ESTUDIO TECNICO ECONOMICO DE LA IMPLEMENTACION DE CENTRALES CON BIOMASA EN EL ECUADOR
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El documento analiza la implementación de centrales de biomasa en Ecuador, detallando las fuentes de biomasa, métodos de tratamiento y proyectos eléctricos en operación. Se evalúa la factibilidad de estos proyectos mediante el software RETScreen y se cuantifica el biogás producido a partir de residuos orgánicos, resaltando su valor como fuente de energía renovable. El estudio también incluye ejemplos prácticos, como la generación de energía eléctrica a partir de biogás en una granja porcina.
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ESTUDIO T´ECNICO ECON ´OMICO DE LA
IMPLEMENTACI ´ON DE CENTRALES CON
BIOMASA EN EL ECUADOR
Mario Baculima
mbaculima@est.ups.edu.ec
Manuel Deleg
mdeleg@est.ups.edu.ec
Juan Ugu˜na
juguna@est.ups.edu.ec
Universidad Politecnica Salesiana, Sede Cuenca
Centrales
Resumen—En el presente documento se describen las dife-
rentes fuentes de biomasa que se necesita para la generaci´on
de electricidad, as´ı como las diferentes m´etodos para el
tratamiento de la misma. Se indican los proyectos el´ectricos
con generaci´on con biomasa en el Ecuador que se encuentran
en operaci´on y en estudios. Se cuantifica la cantidad de
biog´as producida a partir de la cantidad del recurso primario
que se genera diariamente, y se determina las caracter´ısticas
t´ecnicas y financieras para definir su factibilidad de imple-
mentaci´on mediante el software RetScreen.
Index Terms—Biomasa, biog´as, biodigestor, energ´ıa t´ermi-
ca, RetScreen .
I. INTRODUCCI ´ON
La biomasa es un recurso natural que se encuentra en
la materia org´anica y es de f´acil obtenci´on, que en la
actualidad est´a siendo usado para generar energ´ıa el´ectrica.
A nivel mundial se est´an implementando proyectos de
generaci´on el´ectrica mediante el uso de biomasa, estos
proyectos cumplen con las normas ambientales, sociales
y econ´omicas requeridas para preservar la naturaleza. En
la actualidad el abastecimiento energ´etico del Ecuador
proviene de energ´ıas f´osiles y renovables convencionales
(hidroel´ectricas). Debido al crecimiento de la demanda se
est´an implementando nuevos sistemas de generaci´on, en
los cuales se incentiva a la generaci´on de energ´ıas no
convencionales o renovables, entre ellos proyectos basados
en el uso de biomasa. Muchas provincias del Ecuador no
tienen plantas de tratamiento de biomasa, por lo cual se
est´an desperdiciando anualmente una cantidad significativa
de este recurso que deber´ıa ser usado para generar dife-
rentes tipos de energ´ıa, especialmente en zonas rurales.
II. DEFINICI ´ON DE BIOMASA
Se entiende por biomasa a todo material que proviene
de un organismo vivo que sirve como fuente de energ´ıa,
es un recurso energ´etico que a diferencia de los dem´as
es considerada como energ´ıa renovable ya que su valor
energ´etico es proveniente del sol, en otros t´erminos la
biomasa procede de la captaci´on y transformaci´on de la
energ´ıa solar convertida por la vegetaci´on a trav´es del
proceso de fotos´ıntesis.[1][2]
A. Procedencia de la biomasa
Dependiendo de la fuente de procedencia existen dife-
rentes tipos de biomasa que son utilizados para suministrar
energ´ıa el´ectrica.
1) Biomasa natural: Es aquella que se produce sin
intervenci´on humana y no involucra ning´un proce-
so que intervenga para su obtenci´on, es decir, en
ecosistemas naturales. [4]
2) 000Biomasa Residual: Este tipo de biomasa se en-
cuentra en diversas fuentes, y son generados en las
actividades de producci´on, transformaci´on y consu-
mo, es decir, se obtiene como un subproducto de un
determinado proceso.
3) Cultivos Energ´eticos: Este tipo de recurso tiene
como prop´osito general obtener la m´axima cantidad
de energ´ıa por unidad de superficie, en la cual se
emplean considerables hect´areas de terrenos para
los cultivos energ´eticos. [3][4]
La biomasa tiene que pasar por determinados procesos
para poder hacer uso de ella con fines energ´eticos, dichos
procesos son termoqu´ımicos y bioqu´ımicos.
1) Conversi´on termoqu´ımica : Se basa en la descompo-
sici´on de la biomasa por la intervenci´on del calor, la cual
es transformada en subproductos obteni´endose diferentes
cantidades de productos s´olidos, l´ıquidos y gaseosos. Entre
los procesos termoqu´ımicos se encuentran: [5]
• Combusti´on
• Gasificaci´on
• Pirolisis](https://image.slidesharecdn.com/informeieee-150209105612-conversion-gate01/85/ESTUDIO-TECNICO-ECONOMICO-DE-LA-IMPLEMENTACION-DE-CENTRALES-CON-BIOMASA-EN-EL-ECUADOR-1-320.jpg)
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2) Conversi´on bioqu´ımica : Se fundamentan en la de-
gradaci´on de la biomasa por la gesti´on de microorganis-
mos los que se dan por medio de procesos con ox´ıgeno
conocidos como aer´obicos y sin ox´ıgeno conocidos como
anaerobios. [5]
B. Contenido energ´etico de la biomasa
El contenido energ´etico de la biomasa se mide en fun-
ci´on del poder calor´ıfico inferior (PCI) del recurso, aunque
para la biomasa residual h´umeda se mide en funci´on del
biog´as que se obtiene de su digesti´on anaerobia.
Cuadro I
CONTENIDO ENERG ´ETICO DE ALGUNOS RECURSOS DE BIOMASA
RESIDUAL H ´UMEDA
FUENTE: [6]
En la Tabla 1 se muestra el potencial medio energ´etico
de algunos recursos. Para la mayor´ıa de los residuos
biom´asicos puede realizarse una estimaci´on de 1kWh
generado por cada kg de residuo. [6]
C. Uso de la biomasa como fuente de energ´ıa
Principalmente la biomasa sobresale por tener un ele-
vado contenido de ox´ıgeno y compuestos vol´atiles y con-
tenido bajo de carbono, los compuestos vol´atiles son los
agentes responsables de almacenar en gran segmento el
poder calor´ıfico de la biomasa, el cual depende del tipo
de biomasa a utilizar y tambi´en se considera la humedad,
raz´on por la cual los valores de poder calor´ıfico de la
biomasa se puede considerar en materia seca o h´umeda.
[7]
Figura II.1. Rutas de la energ´ıa de la biomasa.Fuente: [8]
D. Generaci´on de energ´ıa el´ectrica basada en biomasa.
Al obtener combustibles l´ıquidos a partir de la bio-
masa se emplean m´aquinas de combusti´on interna, para
generaci´on el´ectrica, con la descomposici´on de la biomasa
se obtiene el gas metano, el cual se puede liberar con
procesos de descomposici´on de la materia org´anica, una de
las maneras de acumular el gas producido es de encaminar
por tuber´ıas que transportan el gas hacia un punto donde se
producir´a la conversi´on de energ´ıa. Una de las alternativas
para la generaci´on el´ectrica a partir de biomasa se presenta
en la Figura II-C.
III. CENTRALES CON BIOMASA.
Una central de biomasa es una instalaci´on industrial
dise˜nada para generar energ´ıa el´ectrica a partir de recursos
biol´ogicos. As´ı pues, las centrales de biomasa utilizan
fuentes renovables para la producci´on de energ´ıa el´ectrica.
Para el aprovechamiento de la biomasa se aplica di-
ferentes tipos de tecnolog´ıas para convertir la energ´ıa,
la misma que puede ser utilizada para la producci´on de
energ´ıa t´ermica, producci´on de biog´as y la producci´on de
combustibles.
A. Producci´on de energ´ıa t´ermica
Son sistemas de combusti´on directa y se utilizan para
dar calor, que se puede utilizar directamente para, puede
ser para cocinar alimentos o secar productos agr´ıcolas.
Tambi´en se pueden aprovechar para hacer vapor para la
industria o para generar electricidad, el principal inconve-
niente es la contaminaci´on.
B. Producci´on de Biog´as
La obtenci´on del biog´as se lleva a cabo mediante la
descomposici´on anaer´obica (ausencia de ox´ıgeno) y se la
realiza en un tanque cerrado llamado “biodigestor”. La
mezcla que contiene el biodigestor es, biomasa con agua,
la digesti´on anaer´obica se realiza en dos pasos. [9]
En el primer paso, tiene por nombre licuefacci´on, la
materia org´anica es descompuesta por hidrolisis, posterior-
mente en la etapa de gasificaci´on se produce metano y
di´oxido de carbono, nitr´ogeno y ´acido sulfh´ıdrico.
Debido a que el biog´as contiene gran cantidad de metano
se considera como combustible, el cual se utiliza como
fuente de energ´ıa para diferentes ´ambitos:
• Como material base para la s´ıntesis de productos del
valor agregado como el etanol.
• En motores o turbinas para generar electricidad.
• En una caldera para generar calor o electricidad.
• En motores de cogeneraci´on para generar electricidad
y calor de manera simult´anea.
• Como combustible para veh´ıculos.
• Como reemplazo de gas licuado de petr´oleo para
cocinas a gas.](https://image.slidesharecdn.com/informeieee-150209105612-conversion-gate01/85/ESTUDIO-TECNICO-ECONOMICO-DE-LA-IMPLEMENTACION-DE-CENTRALES-CON-BIOMASA-EN-EL-ECUADOR-2-320.jpg)
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C. Producci´on de biog´as en una granja porcina
Se realiza el estudio de un caso en particular de genera-
ci´on de energ´ıa el´ectrica a partir del aprovechamiento del
biog´as, el cual es obtenido en una granja porcina, por lo
cual se considera que se pretende realizar el autoabasteci-
miento para una vivienda.
1) Determinaci´on de la demanda de energ´ıa el´ectrica:
Se realiz´o un inventario de equipos conectados, entre ellos
luminarias, electrodom´esticos, etc., con su respectivo valor
de potencia consumida obteniendo como potencia instalada
2,094 KW. Para determinar el consumo de energ´ıa (KW-h)
actual en la propiedad se recurri´o a los datos de consumo
mensual de las planillas de luz como se muestra en la Tabla
III-C1.
Cuadro II
CONSUMO DE ENERG´IA EL ´ECTRICA MENSUAL Y PROYECCI ´ON DE LA
DEMANDA
2) Proyecci´on de la demanda: Con los datos hist´oricos
de demanda presentados en la Tabla III-C18 que contiene
la demanda de los meses del a˜no 2014, se realiza la
proyecci´on hasta el mes de diciembre del a˜no 2017. Para la
proyecci´on de la demanda se aplica la Ecuaci´on III.2.[10]
DF = DA ∗ e(fc∗t)
(III.1)
Donde:
DF: Demanda Futura
DA: Demanda Actual
fc: Factor de crecimiento
t: tiempo en a˜nos
Una vez aplicada la Ecuaci´on III.2, se tiene los valores
de la demanda proyectada los que se presentan en la Tabla
III-C1
Con los datos de la proyecci´on de la demanda pre-
sentada, se determina que para el a˜no 2017 se estima
una demanda m´axima de 3,1KWh/d´ıa y mensualmente
93,14KWh.
Cuadro III
RECOLECCI ´ON DE BIOMASA
3) Cuantificaci´on de la biomasa: En la Tabla III-C3 se
presenta la cantidad de biomasa recolectada en diferentes
fechas, la cual var´ıa en funci´on a la cantidad de animales
presentes de acuerdo a su peso y tama˜no.
4) Cantidad de metano generado con la Biomasa:
Volumen de la mezcla de biomasa
V = 0, 15903m3
→ 159, 03litros
PV = nRT
T = 24, 3°C = 297, 3°K
R = 0, 08atm ∗ lts/°Kmol
P = 1, 023atm
n = 1,023atm∗159,03l
(0,08atm∗l/°Kmol)∗297,3°K = 6, 8mol
5) C´alculo de la cantidad de metano CH4: Peso Molar
(PM)
Carbono: C 12*1 12
Hidr´ogeno: H 1*4 4
Total 19 gr/mol
masa = n ∗ PM
masa = 6, 8mol ∗ 16gr/mol= 108, 8gr
Como resultado se tiene que con 67, 23kg(148, 22lb)
de biomasa se obtiene 108, 8gramos de metano.
6) C´alculo de volumen de metano generado VCH4: Se
a realiza el c´alculo del volumen de metano a partir de la
cantidad de biomasa obtenida mediante la Ecuaci´on III.2:
VCH4
= BO · V S · (
K
U · RT − 1 + K
) (III.2)
VCH4 : Volumen de metano en m3/d´ıa
VS: Contenido de s´olidos vol´atiles en Kg por d´ıa
BO: Potencial de producci´on de metano
RT: Tiempo de retenci´on de la materia org´anica
TC: Temperatura del biodigestor
K: Descomposici´on de los s´olidos vol´atiles en el tiempo
es una cantidad adimensional.
K = 0, 6 + 0, 0006 · e(0,1185·V S)
Mediante el an´alisis realizado en el 30vo
d´ıa, se
determin´o que la cantidad de la mezcla restante en el
biodigestor corresponde al 45,46%, entonces la cantidad
de biomasa que se transform´o en biog´as es 54,54% (0,54).
V S = 0, 54
K = 0, 6 + 0, 0006 · e(0,1185·0,54)
= 0, 60063965
U: Crecimiento de producci´on de metano con el cambio
de temperatura por d´ıa.
U = 0, 013 · TC − 0, 129
U = 0, 013 · 24, 3 − 0, 129 = 0, 1869
V CH4
= 0, 45 · 0, 54 · ( 0,60063965
0,1869·30−1+0,60063965 )
V CH4
= 0, 0283m3
/d´ıa](https://image.slidesharecdn.com/informeieee-150209105612-conversion-gate01/85/ESTUDIO-TECNICO-ECONOMICO-DE-LA-IMPLEMENTACION-DE-CENTRALES-CON-BIOMASA-EN-EL-ECUADOR-3-320.jpg)
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Entonces se determina que con un kilogramo de
biomasa puede generar 0, 0283m3
de biog´as diarios, y con
67, 23Kgde biomasa inicial contenida en el biodigestor de
prueba, se puede generar 1, 9m3
de biog´as/d´ıa.
7) Determinaci´on de la energ´ıa el´ectrica generada por
el biog´as: Para determinar la energ´ıa el´ectrica generada
por el biog´as, se debe estipular la cantidad de KWh
que se genera con un volumen espec´ıfico de biog´as.
En base a estudios realizados se estima que un 1m3
de
biog´as genera 1, 3 − 1, 6KWh1
, de acuerdo al an´alisis
BO el esti´ercol de cerdo contiene mayor porcentaje de
descomposici´on por ello se establece que se generar´a
1, 6KWh. Si 1kg de esti´ercol produce 0, 0283m3
/d´ıa
de biog´as, y con 1m3
de biog´as se genera 1, 6KW − h,
entonces con 90kg de biog´as se generar´a:
Vbiog´as = 90Kg ∗ 0,0283m3/d´ıa
1kg = 2, 55m3
/d´ıa
Con este volumen de biog´as se puede generar
4, 08KWh.
IV. CENTRALES DE BIOMASA EN EL
ECUADOR.
A. Estado actual de energ´ıa el´ectrica en Ecuador
El plan maestro de electrificaci´on 2013-2022 pretende
reducir el consumo t´ermico mediante el incremento de
energ´ıa hidroel´ectrica, fortalecer la red de transmisi´on
y sub-transmisi´on y el uso de otras fuentes de energ´ıa,
como principales alternativas se tiene: energ´ıa solar, e´olica,
geot´ermica, de biomasa, mareomotriz, las cuales permi-
tir´an la sostenibilidad a largo plazo. En la figura IV-A se
presenta un esquema de los proyectos en operacion y en
estudio de centrales con biomasa en Ecuador [10]
Figura IV.1. Generaci´on con biomasa en Ecuador
V. AN ´ALISIS FINANCIERO DE GENERACI ´ON
EL ´ECTRICA CON BIOG ´AS
Con los datos presentados en la secci´on III-C, se realiza
el an´alisis Financiero mediante el Software RETScreen,
en el cual se ingresa la informaci´on del tipo de proyecto
1Tecnolog´ıa del biog´as, www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia34
a realizar, en este caso es de generaci´on de electricidad,
con motor a pistones, tipo de red aislada y carga interna.
Seguidamente en la pesta˜na de Carga y Red, se ingresa los
par´ametros del sistema el´ectrico, en el cual se indica las
caracter´ısticas del generador, y la demanda hist´orica, dando
como resultado el costo de la electricidad a considerar en
este tipo de generaci´on, como se presenta en la Figura V.
Figura V.1. Ingreso de datos
El costo total de la electricidad ser´a de 56.48$. Las
caracteristicas de la carga del caso base, se observa el
comportamiento en la Figura V, en la que se determina las
mediciones de eficiencia energetica con un valor de 70 %,
una carga electrica de punta neta de 49Kw, y demanda
electrica neta de 187 MW.
Figura V.2. Comportamiento de la carga y modelo de Energ´ıa
En la Figura V presenta los datos del sistema el´ectrico
de potencia del caso propuesto, con la tecnolog´ıa de motor
a pistones, con una disponibilidad de 7000h (horas) al a˜no,
con el combustible de la biomasa (biog´as), el precio que
se ingresa del combustible por tonelada es de 200$ el cual
se obtuvo de un c´alculo de recolecci´on de la biomasa, se
ingresa la caracter´ısticas principales del motor de pistones
como la potencia nominal, fabricante y modelo.
Con los datos ingresados se tiene:
Estrategia de operaci´on - sistema el´ectrico de potencia
de carga base.
Tarifa de electricidad - caso base $/MWh 90,50.
Precio de combustible - caso propuesto $/MWh 39,04
Tarifa de exportaci´on de electricidad $/MWh
Precio de electricidad - caso propuesto $/MWh 0,10
Se tiene una eficiencia de 40 %, del sistema de genera-
ci´on.](https://image.slidesharecdn.com/informeieee-150209105612-conversion-gate01/85/ESTUDIO-TECNICO-ECONOMICO-DE-LA-IMPLEMENTACION-DE-CENTRALES-CON-BIOMASA-EN-EL-ECUADOR-4-320.jpg)
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Para el an´alisis de costos, en la Figura V se detallan
los rubros principales involucrados en el proyecto, costos
de mantenimiento, se indica que se tiene un costo inicial
de 1032 $, y se tiene un valor de 56$ de total de renta y
ahorros anuales.
Figura V.3. An´alisis de costos
La Figura V presenta los flujos de caja y la viabilidad
financiera del proyecto, el cual tiene una vida ´util de 10
a˜nos.
Figura V.4. Viabilidad Financiera
VI. CONCLUSIONES
La explotaci´on de recursos no convencionales se en-
cuentra en v´ıas de desarrollo; el estudio de este proyecto
representa una alternativa para el aprovechamiento de
biomasa (desechos), que en la mayor´ıa de granjas no
tienen ning´un tratamiento, y servir´an para generar energ´ıa
el´ectrica. Un correcto tratamiento y uso de biomasa, ayuda
a suplir necesidades energ´eticas tales como: la generaci´on
de energ´ıa el´ectrica, la cocci´on de alimentos, etc. Adem´as,
al ser una energ´ıa limpia permite mantener el entorno en
condiciones adecuadas y conseguir el buen vivir, mitigando
en gran medida la cantidad de emisiones de gases de efecto
invernadero.
La implementaci´on de nuevas alternativas de proyectos
el´ectricos, en la actualidad en el Ecuador se encuentra en
desarrollo, raz´on por la cual, la realizaci´on de este tipo de
proyectos tiene una alto costo de inversi´on, y por lo tanto
un precio considerable en el kilovatio hora generado.
REFERENCIAS
[1] Central, F. d. (2002). Manuales sobre energ´ıa renovable:
Biomasa/ Biomass. San Jos´e, Costa Rica.
[2] Cabello Qui˜nonez, A. M. (2006). Energ´ıas Alternativas:
Soluci´on para el Desarrollo Sustentable. Adnuma - Chile:
REFINOR S.A.
[3] P´erez, E. (2001). Energ´ıas renovables, sustentabilidad y
creaci´on de empleo: una econom´ıa impulsada por el sol.
Madrid: Los Libros de la Catarata.
[4] Castells, X. (2004). Biomasa y Bionerg´ıa: Energ´ıa, Agua,
Medioambiente, territorialidad y Sostenbilidad. Espa˜na:
Ediciones D´ıaz de Santos.
[5] Renovables, C. d. (2008). Energ´ıas Renovables 2008 -
Energ´ıa Biomasa. Rep´ublica de Argentina.
[6] Ciclo Energ´ıas Renovables, Jornadas de Biomasa. Fun-
daci´on CIRCE. (2002). Espa˜na.
[7] Coordinaci´on de Energ´ıas Renovables Direcci´on Nacional
de Promoci´on Subsecretar´ıa de Energ´ıa El´ectrica. (2008).
Energ´ıas Renovables 2008 - Energ´ıa Biomasa. Rep´ublica
Argentina: Tecnolog´ıa de la Informaci´on.
[8] Harper, E. (2011). Tecnolog´ıas de Generaci´on El´ectrica.
M´exico: Limusa.
[9] Vinasco, J. P. (s.f.). Tecnolog´ıa del biog´as. Cali- Colombia.
[10] CONELEC. (2013). Estudio y Gesti´on de la demanda
el´ectrica- Plan Maestro de electrificaci´on 2013-2022. In-
formativo, CONELEC, Cuenca](https://image.slidesharecdn.com/informeieee-150209105612-conversion-gate01/85/ESTUDIO-TECNICO-ECONOMICO-DE-LA-IMPLEMENTACION-DE-CENTRALES-CON-BIOMASA-EN-EL-ECUADOR-5-320.jpg)
ESTUDIO TECNICO ECONOMICO DE LA IMPLEMENTACION DE CENTRALES CON BIOMASA EN EL ECUADOR
- 1. 1 ESTUDIO T´ECNICO ECON ´OMICO DE LA IMPLEMENTACI ´ON DE CENTRALES CON BIOMASA EN EL ECUADOR Mario Baculima mbaculima@est.ups.edu.ec Manuel Deleg mdeleg@est.ups.edu.ec Juan Ugu˜na juguna@est.ups.edu.ec Universidad Politecnica Salesiana, Sede Cuenca Centrales Resumen—En el presente documento se describen las dife- rentes fuentes de biomasa que se necesita para la generaci´on de electricidad, as´ı como las diferentes m´etodos para el tratamiento de la misma. Se indican los proyectos el´ectricos con generaci´on con biomasa en el Ecuador que se encuentran en operaci´on y en estudios. Se cuantifica la cantidad de biog´as producida a partir de la cantidad del recurso primario que se genera diariamente, y se determina las caracter´ısticas t´ecnicas y financieras para definir su factibilidad de imple- mentaci´on mediante el software RetScreen. Index Terms—Biomasa, biog´as, biodigestor, energ´ıa t´ermi- ca, RetScreen . I. INTRODUCCI ´ON La biomasa es un recurso natural que se encuentra en la materia org´anica y es de f´acil obtenci´on, que en la actualidad est´a siendo usado para generar energ´ıa el´ectrica. A nivel mundial se est´an implementando proyectos de generaci´on el´ectrica mediante el uso de biomasa, estos proyectos cumplen con las normas ambientales, sociales y econ´omicas requeridas para preservar la naturaleza. En la actualidad el abastecimiento energ´etico del Ecuador proviene de energ´ıas f´osiles y renovables convencionales (hidroel´ectricas). Debido al crecimiento de la demanda se est´an implementando nuevos sistemas de generaci´on, en los cuales se incentiva a la generaci´on de energ´ıas no convencionales o renovables, entre ellos proyectos basados en el uso de biomasa. Muchas provincias del Ecuador no tienen plantas de tratamiento de biomasa, por lo cual se est´an desperdiciando anualmente una cantidad significativa de este recurso que deber´ıa ser usado para generar dife- rentes tipos de energ´ıa, especialmente en zonas rurales. II. DEFINICI ´ON DE BIOMASA Se entiende por biomasa a todo material que proviene de un organismo vivo que sirve como fuente de energ´ıa, es un recurso energ´etico que a diferencia de los dem´as es considerada como energ´ıa renovable ya que su valor energ´etico es proveniente del sol, en otros t´erminos la biomasa procede de la captaci´on y transformaci´on de la energ´ıa solar convertida por la vegetaci´on a trav´es del proceso de fotos´ıntesis.[1][2] A. Procedencia de la biomasa Dependiendo de la fuente de procedencia existen dife- rentes tipos de biomasa que son utilizados para suministrar energ´ıa el´ectrica. 1) Biomasa natural: Es aquella que se produce sin intervenci´on humana y no involucra ning´un proce- so que intervenga para su obtenci´on, es decir, en ecosistemas naturales. [4] 2) 000Biomasa Residual: Este tipo de biomasa se en- cuentra en diversas fuentes, y son generados en las actividades de producci´on, transformaci´on y consu- mo, es decir, se obtiene como un subproducto de un determinado proceso. 3) Cultivos Energ´eticos: Este tipo de recurso tiene como prop´osito general obtener la m´axima cantidad de energ´ıa por unidad de superficie, en la cual se emplean considerables hect´areas de terrenos para los cultivos energ´eticos. [3][4] La biomasa tiene que pasar por determinados procesos para poder hacer uso de ella con fines energ´eticos, dichos procesos son termoqu´ımicos y bioqu´ımicos. 1) Conversi´on termoqu´ımica : Se basa en la descompo- sici´on de la biomasa por la intervenci´on del calor, la cual es transformada en subproductos obteni´endose diferentes cantidades de productos s´olidos, l´ıquidos y gaseosos. Entre los procesos termoqu´ımicos se encuentran: [5] • Combusti´on • Gasificaci´on • Pirolisis
- 2. 2 2) Conversi´on bioqu´ımica : Se fundamentan en la de- gradaci´on de la biomasa por la gesti´on de microorganis- mos los que se dan por medio de procesos con ox´ıgeno conocidos como aer´obicos y sin ox´ıgeno conocidos como anaerobios. [5] B. Contenido energ´etico de la biomasa El contenido energ´etico de la biomasa se mide en fun- ci´on del poder calor´ıfico inferior (PCI) del recurso, aunque para la biomasa residual h´umeda se mide en funci´on del biog´as que se obtiene de su digesti´on anaerobia. Cuadro I CONTENIDO ENERG ´ETICO DE ALGUNOS RECURSOS DE BIOMASA RESIDUAL H ´UMEDA FUENTE: [6] En la Tabla 1 se muestra el potencial medio energ´etico de algunos recursos. Para la mayor´ıa de los residuos biom´asicos puede realizarse una estimaci´on de 1kWh generado por cada kg de residuo. [6] C. Uso de la biomasa como fuente de energ´ıa Principalmente la biomasa sobresale por tener un ele- vado contenido de ox´ıgeno y compuestos vol´atiles y con- tenido bajo de carbono, los compuestos vol´atiles son los agentes responsables de almacenar en gran segmento el poder calor´ıfico de la biomasa, el cual depende del tipo de biomasa a utilizar y tambi´en se considera la humedad, raz´on por la cual los valores de poder calor´ıfico de la biomasa se puede considerar en materia seca o h´umeda. [7] Figura II.1. Rutas de la energ´ıa de la biomasa.Fuente: [8] D. Generaci´on de energ´ıa el´ectrica basada en biomasa. Al obtener combustibles l´ıquidos a partir de la bio- masa se emplean m´aquinas de combusti´on interna, para generaci´on el´ectrica, con la descomposici´on de la biomasa se obtiene el gas metano, el cual se puede liberar con procesos de descomposici´on de la materia org´anica, una de las maneras de acumular el gas producido es de encaminar por tuber´ıas que transportan el gas hacia un punto donde se producir´a la conversi´on de energ´ıa. Una de las alternativas para la generaci´on el´ectrica a partir de biomasa se presenta en la Figura II-C. III. CENTRALES CON BIOMASA. Una central de biomasa es una instalaci´on industrial dise˜nada para generar energ´ıa el´ectrica a partir de recursos biol´ogicos. As´ı pues, las centrales de biomasa utilizan fuentes renovables para la producci´on de energ´ıa el´ectrica. Para el aprovechamiento de la biomasa se aplica di- ferentes tipos de tecnolog´ıas para convertir la energ´ıa, la misma que puede ser utilizada para la producci´on de energ´ıa t´ermica, producci´on de biog´as y la producci´on de combustibles. A. Producci´on de energ´ıa t´ermica Son sistemas de combusti´on directa y se utilizan para dar calor, que se puede utilizar directamente para, puede ser para cocinar alimentos o secar productos agr´ıcolas. Tambi´en se pueden aprovechar para hacer vapor para la industria o para generar electricidad, el principal inconve- niente es la contaminaci´on. B. Producci´on de Biog´as La obtenci´on del biog´as se lleva a cabo mediante la descomposici´on anaer´obica (ausencia de ox´ıgeno) y se la realiza en un tanque cerrado llamado “biodigestor”. La mezcla que contiene el biodigestor es, biomasa con agua, la digesti´on anaer´obica se realiza en dos pasos. [9] En el primer paso, tiene por nombre licuefacci´on, la materia org´anica es descompuesta por hidrolisis, posterior- mente en la etapa de gasificaci´on se produce metano y di´oxido de carbono, nitr´ogeno y ´acido sulfh´ıdrico. Debido a que el biog´as contiene gran cantidad de metano se considera como combustible, el cual se utiliza como fuente de energ´ıa para diferentes ´ambitos: • Como material base para la s´ıntesis de productos del valor agregado como el etanol. • En motores o turbinas para generar electricidad. • En una caldera para generar calor o electricidad. • En motores de cogeneraci´on para generar electricidad y calor de manera simult´anea. • Como combustible para veh´ıculos. • Como reemplazo de gas licuado de petr´oleo para cocinas a gas.
- 3. 3 C. Producci´on de biog´as en una granja porcina Se realiza el estudio de un caso en particular de genera- ci´on de energ´ıa el´ectrica a partir del aprovechamiento del biog´as, el cual es obtenido en una granja porcina, por lo cual se considera que se pretende realizar el autoabasteci- miento para una vivienda. 1) Determinaci´on de la demanda de energ´ıa el´ectrica: Se realiz´o un inventario de equipos conectados, entre ellos luminarias, electrodom´esticos, etc., con su respectivo valor de potencia consumida obteniendo como potencia instalada 2,094 KW. Para determinar el consumo de energ´ıa (KW-h) actual en la propiedad se recurri´o a los datos de consumo mensual de las planillas de luz como se muestra en la Tabla III-C1. Cuadro II CONSUMO DE ENERG´IA EL ´ECTRICA MENSUAL Y PROYECCI ´ON DE LA DEMANDA 2) Proyecci´on de la demanda: Con los datos hist´oricos de demanda presentados en la Tabla III-C18 que contiene la demanda de los meses del a˜no 2014, se realiza la proyecci´on hasta el mes de diciembre del a˜no 2017. Para la proyecci´on de la demanda se aplica la Ecuaci´on III.2.[10] DF = DA ∗ e(fc∗t) (III.1) Donde: DF: Demanda Futura DA: Demanda Actual fc: Factor de crecimiento t: tiempo en a˜nos Una vez aplicada la Ecuaci´on III.2, se tiene los valores de la demanda proyectada los que se presentan en la Tabla III-C1 Con los datos de la proyecci´on de la demanda pre- sentada, se determina que para el a˜no 2017 se estima una demanda m´axima de 3,1KWh/d´ıa y mensualmente 93,14KWh. Cuadro III RECOLECCI ´ON DE BIOMASA 3) Cuantificaci´on de la biomasa: En la Tabla III-C3 se presenta la cantidad de biomasa recolectada en diferentes fechas, la cual var´ıa en funci´on a la cantidad de animales presentes de acuerdo a su peso y tama˜no. 4) Cantidad de metano generado con la Biomasa: Volumen de la mezcla de biomasa V = 0, 15903m3 → 159, 03litros PV = nRT T = 24, 3°C = 297, 3°K R = 0, 08atm ∗ lts/°Kmol P = 1, 023atm n = 1,023atm∗159,03l (0,08atm∗l/°Kmol)∗297,3°K = 6, 8mol 5) C´alculo de la cantidad de metano CH4: Peso Molar (PM) Carbono: C 12*1 12 Hidr´ogeno: H 1*4 4 Total 19 gr/mol masa = n ∗ PM masa = 6, 8mol ∗ 16gr/mol= 108, 8gr Como resultado se tiene que con 67, 23kg(148, 22lb) de biomasa se obtiene 108, 8gramos de metano. 6) C´alculo de volumen de metano generado VCH4: Se a realiza el c´alculo del volumen de metano a partir de la cantidad de biomasa obtenida mediante la Ecuaci´on III.2: VCH4 = BO · V S · ( K U · RT − 1 + K ) (III.2) VCH4 : Volumen de metano en m3/d´ıa VS: Contenido de s´olidos vol´atiles en Kg por d´ıa BO: Potencial de producci´on de metano RT: Tiempo de retenci´on de la materia org´anica TC: Temperatura del biodigestor K: Descomposici´on de los s´olidos vol´atiles en el tiempo es una cantidad adimensional. K = 0, 6 + 0, 0006 · e(0,1185·V S) Mediante el an´alisis realizado en el 30vo d´ıa, se determin´o que la cantidad de la mezcla restante en el biodigestor corresponde al 45,46%, entonces la cantidad de biomasa que se transform´o en biog´as es 54,54% (0,54). V S = 0, 54 K = 0, 6 + 0, 0006 · e(0,1185·0,54) = 0, 60063965 U: Crecimiento de producci´on de metano con el cambio de temperatura por d´ıa. U = 0, 013 · TC − 0, 129 U = 0, 013 · 24, 3 − 0, 129 = 0, 1869 V CH4 = 0, 45 · 0, 54 · ( 0,60063965 0,1869·30−1+0,60063965 ) V CH4 = 0, 0283m3 /d´ıa
- 4. 4 Entonces se determina que con un kilogramo de biomasa puede generar 0, 0283m3 de biog´as diarios, y con 67, 23Kgde biomasa inicial contenida en el biodigestor de prueba, se puede generar 1, 9m3 de biog´as/d´ıa. 7) Determinaci´on de la energ´ıa el´ectrica generada por el biog´as: Para determinar la energ´ıa el´ectrica generada por el biog´as, se debe estipular la cantidad de KWh que se genera con un volumen espec´ıfico de biog´as. En base a estudios realizados se estima que un 1m3 de biog´as genera 1, 3 − 1, 6KWh1 , de acuerdo al an´alisis BO el esti´ercol de cerdo contiene mayor porcentaje de descomposici´on por ello se establece que se generar´a 1, 6KWh. Si 1kg de esti´ercol produce 0, 0283m3 /d´ıa de biog´as, y con 1m3 de biog´as se genera 1, 6KW − h, entonces con 90kg de biog´as se generar´a: Vbiog´as = 90Kg ∗ 0,0283m3/d´ıa 1kg = 2, 55m3 /d´ıa Con este volumen de biog´as se puede generar 4, 08KWh. IV. CENTRALES DE BIOMASA EN EL ECUADOR. A. Estado actual de energ´ıa el´ectrica en Ecuador El plan maestro de electrificaci´on 2013-2022 pretende reducir el consumo t´ermico mediante el incremento de energ´ıa hidroel´ectrica, fortalecer la red de transmisi´on y sub-transmisi´on y el uso de otras fuentes de energ´ıa, como principales alternativas se tiene: energ´ıa solar, e´olica, geot´ermica, de biomasa, mareomotriz, las cuales permi- tir´an la sostenibilidad a largo plazo. En la figura IV-A se presenta un esquema de los proyectos en operacion y en estudio de centrales con biomasa en Ecuador [10] Figura IV.1. Generaci´on con biomasa en Ecuador V. AN ´ALISIS FINANCIERO DE GENERACI ´ON EL ´ECTRICA CON BIOG ´AS Con los datos presentados en la secci´on III-C, se realiza el an´alisis Financiero mediante el Software RETScreen, en el cual se ingresa la informaci´on del tipo de proyecto 1Tecnolog´ıa del biog´as, www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia34 a realizar, en este caso es de generaci´on de electricidad, con motor a pistones, tipo de red aislada y carga interna. Seguidamente en la pesta˜na de Carga y Red, se ingresa los par´ametros del sistema el´ectrico, en el cual se indica las caracter´ısticas del generador, y la demanda hist´orica, dando como resultado el costo de la electricidad a considerar en este tipo de generaci´on, como se presenta en la Figura V. Figura V.1. Ingreso de datos El costo total de la electricidad ser´a de 56.48$. Las caracteristicas de la carga del caso base, se observa el comportamiento en la Figura V, en la que se determina las mediciones de eficiencia energetica con un valor de 70 %, una carga electrica de punta neta de 49Kw, y demanda electrica neta de 187 MW. Figura V.2. Comportamiento de la carga y modelo de Energ´ıa En la Figura V presenta los datos del sistema el´ectrico de potencia del caso propuesto, con la tecnolog´ıa de motor a pistones, con una disponibilidad de 7000h (horas) al a˜no, con el combustible de la biomasa (biog´as), el precio que se ingresa del combustible por tonelada es de 200$ el cual se obtuvo de un c´alculo de recolecci´on de la biomasa, se ingresa la caracter´ısticas principales del motor de pistones como la potencia nominal, fabricante y modelo. Con los datos ingresados se tiene: Estrategia de operaci´on - sistema el´ectrico de potencia de carga base. Tarifa de electricidad - caso base $/MWh 90,50. Precio de combustible - caso propuesto $/MWh 39,04 Tarifa de exportaci´on de electricidad $/MWh Precio de electricidad - caso propuesto $/MWh 0,10 Se tiene una eficiencia de 40 %, del sistema de genera- ci´on.
- 5. 5 Para el an´alisis de costos, en la Figura V se detallan los rubros principales involucrados en el proyecto, costos de mantenimiento, se indica que se tiene un costo inicial de 1032 $, y se tiene un valor de 56$ de total de renta y ahorros anuales. Figura V.3. An´alisis de costos La Figura V presenta los flujos de caja y la viabilidad financiera del proyecto, el cual tiene una vida ´util de 10 a˜nos. Figura V.4. Viabilidad Financiera VI. CONCLUSIONES La explotaci´on de recursos no convencionales se en- cuentra en v´ıas de desarrollo; el estudio de este proyecto representa una alternativa para el aprovechamiento de biomasa (desechos), que en la mayor´ıa de granjas no tienen ning´un tratamiento, y servir´an para generar energ´ıa el´ectrica. Un correcto tratamiento y uso de biomasa, ayuda a suplir necesidades energ´eticas tales como: la generaci´on de energ´ıa el´ectrica, la cocci´on de alimentos, etc. Adem´as, al ser una energ´ıa limpia permite mantener el entorno en condiciones adecuadas y conseguir el buen vivir, mitigando en gran medida la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero. La implementaci´on de nuevas alternativas de proyectos el´ectricos, en la actualidad en el Ecuador se encuentra en desarrollo, raz´on por la cual, la realizaci´on de este tipo de proyectos tiene una alto costo de inversi´on, y por lo tanto un precio considerable en el kilovatio hora generado. REFERENCIAS [1] Central, F. d. (2002). Manuales sobre energ´ıa renovable: Biomasa/ Biomass. San Jos´e, Costa Rica. [2] Cabello Qui˜nonez, A. M. (2006). Energ´ıas Alternativas: Soluci´on para el Desarrollo Sustentable. Adnuma - Chile: REFINOR S.A. [3] P´erez, E. (2001). Energ´ıas renovables, sustentabilidad y creaci´on de empleo: una econom´ıa impulsada por el sol. Madrid: Los Libros de la Catarata. [4] Castells, X. (2004). Biomasa y Bionerg´ıa: Energ´ıa, Agua, Medioambiente, territorialidad y Sostenbilidad. Espa˜na: Ediciones D´ıaz de Santos. [5] Renovables, C. d. (2008). Energ´ıas Renovables 2008 - Energ´ıa Biomasa. Rep´ublica de Argentina. [6] Ciclo Energ´ıas Renovables, Jornadas de Biomasa. Fun- daci´on CIRCE. (2002). Espa˜na. [7] Coordinaci´on de Energ´ıas Renovables Direcci´on Nacional de Promoci´on Subsecretar´ıa de Energ´ıa El´ectrica. (2008). Energ´ıas Renovables 2008 - Energ´ıa Biomasa. Rep´ublica Argentina: Tecnolog´ıa de la Informaci´on. [8] Harper, E. (2011). Tecnolog´ıas de Generaci´on El´ectrica. M´exico: Limusa. [9] Vinasco, J. P. (s.f.). Tecnolog´ıa del biog´as. Cali- Colombia. [10] CONELEC. (2013). Estudio y Gesti´on de la demanda el´ectrica- Plan Maestro de electrificaci´on 2013-2022. In- formativo, CONELEC, Cuenca