................................................ 9 1.1.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA ........................ 10 1.1.2. CONSECUENCIAS PRESENTES EN LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS...................................................................................................................... 10

1.2. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE CENTRALES TERMOELÉCTRICAS .......................................................................................................... 11 1.2.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA....................... 11 1.2.2. CONSECUENCIAS PRESENTES EN LAS CENTRALES TERMOELÉCTRICAS .................................................................................................................... 12

1.3. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE CENTRALES NUCLEARES ......................................................................................................................... 13 1.3.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL NUCLEAR ....................................... 13 1.3.2. CONSECUENCIAS PRESENTES EN LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS...................................................................................................................... 14

1.4. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE PARQUES EÓLICOS ............................................................................................................................... 15 1.4.1. FUNCIONAMIENTO DE UN PARQUE EÓLICO................................................ 15 1.4.2. CONSECUENCIAS PRESENTES EN LOS PARQUES EÓLICOS .................. 16

1.5. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICA ............................................................................................... 16 1.5.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL SOLAR FOTOVOLTAICA............... 17 1.5.2. CONSECUENCIAS PRESENTES EN LAS CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICAS.......................................................................................................................... 18

1.5. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE BIOMASA ...... 18 1.5.1. COGENERACIÓN ................................................................................................ 19 1.5.2. PLANTA DE BIOMASA CONVENCIONAL......................................................... 20

2. SECTOR ELÉCTRICO EN COLOMBIA ................................................... 24 2.1. CENTRAL HIDROELÉCTRICA ..................................................................... 25 2.2. CENTRAL TERMOELÉCTRICA .................................................................... 27 2.3. PARQUES EÓLICOS ..................................................................................... 28

2.4. PLANTA DE BIOMASA CON SISTEMA DE COGENERACIÓN ................ 30

3. BIOMASA ..................................................................................................... 32 3.1. TIPOS DE BIOMASA ...................................................................................... 32 3.2. USOS DE LA BIOMASA................................................................................. 33 3. 3. VENTAJAS DE LA BIOMASA....................................................................... 34 3.4. BIOMASA EN COLOMBIA ............................................................................. 35

4. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE UNA PLANTA DE BIOMASA CONVENCIONAL ................................................................ 36 5. COMPARACIÓN ENTRE FUENTES DE ENERGÍA ELÉCTRICA ........... 38 5.1. CAPACIDAD DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................... 38 5.2. GENERACIÓN ANUAL ESTIMADA .............................................................. 39 5.3. INVERSIÓN ..................................................................................................... 40 5.4. EMPLEO .......................................................................................................... 41 5.5. ASPECTOS AMBIENTALES ......................................................................... 42 5.5. RESULTADOS DEL ANÁLISIS ..................................................................... 44

CONCLUSIONES ...................................................................................... 46

REFERENCIAS ...................................................... ¡Error! Marcador no definido.

INTRODUCCIÓN

En el mundo actual, la energía eléctrica ha beneficiado a la humanidad mejorando su calidad de vida. Está presente en hogares, industrias, calles e interviene desde la producción de manufactura, hasta en los métodos de comunicación, en la forma de preparar alimentos y en el funcionamiento de diversos dispositivos que facilitan la realización de las acciones cotidianas. Sin embargo, algunos métodos que permiten generar la energía necesaria para obtener todos estos beneficios, contribuyen de manera negativa al medio ambiente, afectando gravemente la calidad de vida de la población; aumentando el número de muertes prematuras, atribuidas a enfermedades respiratorias y cardiovasculares, por lo que se debe optar por métodos de producción de energía más amigables con el medio ambiente (FedeBiocombustibles, 2013).

En el desarrollo de esta monografía se presenta un análisis de los diferentes métodos de energía eléctrica presentes en Colombia, resaltando aspectos de producción, funcionamiento, impacto social, ambiental, y se propone la implementación de una central eléctrica convencional de biomasa como fuente de energía eléctrica, que permita de una manera renovable, contribuir al Sistema Nacional de Interconexión (SIN).

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Realizar una comparación entre los diferentes métodos de obtención de energía eléctrica presentes en Colombia y el método de obtención de energía eléctrica a partir de una central convencional de biomasa, enfocados en variables de producción, inversión e impacto social y ambiental.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Dar a conocer los diversos métodos de generación de energía eléctrica implementados en Colombia.



Presentar los beneficios que ofrece la biomasa como fuente de energía eléctrica y los beneficios que genera con respecto al tratamiento de residuos sólidos.



Proponer la implementación de una central eléctrica de biomasa y realizar una comparación con respecto a los métodos de generación de energía presentes en Colombia.

JUSTIFICACIÓN Actualmente la energía eléctrica juega un papel importante en la vida del hombre. Sin embargo, los métodos utilizados para su generación han contribuido de manera negativa al medio ambiente. Tal como se observa en la figura 1, el método de generación de energía eléctrica más utilizado en todo el mundo se deriva a partir de los combustibles fósiles y como consecuencia del proceso, se liberan diferentes gases a la atmósfera que contribuyen al cambio climático y la contaminación ambiental (Fedesarrollo, 2013). Figura 1. Consumo mundial de energía en el año 2011

Fuente: (Bp Statitical Review, 2011)

En busca de una solución a esta necesidad, el ser humano ha desarrollado diferentes métodos para obtener electricidad de manera renovable, entre ellas la implementación de centrales de biomasa, capaces de generar electricidad utilizando como fuente principal residuos sólidos provenientes de procesos agroindustriales. En el caso de Colombia, la agroindustria es una de sus principales actividades económicas y presenta un alto potencial energético a partir de residuos agropecuarios (MME, 2012), por lo que se propone el uso de una central convencional de biomasa, en la que, ademas de generar electricidad, aprovecha los residuos organicos presentes en dichas industrias. 8

1. ENERGÍA ELÉCTRICA

Según diferentes puntos de vista, la energía eléctrica se define como:  La energía eléctrica es aquella que se encuentra relacionada con la corriente de partículas llamadas electrones, y se define como el producto de la potencia eléctrica (kW) por el tiempo (McGrawHill, 1991)  Energía que se transmite por un circuito eléctrico (Real academia de las ciencias exactas, 1990)  Producto de la potencia eléctrica por el tiempo, relacionada con la corriente de partículas llamadas electrones (Muñoz y Flor, 2007)  Habilidad de la corriente eléctrica de hacer un trabajo (PowerWater, 2006)  Energía creada por un flujo de electrones (Quintela, Redonde y Redondo, 2007) Para obtener energía eléctrica, existen diferentes métodos, los cuales poseen diferentes ventajas y desventajas con respecto a su implementación e impacto, entre los cuales se presentan la generación de electricidad a partir de centrales hidroeléctricas, centrales termoeléctricas, parques eólicos, centrales solares, centrales nucleares y a partir de la biomasa.

1.1 Generación de energía eléctrica a partir de fuentes hidráulicas Uno de los métodos más antiguos para la generación de energía eléctrica es a partir del movimiento del agua, sea a partir de caídas de ríos o en las mareas. A continuación, se describe el funcionamiento de una central hidroeléctrica y las desventajas que se encuentran presentes en este proceso.

1.1.1. Funcionamiento de una central hidroeléctrica El siguiente esquema representa el funcionamiento de una central hidroeléctrica. Figura 2. Funcionamiento de una Central hidroeléctrica.

Fuente: (Torelló, 2009)

McManus afirma lo siguiente: "Una central hidroeléctrica consta generalmente de una presa que almacena una gran cantidad de agua, un aliviadero que libera el agua sobrante de forma controlada y un cuarto de máquinas. La central hidroeléctrica también puede contar con diques y otras estructuras de control y contención del agua, que no participan directamente en la generación de electricidad. El cuarto de máquinas contiene canales de conducción que hacen pasar el agua a través de unas turbinas que convierten el caudal lineal en caudal rotativo. El agua cae por las palas de la turbina o fluye horizontalmente a través de ellas. La turbina y el generador están interconectados. De este modo, la rotación de la turbina hace girar el rotor del generador" (McManus, 1998).

1.1.2. Impacto presentado en las centrales hidroeléctricas Según Endesa Educa (2014b), actualmente se considera que la energía eléctrica proveniente de centrales hidroeléctricas es limpia, pero, según una investigación de Endesa Educa, se afirma que las consecuencias generadas por la creación de centrales hidroeléctricas son las siguientes: 10

   

Alteración del territorio Modificación del ciclo de vida de la fauna. Dificultad en la navegación fluvial y el transporte de materiales aguas abajo (nutrientes y sedimentos, como limos y arcillas). Disminuye el caudal de los ríos, modificando el nivel de las capas freáticas, la composición del agua embalsada y el microclima.

1.2. Generación de energía eléctrica a partir de centrales termoeléctricas Las termoeléctricas son aquellas en las que se realiza el proceso de obtención de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles, tales como el petróleo, el gas natural o el carbón. Figura 3. Termoeléctrica La Sierra.

Fuente: (EPM, 2001)

1.2.1. Funcionamiento de una central termoeléctrica A continuación se muestra un esquema acerca del funcionamiento de una central termoeléctrica.

Figura 4. Esquema de una central termoeléctrica

Fuente: (Remess, 2012)

Las centrales termoeléctricas funcionan de la siguiente forma: el calor producido por la combustión del combustible fósil convierte el agua que pasa por unas tuberías en vapor. Ese vapor de agua pasa por unas toberas que aumentan la presión del vapor. Ese flujo de vapor mueve una turbina que convierte la energía del vapor en energía mecánica. Un generador aprovecha esa energía para producir electricidad. La energía eléctrica creada por el generador pasa a un transformador que pasa a la red eléctrica convencional. El vapor se condensa y el agua una vez tratada vuelve a ser utilizada en el proceso.

1.2.2. Impacto presentado en las centrales termoeléctricas Según una investigación de Endesa Educa (2014c), entre las desventajas más importantes del uso de las termoeléctricas se resaltan las siguientes: 

Emisión de residuos a la atmósfera: Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta.



Transferencia térmica: Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las aguas del río o del 12

mar. Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento. 1.3. Generación de energía eléctrica a partir de centrales nucleares Las centrales nucleares son aquellas en las que se emplean para producir electricidad a partir de la energía nuclear a través de la fisión nuclear o separación del núcleo en dos, lo que libera grandes cantidades de energía. 1.3.1. Funcionamiento de una central nuclear El siguiente esquema representa el funcionamiento de una central nuclear. Figura 5. Esquema del funcionamiento de una central nuclear

Fuente: (Kuntoff, 2005)

Según Kuntoff: “En todos los reactores nucleares, la energía se libera por fisión de los núcleos de los átomos del combustible en una reacción en cadena. El combustible nuclear más habitual es el uranio 235. Cada átomo de combustible fisionado da lugar a dos nuevos átomos (productos de fisión) y los neutrones expulsados de su núcleo provocan nuevas fisiones de átomos. Los productos de 13

fisión transportan la mayor parte de la energía liberada por ésta, que se transforma a su vez en energía térmica cuando los átomos de combustible adyacentes reducen la gran velocidad de los productos de fisión y absorben su radiación. Los neutrones transportan alrededor del 3 % de la energía de fisión. Para evitar que el núcleo del reactor se caliente demasiado, se utiliza un refrigerante líquido o gaseoso, que también produce el vapor (ya sea directa o indirectamente) que impulsa la turbina. A fin de mantener la reacción de fisión a la velocidad deseada por el operador de la central eléctrica, se insertan en el núcleo del reactor barras de control fabricadas con materiales capaces de absorber neutrones. En los reactores de agua a presión, los materiales absorbentes pueden colocarse disueltos en el refrigerante” (Kuntoff, 2005). 1.3.2. Impacto presentado en las centrales nucleares Según la investigación de Kuntoff hecha en el año 2005, hay cuatro aspectos de la reacción de fisión en cadena que pueden resultar peligrosos y que no es posible separar del aprovechamiento de la energía nuclear para la producción de electricidad, lo que hace necesario la adopción de las siguientes medidas de seguridad:  

  

La fisión produce radiación ionizante, que impone una protección frente a la exposición directa a la radiación. Se crean productos de fisión altamente radiactivos, que requieren recintos estancos para evitar la contaminación del medio ambiente exterior y una posible ingestión. La reacción de fisión en cadena es un proceso dinámico que requiere un control constante. La producción de calor no puede detenerse instantáneamente, ya que la desintegración radiactiva continúa produciendo. Con respecto al entorno, se presenta un porcentaje elevado de daño ambiental si suceden accidentes nucleares, liberando materiales radiactivos, como el caso del accidente en la central nuclear RBMK en Chernóbil, Ucrania.

1.4. Generación de energía eléctrica a partir de parques eólicos Las centrales eólicas son aquellas en la que se obtiene la energía eléctrica a partir del viento. Este tipo de centrales deben ubicarse en zonas donde las condiciones eólicas sean adecuadas para garantizar el mayor rendimiento posible. Figura 6. Parque eólico

Fuente: (Endesa Educa, 2014d)

1.4.1. Funcionamiento de un parque eólico A continuación se presenta el siguiente esquema basado en el funcionamiento de un parque eólico. Figura 7. Esquema de un parque eólico.

Fuente: (Figueredo, 2010) 15

El proceso de generación de energía eléctrica utilizando un parque eólico se divide en dos etapas: 

Generación de energía: los aerogeneradores son los encargados de realizar esta tarea. El viento mueve las aspas del dispositivo, conectadas a un generador que convierte la energía mecánica a partir del movimiento de las aspas en energía eléctrica.



Transformación y distribución de energía: la energía eléctrica generada pasa por un banco de transformadores, encargados de adaptar la tensión a una tensión mayor para incorporarla a la red principal.

1.4.2. Impacto presentado en los parques eólicos Según una investigación presentada por Energy Spain en el año 2012, las desventajas que presenta la energía eólica son las siguientes:   

Las hélices de los aerogeneradores pueden afectar las aves que se encuentren en el entorno Contaminación Acústica generada por el giro de las turbinas Dificultad en la zona de instalación de un parque eólico

1.5. Generación de energía eléctrica a partir de centrales solares fotovoltaica Según Haris: “Las centrales fotovoltaicas son aquellas que producen energía de manera renovable, obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor o célula fotovoltaica” (Haris, 2008).

Figura 8. Central solar

Fuente: (CENTRALESSOLARES, 2011)

1.5.1. Funcionamiento de una central solar fotovoltaica A continuaci贸n se presenta una gr谩fica donde se detallan los sistemas que conforman una central solar fotovoltaica Figura 9. Elementos que conforman una central solar fotovoltaica

Fuente: (UNESA, 2010) 17

UNESA afirma lo siguiente: “El elemento básico de una central fotovoltaica es el conjunto de células fotovoltaicas capaces de captar la energía solar. Lla producción de electricidad de dichas células depende de las condiciones meteorológicas existentes en cada momento las cuales son medidas y analizadas con la ayuda de una torre meteorológica. Ya que la corriente que se genera en los paneles es corriente continua, debe pasar al inversor, que permite transformarla en corriente alterna. Luego, la energía eléctrica producida pasa por un centro de transformación donde se adapta a las condiciones de intensidad y tensión de las líneas de transporte para su utilización en los centros de consumo” (UNESA, 2010). 1.5.2. Impacto presentado en las centrales solares fotovoltaicas

Guzmán afirma lo siguiente: “Las consecuencias que la utilización de energía solar proporciona al ambiente no pueden ser otra cosa más que un beneficio para el mismo, primeramente debido a la disminución de las emisiones de gases contaminantes como el dióxido de carbono, dióxidos de azufre u óxidos de nitrógeno, consecuentemente el beneficio es en el agua, pues al generarse una menor proporción de lluvias acidas se deja de contaminar aguas y suelos, que al no estar contaminados, su la flora y fauna respectiva se ve beneficiada, todo esto ayudando finalmente al planeta mismo. Se habla de una energía limpia, silenciosa y que no daña al medio ambiente” (Guzmán, 2011). Las baterías relacionadas en el proceso deben pasar por su respectivo tratamiento de reciclaje para ser reutilizadas en la creación de otras baterías y evitar que estos elementos perjudiquen al medio ambiente (Rockwell Automation, 2004). 1.5. Generación de energía eléctrica a partir de biomasa Existen dos tipos de generación de energía eléctrica a partir de biomasa: la cogeneración (sistema capaz de obtener energía eléctrica y térmica) o las plantas de energía convencionales las cuales funcionan a base de combustión de la biomasa.

1.5.1. Cogeneración La cogeneración es el procedimiento donde se obtiene tanto energía térmica, como energía eléctrica y se puede realizar con fuentes de energías eléctrica renovable o no renovable. La empresa Cogenera México afirma lo siguiente: “El principio fundamental de la cogeneración es la recuperación del calor residual producto de la combustión en una planta generadora de electricidad, el cual, de otra forma, hubiera sido liberado en el medio ambiente, desperdiciando con ello una parte importante de la energía todavía disponible. Esta energía, en la mayoría de los casos, puede ser todavía utilizada en diversos usos finales como calefacción de espacios, calentamiento de agua, así como otros procesos térmicos o de refrigeración que se encuentren cercanos a la planta de cogeneración” (Cogenera México, 2012). La siguiente grafica muestra una comparación entre los porcentajes de producción de energía entre una planta eléctrica convencional y una planta eléctrica con un sistema de cogeneración. Figura 10. Comparación entre una planta de energía eléctrica convencional y una planta eléctrica con sistema de cogeneración.

Fuente: (Klein-Banai, 2011) 19

Teniendo en cuenta la imagen anterior se puede afirmar que las plantas de energía eléctrica convencional son capaces de producir una mayor cantidad de electricidad que una planta con sistema de cogeneración. Sin embargo, estas plantas convencionales no aprovechan el calor liberado a partir del proceso sino que lo liberan al ambiente. Las plantas con sistema de cogeneración son capaces de obtener energía eléctrica y energía térmica y comercializarla, pero como consecuencia, la cantidad de energía eléctrica generada es un 20% menor en relación a una planta de energía eléctrica convencional. 1.5.2. Planta de biomasa convencional En la siguiente figura se observa un resumen del proceso y funcionamiento de una planta de generación eléctrica a partir de biomasa. Figura 11. Funcionamiento de una planta eléctrica de biomasa

Fuente: (Green Nano Tech Corp. S.A.S, 2014)

En la figura anterior se observa el funcionamiento de una planta eléctrica de biomasa, allí la biomasa llega a la planta donde es separada según su tamaño. En la caldera la biomasa se quema controlando las variables presentes en el proceso de combustión (temperatura, flujo de aire, etc.) para mantener siempre las condiciones óptimas. Ese calor producido por la combustión de la biomasa convierte el agua que pasa por unas tuberías en vapor. Ese vapor de agua pasa por unas toberas que aumentan la presión del vapor. Ese flujo de vapor mueve una turbina que convierte la presión del fluido en energía mecánica. Un generador aprovecha esa energía para producir electricidad. La energía eléctrica creada por 20

el generador se dirige a un transformador en el cual pasa a la red eléctrica convencional. El vapor se condensa y el agua una vez tratada vuelve a ser utilizada en el proceso. Los gases resultantes de la combustión de biomasa son filtrados para evitar en lo posible la contaminación de la atmosfera. En el siguiente diagrama se plantean los procesos que se encuentran relacionados en una planta eléctrica a partir de biomasa: recepción, almacenamiento, combustión y transformación. Figura 12. Procesos que se realizan en una planta eléctrica de biomasa.

Fuente: el autor

Teniendo en cuenta la información registrada en la figura 5, el proceso de producción de energía eléctrica en una planta de Biomasa se realiza de la siguiente manera: 

El sistema de recepción de biomasa permite medir las variables de humedad y peso de la materia prima, y además se realiza una selección del material apto para el procedimiento. Figura 13. Transporte y almacenamiento de la biomasa.

Fuente: (ACCIONA Energía, 2010) 

El sistema de alimentación de biomasa permite establecer el lugar de almacenamiento de la biomasa y el traslado hacia el sistema de combustión. Figura 14. Alimentación de la caldera.

Fuente: (ACCIONA Energía, 2010).



El sistema de combustión se encarga de realizar el proceso de quema de la materia prima en una caldera, elevando la temperatura del entorno y del sistema de tubos que contienen agua, generando vapor. Las cenizas que quedan del proceso se aprovechan para ser utilizadas como fertilizantes agrícolas. 22

Figura 15. Producción de vapor en el sistema.

Fuente: (ACCIONA Energía, 2010).



El sistema de transformación de energía mecánica a eléctrica consiste en el uso del generador como convertidor del movimiento de las aspas en energía eléctrica. Figura 16. Generación de electricidad a partir de la biomasa.

Fuente: (ACCIONA Energía, 2010).

En el siguiente capítulo se evidencia la contribución de los diferentes métodos de generación de energía eléctrica al Sistema de Interconexión Nacional (SIN) en Colombia y se seleccionan diferentes centrales eléctricas junto con los datos referentes a las variables de capacidad de generación de electricidad, generación anual estimada, inversión y empleo.

2. SECTOR ELÉCTRICO EN COLOMBIA Colombia es un país que posee una gran ventaja con respecto a la ubicación y al papel de la agricultura como principal fuente de ingresos económicos, permitiendo obtener energía eléctrica de diferentes medios (combustibles fósiles, parques eólicos, centrales hidroeléctricas y biomasa) Según Fedesarrollo: “Colombia posee una ubicación privilegiada que le permite la explotación de recursos hídricos para la generación de electricidad. Desde los comienzos de la producción de electricidad en el país se aprovechó la abundante presencia de cuencas hídricas y el pronunciado relieve del país; condiciones ideales para el aprovechamiento de este recurso. Es debido a esta condición que la matriz eléctrica colombiana presenta una composición totalmente diferente a la matriz eléctrica mundial, en la cual predomina la generación a partir de combustibles fósiles. En el caso colombiano esta es dominada por la generación hídrica”. (Fedesarrollo, 2013). La empresa Colombia Energía afirma lo siguiente: “Actualmente Colombia cuenta con más de 30 centrales hidroeléctricas, lo cual ha permitido consolidar al país como el quinto país más competitivo en generación energética, y estas plantas participan en el 63% de la energía que se suministra en todo el país” (Colombia Energía, 2013). 1.5. Fuentes de energía eléctrica en Colombia Según el Ministerio de Minas y energía, la generación de electricidad en los años 2011 y 2012 se basó en las siguientes fuentes de energía:

Figura 17. Generación de energía eléctrica en Colombia en los años 2011 y 2012.

Fuente: (MinMinas, 2012).

Teniendo en cuenta que solo hay 10 plantas de Cogeneración en el país, el aporte que realizó al Sistema de Interconexión Nacional (SIN) fue de 1% y que las plantas de cogeneración producen un 40% electricidad, significa que tuvo un buen desempeño en generación de energía eléctrica.

A continuación se presenta con mayor detalle los diferentes métodos de obtención de energía eléctrica en Colombia y las variables de Capacidad de Generación, Generación Anual estimada, Cantidad de empleos que se derivan e inversión necesaria para la construcción de las diferentes centrales y aspectos ambientales, para luego, hacer una comparación entre ellas, teniendo en cuenta que la investigación se relaciona a una zona con baja demografía.

2.1. Central hidroeléctrica En la siguiente figura se observa el interior de la central hidroeléctrica Hidromontañitas, ubicada en el departamento de Antioquia-

Figura 18. Central Hidroeléctrica Hidromontañitas.

Fuente: (Celsia, 2012)

Para realizar una comparación enfocada en la generación de energía eléctrica, se tomará como referencia un valor cercano en términos de capacidad de generación de energía eléctrica entre todos los métodos de generación de electricidad presentes en Colombia. En este caso se selecciona la central hidroeléctrica Hidromontañitas. En la tabla 1 se presentan los datos técnicos y la inversión realizada para la construcción y puesta en marcha de la central eléctrica Hidromontañitas. Tabla 1. Información acerca de una Central Hidroeléctrica de 19MW. Capacidad de generación (MW) Generación Anual estimada (GWh/año) Inversión ($) Cantidad de empleos generados

19 174 127.000.000.000 300

Fuente: (Dinero, 2012)

La tabla anterior muestra la información relacionada con capacidad de generación de electricidad, generación anual estimada, inversión y cantidad de empleos necesarios para el funcionamiento de una central hidroeléctrica, en el que se debe resaltar que este método de generación de electricidad requiere de un alto número de personal para la operación de la planta. 2.2. Central termoeléctrica Para realizar una comparación enfocada en la generación de energía eléctrica, se tomará como referencia un valor cercano en términos de capacidad de generación de energía eléctrica entre todos los métodos de generación de electricidad presentes en Colombia. En este caso se selecciona la central de Termoyopal. Figura 19. Central Termoeléctrica Termoyopal

Fuente: (Andeg, 2011)

A continuación se presenta la siguiente tabla, donde se muestran los datos técnicos y la inversión realizada para la construcción y puesta en marcha de la central termoeléctrica de 30MW.

Tabla 2. Información técnica de la termoeléctrica Termoyopal y la inversión para una planta de 30MW

Capacidad de generación (MW)

Generación Anual estimada (GWh/año)

201

Inversión ($)

45.000.000.000

Cantidad de empleos generados

Fuentes: (ANDEG, 2011) y (Osinergmin, 2014).

La tabla anterior muestra la información relacionada con capacidad de generación de electricidad, generación anual estimada, inversión y cantidad de empleos necesarios para el funcionamiento de una central termoeléctrica. 2.3. Parques eólicos Para realizar una comparación enfocada en la generación de energía eléctrica, se tomará como referencia un valor cercano en términos de capacidad de generación de energía eléctrica entre todos los métodos de generación de electricidad presentes en Colombia. En este caso se selecciona el parque eólico Jepírachi, ubicado en el departamento de Guajira.

Figura 20. Parque eólico Jepírachi

Fuente: (Grupo EPM, 2014)

En la tabla 3 se presentan los datos técnicos y la inversión realizada para la construcción y puesta en marcha del parque eólico Jepírachi. Cada aerogenerador entrega una potencia de 1.3MW y el parque se constituye en 15 aerogeneradores. Tabla 3. Información técnica del parque eólico de 20MW Capacidad de generación (MW) Generación Anual estimada (GWh/año) Inversión ($) Cantidad de empleos generados

19.5 85 55.600.000.000 38

Fuentes: (Grupo EPM, 2014) y (Grupo EPM, 2012)

2.4. Planta de biomasa con sistema de cogeneración Para realizar una comparación enfocada en la generación de energía eléctrica, se tomará como referencia un valor cercano en términos de capacidad de generación de energía eléctrica entre todos los métodos de generación de electricidad presentes en Colombia. Ya que la investigación se enfoca en la generación de energía eléctrica, se tomará en cuenta solo la producción de electricidad y se seleccionará en este caso la planta de Cogeneración de Incauca, ubicada en el departamento del Valle del Cauca. Figura 21. Planta de cogeneración de biomasa Incauca.

Fuente: (ANDEG, 2012)

En la Tabla 4 se presentan los datos técnicos y la inversión realizada para la construcción y puesta en marcha de la planta de Cogeneración de Biomasa de 36MW. Los datos de inversión se relacionan con la inversión necesaria para construir una planta con la misma capacidad de generación. Tabla 4. Información técnica de la planta de Cogeneración de Biomasa de 36MW Capacidad de generación (MW) Generación Anual estimada (GWh/año) Inversión ($) Cantidad de empleos generados

36 MW en total (26 para consumo interno, 10 de venta) 220 (70 entregado al SIN) 160.000.000.000 400

Fuentes: (INCAUCA S.A, 2009) y (Confidencial, 2014)

Según la tabla anterior, solo se puede entregar 10MW al sistema de interconexión nacional debido a que este tipo de centrales necesitan destinar cierta parte de la electricidad en este sistema, ya que además de electricidad, se obtiene calor. Teniendo en cuenta que en Colombia existen compañías capaces de generar electricidad a través de residuos sólidos, en el siguiente capítulo se presentan las principales características de esta fuente de energía, como los son los tipos, usos, ventajas y el potencial energético en Colombia.

3. BIOMASA

Los grandes procesos agropecuarios y las grandes compañías que trabajan con materia prima agrícola tienen un problema con respecto al tratamiento de sus desechos, varios de ellos con componentes orgánicos capaces de producir energía, conocidos como biomasa. Aldoma define la biomasa de la siguiente manera: “material orgánico que proviene de un proceso biológico o industrial el cual se considera como desecho o residuo y se utiliza para generar energía de manera renovable” (Aldoma, 2010).

3.1. Tipos de biomasa La biomasa se puede clasificar de la siguiente forma: 

La biomasa natural: Es aquella que se produce en la naturaleza sin intervención humana.



La biomasa residual: Es el subproducto o residuo generado en las actividades agrícolas, silvícolas, ganaderas, residuos de la industria agroalimentaria y en la industria de transformación de la madera, así como residuos de depuradoras y del reciclado de aceites.



Los cultivos energéticos: Son aquellos que están destinados a la producción de biocombustibles.

La figura 22 se muestra un mapa mental relacionado con la clasificación de la biomasa.

Figura 22. Clasificación de la biomasa.

Fuente: (Aldoma, 2010).

3.2. Usos de la biomasa La biomasa se emplea en los siguientes procesos: 

Biomasa para uso térmico: Se basa en la combustión de material orgánico para producir calor en centrales o de uso doméstico basados en combustión directa. Angembur, en su artículo afirma que: “las aplicaciones térmicas con producción de calor y agua caliente sanitaria son las más comunes dentro del sector de la biomasa, aunque también es posible la producción de frío, esta última opción es más excepcional” (Angembur, 2013). 33

Según Endesa Educa (2014a), la biomasa se puede emplear para producir lo siguiente: 

“Producción de biogás: La finalidad es conseguir combustible, principalmente el metano, muy útil para aplicaciones térmicas para el sector ganadero u agrícola, suministrando electricidad y calor.



Producción de biocombustibles: Son una alternativa a los combustibles tradicionales del transporte y tienen un grado de desarrollo desigual en los diferentes países. Existen dos tipos de biocombustibles:  Bioetanol: Sustituye a la gasolina. En el caso del etanol, y en cuanto a la producción de materia prima, actualmente se obtiene de cultivos tradicionales como los cereales.  Biodiesel: Su principal aplicación va dirigida a la sustitución de la gasolina.



Producción de energía eléctrica: La electricidad se puede producir por combustión o gasificación y se pueden obtener potencias de hasta 50MW.” (Endesa Educa, 2014a)

3. 3. Ventajas de la biomasa Según una investigación hecha por Twenergy en el año 2012, la biomasa presenta las siguientes ventajas: 

La transformación de un desecho en un recurso, realizando un aumento en el reciclaje y una disminución en la cantidad de residuos sólidos.



La no contribución al cambio climático: su balance en emisiones de CO2 es neutro. Al quemar la biomasa para obtener energía se libera CO2 a la atmosfera, pero durante el crecimiento de la materia orgánica vegetal se absorbe el CO2, permitiendo un balance entre el nivel de emisión y el nivel de aprovechamiento del gas por la naturaleza. 34



Al realizar el proceso de combustión no provoca el fenómeno de la lluvia ácida.



Con respecto al sector económico, el precio de la biomasa con respecto al del petróleo es mucho menor.

Una de las ventajas con mayor impacto en la investigación es que los residuos de la combustión como cenizas se pueden utilizar como fertilizantes.

3.4. Biomasa en Colombia

Actualmente Colombia es un país que se caracteriza por sus procesos agroindustriales, base de su economía, donde además de aprovechar los productos del sector primario para generar bienes de manufactura o consumo, se generan diversos residuos que son aprovechables. En relación a la biomasa, de acuerdo con el Ministerio de Minas y Energía, se han identificado cuatro cultivos con alto potencial energético: palma africana, caña de azúcar, arroz y plantaciones forestales, distribuidos en todo el territorio. De acuerdo a una estimación con base en los mapas de potencial de biomasa, los residuos de estos cultivos podrían producir la siguiente potencia (MME, 2012): 

Palma africana: 4700 GWh/año



Bagazo de caña: 21000 GWh/año



Cascarilla de arroz: 10300 GWh/año



Cultivos energéticos: 53000 GWh/año

4. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE UNA PLANTA DE BIOMASA CONVENCIONAL En Colombia no se ha implementado un proyecto relacionado con la construcción de una planta convencional de energía eléctrica de biomasa, ya que las empresas deciden apuntar a la Cogeneración como método de obtención de electricidad. Se evidencia la necesidad de implementar un sistema de generación de energía eléctrica a partir de la biomasa, con el fin de satisfacer las necesidades de la población. Esto generaría un impacto positivo con respecto al tratamiento de residuos sólidos al aprovechar mejor los desperdicios generados por procesos agroindustriales y a la vez, aumentaría la calidad de vida de las personas que habitan dicho sector.

Figura 23. Planta de biomasa de Briviesca.

Fuente: (ACCIONA Energía, 2010)

Según TODOSBIOMASA.COM: "Las plantas de biomasa convencionales han sido implementadas en diferentes países de Europa, tales como España, Holanda, Gran Bretaña, Hungría, Dinamarca, Alemania, Francia, Suecia" (TODOSBIOMASA.COM, 2010), donde se han generado resultados satisfactorios y se ha beneficiado a la sociedad a través de los residuos sólidos que se generan en sus procesos. En la tabla 5 se presentan los datos técnicos y la inversión realizada para la construcción y puesta en marcha de la planta de biomasa de Briviesca. Tabla 5. Información técnica de la planta de biomasa.

Capacidad de generación (MW) Generación Anual estimada (GWh/año) Inversión ($) Tiempo de construcción (años) Cantidad de empleos generados

16 128 120.000.000.000 3 400 (300 en construcción y 100 en su funcionamiento)

Fuente: (ACCIONA Energía, 2010)

La planta de biomasa alimenta 40.000 Hogares y gracias al uso de los residuos sólidos como fuente de obtención de energía eléctrica (principalmente paja de cereal), se evitaron 123.000t/año en emisiones de CO 2, y no se utilizaron 73.143 barriles de petróleo/año para generar la misma cantidad de energía eléctrica que produce la planta (ACCIONA Energia, 2010).

5. COMPARACIÓN ENTRE FUENTES DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Se puede realizar una comparación entre los diferentes métodos de obtención de energía eléctrica teniendo en cuenta diferentes variables o puntos de vista, que permitirán seleccionar el tipo de método óptimo para implementarse en de Colombia. Se debe tener en cuenta que en la comparación se seleccionaron métodos con una capacidad de generación de electricidad.

5.1. Capacidad de generación de energía eléctrica A continuación se presenta un análisis comparativo sobre la capacidad de generación de energía eléctrica según los diferentes métodos como: centrales hidroeléctricas, centrales termoeléctricas, parques eólicos, plantas de cogeneración y plantas de biomasa. Figura 24. Comparación según la capacidad de generación de energía eléctrica

Fuente: el autor

Teniendo en cuenta la figura 20 y la generación promedio de energía de 23MW, se observa que la planta eléctrica de biomasa presenta una mayor capacidad de generación de energía con respecto a las plantas de cogeneración. En relación con los demás métodos de generación de electricidad, se presenta una menor capacidad de generación de energía, pero cabe resaltar que estas fuentes de energía presentan dificultades tales como la dependencia del entorno donde se encuentran ubicadas (las centrales hidroeléctricas dependen del recurso hídrico y los parques eólicos dependen de las condiciones meteorológicas del ambiente), los costos de la materia prima (el precio de los combustibles fósiles es mayor al precio de la biomasa y no son renovables). 5.2. Generación anual estimada Teniendo en cuenta la información relacionada a la generación anual estimada de energía, se puede realizar el siguiente histograma Figura 25. Comparación según la generación anual estimada de energía eléctrica.

Fuente: el autor

Según la figura 21 y la generación promedio de energía de 23MW, se observa que la planta de generación de energía eléctrica a partir de biomasa posee una mayor 39

capacidad de generación de energía anual con respecto a una planta de biomasa con sistema de cogeneración y a los parques eólicos. En este caso, se presentan variaciones con respecto a los parques eólicos, debido a que este método depende principalmente de los factores ambientales y meteorológicos, en los que puede variar la obtención de energía según la variación de la velocidad del viento en diferentes épocas.

5.3. Inversión Con respecto a la inversión que se debe realizar para el desarrollo de un proyecto en relación con la energía eléctrica, se puede comparar en el siguiente histograma.

Figura 26. Inversión necesaria para la construcción de una central generadora de electricidad según diferentes métodos de obtención de energía.

Fuente: el autor

Según la figura 22 y la generación promedio de energía de 23MW, las centrales termoeléctricas son los procesos que menor inversión necesitan, junto a los parques eólicos, pero como consecuencia, los gastos que se presentan con respecto a la obtención de materia prima en centrales termoeléctricas son elevados y los parques eólicos no poseen una generación anual elevada. Las plantas eléctricas de biomasa requieren menor inversión con respecto a las centrales hidroeléctricas y a las plantas de cogeneración. 5.4. Empleo La siguiente grafica muestra la cantidad de empleo que se genera para el funcionamiento de las diferentes centrales de generación de energía eléctrica. Figura 27. Mano de obra necesaria para las diferentes centrales de energía eléctrica.

Fuente: el autor

Según la figura 23 y la generación promedio de energía de 23MW, se observa una descripción cuantitativa de la mano de obra requerida en el funcionamiento de diferentes métodos de generación de energía. Es evidente que en los parques eólicos el número de personal es menor en relación a los demás métodos de 41

generación de electricidad. Esta afirmación puede ser interpretada desde dos puntos de vista: 

Desde el punto de vista social, al construir un parque eólico se aumenta el índice de desempleo en esta actividad, afectando negativamente al sector económico donde se encuentra implementado el sistema eólico.



El mantenimiento de un parque eólico es costoso a causa de que no hay una supervisión constante del sistema.

5.5. Aspectos ambientales El efecto invernadero es aquel fenómeno donde los gases que se encuentran en el planeta retienen el calor y no permite liberar energía al espacio. El exceso de gases de efecto invernadero es lo que provoca el calentamiento global. El siguiente grafico presenta el porcentaje de los gases que producen el efecto invernadero Figura 28. Gases de efecto invernadero

Fuente: (IPCC, 2007) 42

El Dióxido de Carbono (CO2) es uno de los gases con mayor participación en el efecto invernadero. Según (Inspiration, 2009), las consecuencias que se generan gracias al efecto invernadero son las siguientes:      

Deforestación Desertización Inundaciones Huracanes, tifones Sequía Fusión de los casquetes polares

Según al grafica 24, se evidencia que el gas con mayor impacto negativo a nivel ambiental es el CO2. Teniendo en cuenta que la principal causa de producción de este gas es a partir del uso de los combustibles fósiles empleados para la generación de energía, se puede concluir que las principales fuentes de generación de energía eléctrica aunque tienen una gran capacidad para abastecer los requerimientos energéticos, genera resultados perjudiciales al medio ambiente. Gracias a una investigación realizada por la US Department of Energy, Council for Renewable Energy Education y AEDENAT en el año 2013, se puede determinar los niveles de contaminación que generan las fuentes de energía eléctrica empleadas en las diferentes centrales, mostrados en la figura 25 (Donde MP son partículas sólidas en la atmosfera y TR son trazas o valores menores a 100 microgramos).

Figura 29. Impacto ambiental producido por la generación de energía eléctrica (Ton/GWh generado).

Fuente: (US Department of Energy, 2013)

Las centrales termoeléctricas, donde su fuente de energía sea carbón, gas natural o petróleo, generan un elevado porcentaje de contaminación en el aire, perjudicando la salud de todos los seres vivos que habitan en el ecosistema. Es evidente que la fuente de energía con menor impacto ambiental es la biomasa, ya que esta fuente de energía, como se muestra en la figura 25, presenta bajos índices de contaminación. 5.5. Resultados del análisis Teniendo en cuenta que el CO2 es el gas con mayor participación en el efecto invernadero, se debe resaltar que los procesos relacionados con biomasa generan dióxido de carbono de manera neutral. La empresa Twenergy afirma lo siguiente: “la cantidad de CO2 que las plantas absorben es la misma que se emite en su combustión y por lo tanto, su uso energético no contribuye al aumento del porcentaje del gas en la atmosfera (Twenergy, 2012). Teniendo en cuenta todos los aspectos anteriores se puede seleccionar como opción viable la planta de energía eléctrica convencional a partir de biomasa por las siguientes razones: 44



Las plantas de energía eléctricas convencionales a partir de biomasa no dependen necesariamente del entorno para su ejecución, por lo que se pueden construir lejos de un rio (a diferencia de una central hidroeléctrica) y no depende de condiciones meteorológicas para su funcionamiento (parques eólicos).



Las plantas de energía eléctrica convencionales a partir de biomasa presentan una alta estimación anual en generación de energía (128GWh/año) a comparación con los parques eólicos (72GWh/año) y las plantas de cogeneración (70GWh/año).



La biomasa no contribuye al aumento del CO 2 en la atmosfera, por lo que no contribuye a la producción del principal gas relacionado con el efecto invernadero.



A pesar de que las plantas de energía eléctrica convencionales a partir de biomasa presentan una inversión alta con respecto a los parques eólicos, este último método tiene una estimación anual de 72GWh/año y las plantas de biomasa convencionales tienen una estimación anual de 128Gwh/año, quiere decir que los parques eólicos deben realizar una inversión del más del 100% para alcanzar la estimación anual cercana a la de las plantas de biomasa, por lo tanto se puede justificar el precio de inversión de una planta eléctrica de biomasa.

6. CONCLUSIONES

Todos los métodos para obtención de energía eléctrica contaminan, expulsando gases o partículas al ecosistema, pero el impacto ambiental que genera cada fuente de energía es lo que se debe tener en cuenta para minimizar los perjuicios que han sido ocasionados por los procesos tradicionales de obtención de electricidad y empezar a implementar las energías alternativas que permitan obtener la energía eléctrica necesaria para las personas a un precio menor para el ambiente. La biomasa es una de las fuentes más importantes de generación de electricidad en el mundo, aprovechando los residuos sólidos para obtener energía eléctrica. Colombia es un país en el que posee un gran potencial con respecto al aprovechamiento de residuos sólidos, ya que la base de su economía es la agroindustria, biomasa capaz de ser aprovechada para beneficiar a ciertas zonas del país que no poseen electricidad. Las plantas de biomasa convencionales son capaces de producir un 20% de energía eléctrica mayor a las plantas que poseen un sistema de cogeneración, ya que esta última, al aprovechar las propiedades caloríficas del sistema, producen un 40% de electricidad, y las plantas convencionales producen un 60% de electricidad, presentando una ventaja en relación a la producción de electricidad. La manera en la que funcionan las plantas de biomasa y las termoeléctricas es similar, sólo cambia la fuente de energía. En este sentido, los residuos que se obtienen de la biomasa son utilizados como fertilizantes para abono y no generan CO2, siendo una opción viable en temas medioambientales.

REFERENCIAS

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