COGENERACIÓN COMO ESTRATEGIA PARA EL INCREMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA INDUSTRIA PANELERA.

FRANCISCO RAMÍREZ CARTAGENA

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA ESCUELA DE CIENCIAS NATURALES E INGENIERÍAS

FACULTAD DE INGENIERÍA EN ENERGÍA BUCARAMANGA

2005

COGENERACIÓN COMO ESTRATEGIA PARA EL INCREMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA INDUSTRIA PANELERA.

FRANCISCO RAMÍREZ CARTAGENA

Trabajo de grado para optar a título de Ingeniero en Energía

DIRECTOR

Ing. Julio César Paba Barbosa

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA ESCUELA DE CIENCIAS NATURALES E INGENIERÍAS

FACULTAD DE INGENIERÍA EN ENERGÍA BUCARAMANGA

2005

Nota de aceptación:

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Firma del presidente del jurado:

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Firma del jurado:

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Firma del jurado:

Bucaramanga, 22 de Diciembre de 2005

TABLA DE CONTENIDO

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INTRODUCCIÓN 12 1. LA INDUSTRIA DE LA PANELA 15 1.1 PRECIOS DE LA PANELA 17 1.2 SITUACIÓN SOCIOECONÓMICA DEL SECTOR PANELERO 19 1.3 PROBLEMÁTICA DEL PROCESAMIENTO 20 1.4 CADENA DE COMERCIALIZACIÓN 20 1.5 MERCADO INTERNACIONAL 21 1.6 CULTIVO DE LA CAÑA PANELERA 21 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL DE PRODUCCIÓN DE PANELA EN LA LAGUNA DE ORTICES 27 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA ZONA E INFRAESTRUCTURA DE LA LAGUNA DE ORTICES 29 2.2 RECURSOS UTILIZADOS ACTUALMENTE EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PANELA EN LA LAGUNA DE ORTICES 32 3. COGENERACIÓN A PARTIR DE BAGAZO DE CAÑA PANELERA 33 3.1 DESCRIPCIÓN TEÓRICA 33 3.2 POTENCIAL CALORÍFICO DEL BAGAZO DE CAÑA 40 3.2.1 La biomasa de la caña de azúcar como fuente de Energía primaria 40 3.2.2 Composiciones químicas elemental e inmediata 41

3.2.3 Poder calorífico 42 3.2.4 Efecto de las cenizas en el poder calorífico superior del Bagazo de caña 43 3.3 ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO DE COGENERACIÓN 45 3.4 MODELACIÓN DEL PROCESO TERMODINÁMICO 47 3.4.1 Proceso de calentamiento a carga máxima 47 3.4.2 Proceso de calentamiento con válvula totalmente cerrada 55 3.5 CÁLCULOS 60 3.6 SELECCIÓN DE EQUIPOS 66 3.6.1 Planta productora de panela 66 3.6.2 Equipos a utilizar 68 4. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO 76 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83 6. BIBLIOGRAFÍA 85 ANEXOS

LISTA DE TABLAS

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Tabla 1. Estimación del consumo aparente de panela 16 Tabla 2. Municipios productores de panela 19 Tabla 3. Bloques económicos, exportaciones de panela 21 Tabla 4. Producción de caña panelera 22 Tabla 5. Superficie cosechada de caña panelera 23 Tabla 6. Rendimiento obtenido de caña panelera 24 Tabla 7. Principales municipios y producción de caña panelera 25 tecnificada y tradicional Tabla 8. Ventajas y desventajas en sistemas de cogeneración 35 Tabla 9. Composición elemental de la biomasa 41 Tabla 10. Composición inmediata de la biomasa 42 Tabla 11. Poder calorífico de Biomasa 42 Tabla 12. Efecto del contenido de cenizas sobre el poder calorífico superior del bagazo y su correspondiente humedad efectiva 44 Tabla 13. Condiciones en las que se someten los diferentes puntos 65 Tabla 14. Especificaciones de la caldera 70 Tabla 15. Comparación de sistemas de condensación a presión 72 Tabla 16. Comparación de sistemas de condensación a vacío 72 Tabla 17. Costo de producción de electricidad a condensación 72

LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Cargas de panela vendidas en Santander 18 Figura 2. Precio promedio de la carga de panela 18 Figura 3. Cadena de comercialización 20 Figura 4. Producción de caña panelera en Colombia. Superficie sembrada y rendimiento por hectárea. 24 Figura 5. Diagrama del proceso 27 Figura 6. Sistemas convencionales vs. Cogenerador 33 Figura 7. Modelo básico conceptual de cogeneración 34 Figura 8. Diagrama proceso ciclo termodinámico 36 Figura 9. Diferencia del Wreal y W ideal 37 Figura 10. Esquema condensador 38 Figura 11. Efecto del contenido de cenizas 44 Figura 12. Estimación del contenido de cenizas en el PCS del bagazo 45 Figura 13. Esquema general del proceso termodinámico de cogeneración. 47 Figura 14. Planta productora de panela (propuesta) 67

LISTA DE FOTOS

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Foto 1. Corregimiento Laguna de Ortices. 29 Foto 2. Infraestructura trapiche 30 Foto 3. Proceso de producción artesanal. 31 Foto 4. Hornilla para quema de bagazo y calentamiento directo 31

LISTA DE ANEXOS

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ANEXO A. Ficha técnica de la Agroindustria panelera en Colombia 86 ANEXO B. Informe de análisis físico-químico para panela 87

GLOSARIO

ALZADORES: persona encargada de recoger la caña cortada y de transportarla hasta el trapiche. ATIZADOR: persona encargada de suministra bagazo al horno. BAGACERO: persona encargada de llevar el bagazo del molino a la zona de secado BAGACILLO: restos muy pequeños de bagazo. BAGAZO: residuo que se obtiene después de ser extraído el jugo de la caña y en este caso es el combustible de la caldera BALSO: corteza de una planta utilizada como aligerante para la extracción de la cachaza BOMBA CALORIMÉTRICA: aparato que determina el poder calorífico de algunos alimentos. CACHAZA: impurezas obtenidas al hervir el jugo de la caña, tiene aspecto gelatinoso. CORINCHE: persona encargada de raspar la canoa, batir la miel y llevarla a las gavetas. CORTERO: persona encarga de cortar la caña. MARCA CAÑA: persona encarga de acomodar ordenadamente la caña. PRENSERO: persona encargada de colocar la caña en el molino del trapiche. RELIMPIADOR: persona encargada de distribuir el jugo de la caña en los fondos y de extraer las impurezas del jugo.

RESUMEN El presente proyecto presenta la cogeneración como una estrategia para el incremento de la eficiencia energética debido al ahorro que se obtiene por el autoabastecimiento de energía eléctrica, además de la venta de energía sobrante y de la térmica. Durante un largo tiempo se ha trabajado en definiciones que respectan a este proyecto, entendimiento del proceso de producción artesanal y tecnificado, búsqueda de información relacionada con los antecedentes de Cogeneradores para tener mayor claridad , se realizaron toma de datos en la planta actual para poder realizar varios cálculos, se realizó un panorama de comercialización de la panela y de esta forma determinar si este sector es productivo, en fin se diseñó una base de datos que contenía toda la información suministrada por libros, páginas de internet, empresas investigadoras de este sector y de entrevistas realizadas a los dueños de trapiches a demás de los trabajadores, los cuales fueron muy generosos con la información que suministraron la cual sirvió para poder realizar un procesamiento de la información y poderla presentar con la mayor claridad. Si bien este proyecto es presentado para poder obtener el título de Ingeniero en Energía también existe la posibilidad de poder llevar a cabo el mencionado, debido a que hay personas de este sector interesadas en poder tecnificar sus industrias y con ganas de dar a conocer esta zona, no solo por su riqueza en los cultivos, sino también por que valdría la pena para fomentar el ecoturismo que esta de moda. Existieron varios percances durante la realización de este proyecto como que las empresas fabricantes de los equipos no colaboraron al brindar información correspondiente a los precios, debido a tanta información habían diferencias en los autores, no se sabe si es por resguardar la información o solo eran datos erróneos, en fin para realizar este tipo de proyectos es muy importante buscar la información correcta y saberla procesar. En fin, luego de un arduo trabajo, se ha quedado satisfecho con los resultados encontrados en este proyecto y lo que representó como conocimiento, debido a que se ha aprendió de mejor forma que es la cogeneración, como se hace, cuales son los fundamentos, cuanto vale y lo mas importante si es rentable o no. Quedan muchas cosas claras pero también hay muchas preguntas que se esperan se puedan resolver en algún futuro proyecto o de forma interna, lo único que está muy claro es que entre mas se investiga, se obtienen mas incertidumbres, espero algún día saber lo suficiente sobre este tema, ya que es muy importante y es una herramienta que se debe utilizar si se quieren obtener mejores resultados en la industria que la pueda optar.

INTRODUCCIÓN Es innegable que las condiciones de vida de la población colombiana varían aceleradamente, al ritmo de los cambios demográficos, sociales y económicos. En el plano económico, en algunos sectores productivos aún predominan comportamientos y prácticas tradicionales que tienden a restar importancia y valor agregado a los productos terminados. Para varios bienes agrícolas, la tecnología no forma parte de los factores de producción y por ende se ven supeditados a que su producción adquiera un carácter eminentemente doméstico. En muchas regiones colombianas no existe un sentido organizacional y falta visión empresarial, lo cual incide en una menor competitividad de la producción, respecto de otras regiones. De igual manera, existe escasez de recursos para inversión y el desarrollo de obras de infraestructura básicas es lento. Sin embargo, la posibilidad de obtener riqueza mediante la explotación de un mismo producto para otros fines ha propiciado un reordenamiento en los procesos y una mayor atención a las regiones.

Cerca de treinta países en el mundo producen panela; Colombia es el segundo productor después de la India, con un volumen que representa más del 7% de la producción mundial registrada por la FAO (Food and Agriculture Organization). Sin embargo, en términos de consumo por habitante, ocupa el primer lugar, con un promedio de 23,8 Kg. de panela por persona al año, cantidad que supera en más de dos veces a otros consumidores importantes. Se puede afirmar que el consumo de panela constituye uno de los rasgos característicos de la identidad cultural de la nacionalidad colombiana (ver anexo A).

A pesar de su apreciable significado en la producción mundial, la importancia socioeconómica de la panela se analiza a nivel interno, debido a que casi la totalidad de su producción se destina al consumo doméstico. La producción de panela es una de las principales actividades agrícolas de la economía nacional, entre otras razones por su participación significativa en el Producto Interno Bruto (PIB) agrícola, la superficie dedicada al cultivo de la caña, la generación de empleo rural y su indiscutible importancia en la dieta de los colombianos, a pesar de sus altos costos de producción. Para la reducir estos costos, la gran mayoría de los países que poseen grandes extensiones de cultivos, acceden a la necesidad de cogenerar con el fin de reducir los costos de la energía eléctrica, además hacer estudios exhaustivos de la parte térmica para el calentamiento de las pailas haciendo aumento de áreas de transferencia y además solo utilizar el bagazo necesario para cumplir con el calentamiento y la cogeneración.

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La Hoya del Río Suárez (Santander y Boyacá), está compuesta por diversos municipios y corregimientos que se destacan notablemente por su producción de panela. El proyecto de cogeneración a plantear, se trabaja en la Laguna de Ortices, corregimiento de Santander, la cual cuenta con más de 350 hectáreas de cultivo de caña y produce panela de excelente calidad según el certificado expedido por la Secretaria de Salud de Santander(ver anexo B), pero presenta altos costos e ineficiencia en el procesamiento de la panela debido a factores como: precio elevado de la energía eléctrica utilizada, desperdicio en la fuente calorífica del bagazo, y falta de tecnología nueva y limpia en la infraestructura de los trapiches. Estos factores hacen que los trapiches de la región no sean competitivos en lo que al precio se refiere; por lo tanto el propósito de este proyecto se centra en el diseño de la cogeneración como estrategia que permita mejorar la competitividad de la región y de esta forma captar nuevos mercados obteniendo buenas utilidades. El tipo de investigación en el que se enmarca el proyecto es el estudio tecnológico ya que se busca poner a prueba el proceso de cogeneración.

Hay que resaltar que la energía es un elemento básico para los procesos de desarrollo rural del país, pero se requieren soluciones integrales de las necesidades. Por ejemplo, muchas de las industrias paneleras colombianas su mayor problema es el recibo de la luz o los altos consumos de combustibles que mes a mes sin importar lo que pase se lleva una gran parte de las ganancias de esta provechosa actividad económica. Aunque en varias oportunidades este inconveniente ha llevado a cerrar varias plantas, hay inversionistas que conocen la problemática energética de la agroindustria y tienen soluciones innovadoras para que este tipo de fenómenos no ocurra.

En Colombia, específicamente en el Ingenio INCAUCA se ha empleado la cogeneración para agregar valor a la cadena productiva, ya que además del vapor que se utiliza en el proceso, también se vende la energía eléctrica producida por las turbinas al sistema interconectado. A continuación se cita el ejemplo: “Incauca Energía S.A. constituye el primer proyecto de cogeneración privado que le entrega energía eléctrica a la red pública en Colombia, utilizando para ello la combustión del bagazo resultante de la molienda de la caña. Esta materia prima ya dejó de ser tan sólo un subproducto del proceso productivo; se le tiene como un importante energético utilizable industrialmente y cuya ventaja radica en ser además ecológicamente limpio. Mediante la instalación de un turbogenerador de 20 MW, se cogeneran 9.9 MW para la venta a EPSA y 9.9 MW que se emplean en el proceso productivo de Fábrica en Incauca S.A.. Para lograr este excedente de energía, Incauca S.A. puso en funcionamiento una nueva caldera con capacidad de 300.000 libras de vapor por hora, que trabaja a una presión de 650 libras por pulgada cuadrada (50 bar.) y a 750 F (400C) de temperatura.

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Estas condiciones brindaron la posibilidad de generar el doble de energía empleando la misma cantidad de vapor usada hasta ahora en fábrica, con una presión de operación de 275 libras por pulgada cuadrada. Por otro lado, con el proyecto de cogeneración se amplió la capacidad instalada en la central eléctrica, consiguiendo de esta forma el excedente de energía antes mencionado que pudo ser destinado para la venta”.1

Por lo tanto, el objetivo general de este proyecto consiste en estudiar la posibilidad de cogenerar en una planta de producción de panela no tecnificada de la Laguna de Ortices con el fin de dar valor agregado a la producción y de esta forma aumentar los niveles de competitividad. Igualmente se identificará el marco en el cual se desarrolla el cultivo y la industria de la caña panelera y de esta forma conocer las oportunidades de este sector; se describirá el potencial calorífico del bagazo de caña como combustible de caldera para lograr una quema eficiente; se propone una planta de cogeneración que permita reducir los costos de energía eléctrica y de tecnificar el proceso de calentamiento poco eficiente empleado en la actualidad; y por último se plantea la planta de procesamiento de panela, describiendo los equipos a utilizar y el proceso respectivo que se desarrolla en ella.

El contenido del proyecto se centra en formular la cogeneración como estrategia para el incremento de la eficiencia energética, ya que con este proceso se aprovecha la energía térmica sobrante del proceso de generación de energía eléctrica, ocasionando así una mejor utilización de los recursos energéticos y en consecuencia mejorando notablemente la eficiencia en los procesos productivos de la industria panelera, debido a que en la actualidad como anteriormente se menciona el proceso de producción de panela en la mayor parte del país es artesanal e ineficiente en lo que respecta a la utilización de los recursos.

También se mostrará el diseño de la planta de cogeneración que a nivel termodinámico tiene todas las caracterizaciones respectivas, balances de masa y energía en cada uno de los equipos a utilizar, el diagrama T-S y además se plantean dos tipos de tablas las cuales muestran que los límites en los materiales de los equipos influyen en el aprovechamiento máximo del combustible (bagazo).

Como último punto se tienen las conclusiones respectivas al trabajo desarrollado, además de algunas recomendaciones para poder llevar a cabo la ejecución del presente proyecto.

1 Ingenio INCAUCA. http://www.incauca.com/Incauca/energia.html

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1. LA INDUSTRIA DE LA PANELA2

A la panela se le conoce con diversos nombres tales como “chancaca”, “papelón” y según la FAO, figura como “azúcar no centrifugado”. Este producto tiene una cadena muy dinámica compuesta por diversos actores privados y públicos y eslabones productivos y comerciales. Los actores directos son los productores de caña panelera, los procesadores de caña (trapiches); a los que se suman, los intermediarios del transporte y los llamados “derretideros” de azúcar, que es la panela adulterada; por su parte, los eslabones comerciales de la cadena están constituidos por mercados mayoristas locales, municipales y regionales, cuyos agentes directos son los comerciantes mayoristas. Coherente con la producción de caña panelera, el principal producto derivado de este cultivo, la panela, se encuentra dispersa en varios departamentos de Colombia, constituyéndose en una actividad económica frecuente y sustento de muchas familias en el país, en especial de aquellas ubicadas en la Zona Andina, siendo las cuatro regiones más productoras: La Hoya del Río Suárez (Boyacá-Santander), Cundinamarca, Antioquia y Huila, que aportan más de las dos terceras partes de la producción nacional. Con base en un estudio del Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, para el año 2001, se logró establecer que la agroindustria panelera en Colombia, generó aproximadamente 350.000 empleos directos y más de un millón de indirectos, de los cuales aproximadamente 120.000 fueron empleos permanentes, lo cual lo ubicó como el segundo subsector generador de empleo agrícola, después del café, constituyéndose en la economía básica de 236 municipios, en 12 departamentos. Se estima que existen 70.000 productores de caña y 20.000 trapiches en los que se elabora panela y miel de caña (CIMPA 1992). Además, se debe señalar que Colombia es uno de los mayores productores a nivel mundial, con un promedio de un millón de toneladas anuales de caña panelera, pese a que el consumo aparente de panela en el país ha venido creciendo a tasas moderadas de 1.9% anual entre 1991 y 2001, al pasar de 1.091.363 toneladas métricas a 1.431.405 toneladas métricas en los años referidos.

2 MOJICA, Amilcar y PAREDES, Joaquín. El cultivo de la caña panelera y la agroindustria panelera en el departamento de Santander. Centro regional de estudios de Bucaramanga. Diciembre de 2004.

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El consumo aparente en la década, ha tenido una dinámica inferior al crecimiento de la población, lo que conlleva a que el consumo per cápita se haya reducido principalmente en 1999 y 2000. En efecto, mientras en 1993 fue de 33.3 kilogramos por habitante -Kg./hab., en el año 2000 registró un descenso de 2.4 Kg./hab. y en 2001 alcanzó un nivel de 33.4 Kg./hab. En la Tabla 1 se muestra una estimación del consumo aparente de panela en Colombia desde el año 1990 hasta el 2002. Tabla 1. Colombia. Estimación del consumo aparente de panela. 1990 -2002

Año Producción

1Tm Importaciones

2Tm Exportaciones

2Tm Consumo

aparente Tm Consumo per

cápita Kg. /hab.

1990 1.092.629

1991 1.092.551 9 1.198 1.091.363 30,6 1992 1.175.648 1.780 1.173.868 32,3 1993 1.236.794 3 1.224 1.235.573 33,3 1994 1.239.403 2.074 1.237.328 32,7 1995 1.254.779 19 2.814 1.251.983 32,5 1996 1.251.751 5 975 1.250.781 31,9 1997 1.289.515 2 1.333 1.288.184 32,2 1998 1.309.679 1.039 947 1.309.771 32,2 1999 1.301.946 4.315 1.373 1.304.888 31,5 2000 1.301.503 3.801 4.724 1.300.579 30,9 2001 1.436.838 5.434 1.431.405 33,4 2002 n.d. 20 3.166 1 La producción corresponde a caña panela y no incluye material verde.

2 Los datos de comercio exterior corresponden a Chancaca - Panela, Raspadura (Partida Arancelaria 1701111000).

n.d.: No disponible.

Ministerio de Agricultura y DANE. Cálculos Observatorio Agrocadenas. Entre las razones atribuibles al descenso en el consumo, se destacan en primera instancia, el cambio de preferencias y de hábitos alimenticios de los consumidores, puesto que según estudios realizados por expertos en el tema, en 1949 se consumían 2 Kg. de panela por uno de azúcar, en tanto que en la actualidad, el registro es de 2 Kg. de azúcar por 1.5 Kg. de panela. Así mismo, se debe mencionar que el consumo de panela se ha visto desplazado por otros productos sustitutos directos como el azúcar y los edulcolorantes sintéticos, e indirectos como las bebidas gaseosas y los refrescos artificiales de bajo valor nutritivo.

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De hecho, tanto el campesino como el residente en las ciudades, han sustituido la tradicional agua de panela, por gaseosas, refrescos y similares, lo cual ha incidido en que este producto pierda gradualmente su participación en la canasta de alimentos de los colombianos, especialmente en la de hogares de ingresos medios y altos. Técnicamente, la industria panelera es un mercado cíclico, pues su producción aumenta considerablemente, cuando se tienen expectativas de incremento de precios y la gente tiende a sembrar más caña. Así, el período vegetativo de la caña era hace unos años, de 18 meses, pasando en la actualidad a 12 meses, gracias al despliegue tecnológico. Según conceptos de expertos en el tema, muchos cañicultores abandonan sus parcelas cuando se presenta sobre oferta del producto, lo cual redunda en precios bajos y menores rendimientos. Para tratar de contrarrestar en alguna medida el problema antes mencionado, se está mejorando el esquema de comercialización, mediante la adecuación de procesos de moldeo y formas de presentación del producto terminado, a través de la utilización de moldes tipo panal en materiales de aluminio y acero inoxidable, organizados sobre bandejas y apilados en un compartimiento donde el enfriamiento se realiza por ventilación forzada.

1.1 PRECIOS DE LA PANELA El mercado de la panela esta sujeto a múltiples intermediarios, que no obedecen precisamente a un mercado que sea eficiente, sino que por el contrario se torna doméstico y en muchos casos elementales, pues esta sujeto a un comportamiento cíclico acorde con el período vegetativo de la caña panelera, pero también al efecto sustitución entre panela y azúcar. Los precios de la panela en el mercado nacional presentan un marcado patrón estacional, explicable porque desde enero de cada año, los precios al productor y al consumidor ascienden de manera significativa, hasta el mes de mayo, declinando a partir de ese mes, hasta recuperarse en noviembre y de nuevo hasta enero del año siguiente. De hecho, se pueden establecer diferencias que están estrechamente ligadas con los gustos del consumidor, las formas de presentación, la calidad, el peso, etc., haciendo que la curva de precios sea variable. En el plano internacional, cuando los precios del azúcar aumentan se incrementa la producción de este bien, respecto de la producción panelera, con el consecuente aumento de precios. De esta manera, el ciclo de precios y de producción de panela está determinado por el comportamiento de los precios y del mercado del azúcar.

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Figura 1. Santander. Cargas de panela vendidas. 1993 - 2003

Coopanelas Ltda. En la Figura 2 se visualiza el comportamiento del precio de la carga de panela desde 1993 hasta el 2003 en el departamento de Santander.

Figura 2. Santander. Precio promedio de la carga de panela. 1993 – 2003

Coopanelas Ltda.

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1.2 SITUACIÓN SOCIOECONÓMICA DEL SECTOR PANELERO Con base en estudios realizados por Corpoica y Fedepanela, se pudo establecer que sólo el 5% de la producción nacional panelera es desarrollada a través de explotaciones a gran escala en extensiones superiores a las 50 hectáreas, con una producción eminentemente comercial. En efecto, en las factorías ubicadas en los departamentos del Valle del Cauca y Risaralda, se presenta una gran capacidad de producción, con cifras superiores a los 300 kilogramos de panela por hora; contrastando con las explotaciones de tamaño mediano de la Hoya del Río Suárez (Boyacá y Santander), Nariño y algunos municipios de Antioquia, en donde predominan explotaciones de tamaño mediano. La Tabla 2 muestra los municipios de la Hoya del Río Suárez productores de panela de enero a diciembre del 2003.

Tabla 2. Hoya del Río Suárez. Municipios productores de panela. Enero - diciembre. 2003

Municipio Total has. Producción ha. en kg.

Total producción toneladas

Número de productores

Número de trapiches

Total 16.915 132.575 173.936 2.962 504

Barbosa 450 12.000 5.280 32 13

Chipatá 1.300 15.600 9.360 320 63 San Benito 2.739 16.875 42.188 340 74 Suaita 4.590 15.600 60.294 280 105 Vélez 862 12.000 9.984 950 37

La Aguada 343 10.000 1.980 180 60 Guepsa 5.254 15.000 39.000 350 84

Guabaza 90 12.500 500 80 11 La Paz 1.040 8.000 4.000 110 42 Puente Nacional 247 15.000 1.350 320 15

Alcaldías Municipales. UMATAS. Planeación Municipal. URPA y cultivadores de caña. La situación socioeconómica del sector panelero tiene su explicación en alguna medida en la baja competitividad de la agroindustria; de igual manera, en la debilidad de la cultura organizacional y de trabajo asociativo, en un esquema productivo dominante de propiedad parcelaria con economía campesina que dificulta la obtención de economías de escala, en la baja disponibilidad de recursos económicos y difícil acceso al crédito y por último en la falta de estrategias para la promoción comercial de la panela a nivel interno y externo.

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1.3 PROBLEMÁTICA DEL PROCESAMIENTO El procesamiento de la panela encierra una serie de dificultades que comprenden en primera instancia, una baja disponibilidad de materiales de caña adecuados para la producción eficiente de panela y mieles en las diferentes regiones agro económicas colombianas; una reducción en la producción y productividad por el efecto de malezas, plagas y enfermedades, causada principalmente por hongos, virus e insectos y un sistema de producción agrícola altamente dependiente de agroquímicos, en especial de herbicidas y fertilizantes. Para el productor panelero es esencial que se desarrollen a corto plazo sistemas de producción con base en la caña, que ofrezcan una alternativa para absorber los choques creados por los movimientos cíclicos del mercado. Existe la necesidad de buscar usos alternativos para la caña integrándola con otros renglones de producción.

1.4 CADENA DE LA COMERCIALIZACIÓN El mercado de la panela se desarrolla a través de múltiples eslabones de intermediación comercial que configuran un sistema disperso y de poca eficiencia. En este sistema, entre más se va tomando distancia del espacio local hacia los mercados regionales, supraregionales y al mercado nacional, el control de las relaciones agroindustriales y de la captura de porciones muy importantes de la rentabilidad del producto, se concentra en los grandes mayoristas que abastecen los mercados urbanos más influyentes. La cadena de comercialización de la panela se comporta de acuerdo a lo que se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Cadena de Comercialización

Centro regional de estudios económicos de Bucaramanga.

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Cabe señalar, que sigue siendo muy bajo el valor agregado inherente al producto, por ejemplo, en lo pertinente al empaque de la panela, el mismo se realiza con algunos problemas de higiene, de igual manera la diversificación de la presentación apenas se comienza a implementar. Esto y el bajo control de la calidad del producto están en la base de la escasa penetración a mercados urbanos y del estancamiento del consumo. Una de las problemáticas del sector consiste en establecer acuerdos constantes y responder de forma concertada y oportuna a las variaciones intempestivas del mercado. Si entre los productores directos existe un grave problema de organización gremial y de ausencia de formas asociativas, este asunto es aún más crítico en la cadena de comercialización.

1.5 MERCADO INTERNACIONAL En el mundo cerca de 30 países producen panela, siendo Colombia el segundo productor después de la India, con un volumen que representa el 9.2% de la producción mundial registrada por la FAO (1999); mientras que en términos de consumo por habitante, el país ocupa el primer lugar con un consumo promedio de 31.2 Kg. De panela por persona al año, constituyéndose en un rasgo característico de la población colombiana. Según estudios de la FAO en 1999 (último registro disponible), la producción panelera en Colombia se valoró en cerca de $600 mil millones y aportó el 6.7% a la formación del PIB agrícola, ocupando el sexto lugar en importancia dentro de los renglones del sector. La Tabla 3 muestra con que bloques económicos se ha venido exportando la panela colombiana. Tabla 3. Bloques Económicos. Exportaciones de panela. 1994 - 2003

Toneladas

Bloque 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 ALCA

AMERICA CAN G3

NAFTA

1.854 1.854 1.353 1.353 501

2.655 2.655 1.990 1.540 665

774 778 243 243 531

1.157 1.159 522 522 635

730 730 26 26

704

1.178 1.179 185 185 993

4.454 4.454 307 295

3.637

5.118 5.120 3.651 3.649 1.447

3.089 3.090 1.712 1.712 1.356

4.938 5.078 3.469 3.571 1.469

DANE. Observatorio Agrocadenas Colombia. A diciembre 2003.

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1.6 CULTIVO DE LA CAÑA PANELERA El cultivo de caña es una actividad agrícola de gran importancia socioeconómica para Latinoamérica y para Colombia en especial, pues el país ocupa el segundo lugar en extensión después del café. Así, del área total cultivada, el 61% se dedica a la producción de panela, el 32% a la producción de azúcar y el 7% a mieles, guarapos y forrajes. Su cultivo se constituye en sustento de muchos hogares, con predominio de un sistema de explotación tradicional y artesanal, con cierto grado de tecnificación en algunas zonas, acompañado de un manejo agronómico que se ajusta a las condiciones climáticas y geográficas del país. En Colombia, la producción de caña panelera se concentra básicamente, en los departamentos de Santander, Boyacá, Cundinamarca y Antioquia, los cuales absorben más del 50% del total producido, aunque se debe mencionar que en los últimos años el cultivo ha perdido importancia, debido a los bajos precios de la panela, la sobreproducción de caña y los productos sustitutos, entre otros factores. La Tabla 4 muestra la producción de caña panelera a nivel nacional y departamental desde 1995 al 2002.

Tabla 4. Producción de caña panelera 1995 – 2002

Toneladas

Año 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Nacional 1.254.779 1.251.751 1.289.515 1.309.679 1.301.946 1.301.503 1.434.828 1.587.893

Santander Boyacá Cundinamarca Antioquia Nariño Caldas Norte de Santander Otros

191.435 181.742 225.052 152.759 110.844 32.788 46.480

313.679

200.524 174.947 220.756 138.271 122.122 33.078 48.940

313.113

195.987 191.889 220.000 147.762 117.368 41.635 56.801

318.073

240.998 285.048 181.423 139.834 76.203 40.939 52.262

292.972

196.578 287.577 207.038 149.024 80.227 40.715 43.267

297.520

219.523 240.052 207.179 144.655 70.007 45.657 41.430

333.000

291.996 229.429 219.711 144.198 99.189 45.073 45.207

360.025

318.744 267.931 245.616 153.516 134.602 59.274 44.203

364.007

Anuario Estadístico del sector Agropecuario. 2002 En Colombia se estiman aproximadamente unas 240.000 hectáreas de tierras dedicadas al cultivo de la caña panelera, la cual se encuentra dispersa en muchas regiones del país, en alturas comprendidas entre el nivel del mar y los 2.000 metros sobre el nivel del mar. Sin embargo, es en la región Andina y en los Valles Interandinos, donde más se concentra el cultivo y donde existe el mayor número de productores que aportan más del 90% de la producción panelera del país. En la Tabla 5, se muestra en hectáreas la superficie cosechada de caña panelera a nivel nacional y departamental desde el año 1995 al 2002.

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Tabla 5. Superficie cosechada de caña panelera

Hectáreas Año 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Nacional 212.446 209.011 213.453 210.473 213.562 214.582 222.204 243.118

Santander Boyacá Cundinamarca Antioquia Nariño Caldas Norte de Santander Otros

16.104 13.123 52.474 37.560 14.968 8.088

11.913 58.216

16.227 11.916 52.264 35.223 15.552 8.376

13.186 56.267

16.695 13.642 52.300 36.572 15.381 9.248

13.781 55.834

18.241 20.991 45.529 35.412 10.300 11.470 13.622 54.908

16.038 20.639 49.512 37.374 10.412 11.885 11.264 56.438

18.399 17.308 50.010 37.148 9.447

13.574 10.514 58.182

20.891 17.046 49.625 37.388 12.726 13.254 10.647 60.627

21.593 19.112 58.234 37.915 16.663 15.268 10.311 64.022

Anuario Estadístico del sector Agropecuario. 2002 Cabe señalar, que los rendimientos obtenidos por hectárea cosechada son muy diversos en cada una de las regiones donde se siembra este cultivo, debido a las diferencias que se presentan en los contextos socioeconómicos y tecnológicos en que se desarrolla la producción. Es así como, los departamentos de Santander, Boyacá, Huila, Quindío, Bolívar y Nariño presentaron rendimientos por hectárea, superiores al promedio nacional que en 2001 fue de 6.4 toneladas métricas por hectárea -Tm/ha-. Las cifras contenidas en la tabla 5, permiten establecer que el área en cultivo de caña panelera aumentó durante toda la década de los noventa, al pasar de 212.446 hectáreas en 1995 a 243.118 hectáreas en 2002. A partir de 1995, el crecimiento parece haberse desacelerado, al registrar avances leves, aunque se recupera nuevamente en 2001. No obstante, la producción no se vio afectada en la medida en que los rendimientos por hectárea crecieron en forma importante, pasando de 5.5 Tm/ha. en 1990, a 6.5 Tm/ha., en 2001. De igual manera, la caña participó con el 9.7% del área destinada a cultivos permanentes y con el 5.7% del área total cultivada en Colombia, que la ubica en el quinto lugar entre los cultivos del país, solamente superado por café, maíz, arroz y plátano. La Figura 4 relaciona el porcentaje de superficie sembrada de caña panelera y los rendimientos por hectárea en los principales departamentos del país y hace resaltar la importancia en zonas como Santander y Boyacá que aunque la superficie sembrada no es la mayor, los rendimientos que se muestran son muy altos, factor que se debería tener mas en cuenta al momento de fomentar zonas aptas para los cultivos de la caña panelera.

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Figura 4. Producción de caña panelera en algunos Departamentos. Superficie sembrada y rendimientos por hectárea.

Anuario Estadístico del sector Agropecuario. 2002 A continuación la Tabla 6 muestra el rendimiento obtenido en caña panelera a nivel nacional y departamental desde el año 1995 hasta el 2002. Tabla 6. Rendimiento obtenido en caña panelera 1995 - 2002

Kilogramos/Hectárea Año 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Nacional 12.108 12.179 12.616 12.054 12.044 12.928 11.872 13.176

Santander 11.887 12.357 11.739 13.212 12.257 11.931 13.977 14.761 Boyacá 13.849 14.682 14.066 13.580 13.934 13.869 13.459 14.019 Cundinamarca 4.289 4.224 4.207 3.985 4.182 4.143 4.427 4.218 Antioquia 4.067 3.926 4.040 3.949 3.987 3.894 3.857 4.049 Nariño 7.405 7.852 7.631 7.398 7.705 7.411 7.794 8.078 Caldas 4.054 3.949 4.502 3.569 3.426 3.364 3.401 3.882 Norte de Santander

3.902 3.712 4.122 3.837 3.841 3.940 4.246 4.287

Anuario Estadístico del sector Agropecuario. 2002 Para el año 2001, la caña panelera contribuyó con el 3.2% del valor de la producción de la agricultura sin café y con el 1.8% de la actividad agropecuaria nacional, ocupando el puesto 11 en contribución al valor de la producción, superando a cultivos como el maíz, arroz seco, cacao, fríjol, sorgo, plátano de exportación, tabaco, algodón, soya, trigo y cebada, entre otros.

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El cultivo de caña en Santander. La historia del cultivo de caña en el departamento de Santander, se remonta al año 1939, época en la cual un buen número de campesinos santandereanos derivaron su sustento de la venta de panela, que se elaboraba de manera rústica en viejos trapiches. Muchas tierras de Bucaramanga, Piedecuesta, Rionegro, Floridablanca, Girón y especialmente la zona conocida como la Hoya del Río Suárez, en donde convergen municipios del Sur de Santander y el norte de Boyacá, se cultivaron con caña. De hecho, en esta última zona se estima una producción que oscila entre 45.000 y 60.000 hectáreas sembradas. En la Tabla 7, se muestra la producción de caña panelera tradicional y tecnificada en el Departamento de Santander y sus principales municipios desde el año 1998 hasta 2003. Tabla 7. Santander. Principales municipios y producción de caña panelera tecnificada y tradicional

Tecnificada Toneladas Municipio 1998 1999 2000* 2001 2002 2003 Barbosa 4.375 4.320 4.320 4.800 5.280 5.100 Chipatá 11.590 11.400 11.760 7.800 7.930 9.360 Guapotá 3.000 6.200 4.000 6.300 6.400 n.d. Guepsa 30.000 30.180 24.060 n.d. n.d. 64.243 Mogotes 6.125 5.625 5.250 3.696 9.280 10.200 Oiba 5.600 6.300 5.600 7.425 5.400 14.000 San Benito 16.848 17.490 13.717 29.160 33.750 31.350 Socorro 11.000 5.698 5.500 10.946 11.284 8.970 Suaita 58.000 20.800 58.000 84.000 72.000 66.500 Vélez 9.121 6.538 6.649 8.877 9.395 9.984

Tradicional

Toneladas Municipio 1998 1999 2000* 2001 2002 2003 Ocamonte 15.600 17.550 18.630 2.488 2.488 4.000 Gambita 8.943 4.471 4.727 2.860 6.500 n.d. La Paz 6.000 6.000 6.240 4.400 4.800 11.875 Hato 6.000 5.450 6.000 n.d. n.d. 7.420 Páramo 5.850 7.800 1.200 n.d. n.d. n.d. Guadalupe 5.850 6.110 4.550 4.615 1.235 n.d. Palmas del Soc

5.160 4.800 4.980 n.d. n.d. n.d.

Confines 3.300 4.800 9.000 n.d. n.d. n.d. Aguada 2.600 2.600 5.811 1.500 1.650 2.180 Charalá 2.500 3.500 1.500 n.d. n.d. n.d.

* Pronósticos n.d.: Información no disponible. Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural. Grupo de Evaluación Sectorial. Umata's. Santander.

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Con base en lo anterior, se puede establecer una división entre aquellos municipios del Departamento, dedicados a la producción de caña tecnificada, entre los que sobresalen Suaita, Guepsa y San Benito y los de caña panelera tradicional, en donde se destacan, La Paz, con una producción en 2003 de 11.875 toneladas y Hato con 7.420 toneladas, en el mismo año, a los que se suman los municipios de Gambita, Guadalupe y Aguada.

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2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL DE PRODUCCIÓN DE PANELA EN

LA LAGUNA DE ORTICES. La figura 5 ilustra el diagrama del proceso actual de producción de panela en la zona de Laguna de Ortices. Figura 5. Diagrama Proceso

Francisco Ramírez, Autor

27

El Molino se mueve debido a la fuerza que produce el motor, transmitida mediante una correa o banda que está conectada entre ellos. Pasa la caña a través del molino la cual es triturada y se obtiene bagazo que es llevado a almacenes para secado solar, mientras el jugo de la caña pasa a través de una tubería que lo lleva hasta el Pozuelo 1 mostrado en la figura 5. Se deja llenar el pozuelo con el jugo de la caña y se procede a limpiarlo. Este proceso de limpieza se logra por medio de calentamiento y adicionando balso líquido, lo cual hace salir a la superficie impurezas como el bagacillo y de este modo se retira. El proceso de limpieza se da en una primera fase que consta de tres pailas:

1. Pozuelo, en esta marmita se extrae el bagacillo. 2. Fondo 2, aquí se agrega balso, que es una especie de corteza que hace

que la cachaza emerja; igualmente en estos tres pasos se aumenta la temperatura.

3. Fondo 3, a medida que se acercan las pailas a la hornilla se obtiene más temperatura, acá como en el fondo 2, proceso de clarificación, se le sacan las ultimas impurezas para poder enviarlo para la preparación de la miel.

Al terminar la fase de Limpieza el jugo se pasa a una caja de transporte que lo lleva por medio de tuberías hasta la paila número 4 que, como se puede ver en la figura 5, es la que mayor temperatura muestra por estar en toda la entrada de la hornilla. El proceso para la producción de panela tiene una segunda Fase que consta de tres pailas:

1. Fondo 4, Evaporación, acá se le extrae una gran parte del agua para darle concentración.

2. Fondo 5, Concentración, esta paila está más retirada de la hornilla, esto es

para efecto de no quemar el liquido que se esta tratando.

3. Fondo 6, Punteo, acá se tiene el jugo de caña concentrada y se espera hasta tener el punto la cual la miel al batir la podemos convertir en panela.

Terminada la fase de la miel se pasa a una canoa para que sea batida y sea enfriada para después pasarla a unos moldes de madera para el fin de este proceso y la obtención de panela con altos contenidos de Vitaminas C, Hierro y Calcio.

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Ahora por el lado del bagazo, después que esté seco, se lleva a una cámara de almacenamiento ubicado al lado de la hornilla para que sea quemado y obtener las temperaturas para este proceso. Se necesitan de 180-200 Kg. de Bagazo para producir 120 Kg. de Panela. Este es el proceso que se tiene en el momento para la Planta en la cual se desarrolla este estudio, y así como ésta, la gran mayoría emplea esta forma de producción la cual es denominada “Artesanal”, por que no cuenta con sistemas de medidas ni controles los cuales hagan más eficiente la producción. 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA ZONA Y DE LA INFRAESTRUCTURA EN LA LAGUNA DE ORTICES. En el Departamento de Santander, Provincia de García Rovira, Municipio de San Andrés Corregimiento de Laguna de Ortices, se encuentra una zona de aproximadamente 350 hectáreas de cultivo con una producción de 120Ton/Ha de caña de excelente calidad. El Municipio de San Andrés esta situado al Nororiente del Departamento y al Nororiente del País, con una temperatura media de 20 grados centígrados y a una distancia de 104 kilómetros de la ciudad de Bucaramanga por carretera destapada y el proyecto está ubicado a 25 kilómetros al sur del casco urbano del municipio. Este corregimiento cuenta con energía eléctrica, acueducto, alcantarillado, puesto de salud, teléfono, centros educativos, parroquia, vías carreteables a todos los municipios de la provincia y Bucaramanga. El Corregimiento de Laguna de Ortices deriva su nombre de su Laguna Natural, cuyo espejo de agua ocupa un área de 26 hectáreas, y es una de las más bellas del departamento, rodeada de extensos y hermosos cañaduzales, plantados en suelos ricos en humus, fósforo, caliza y otros componentes aptos para el cultivo de la caña de gran calidad para la panela. La fotografía 1 permite tener un panorama de lo que es la zona de la Laguna de Ortices.

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Foto 1. Corregimiento de Laguna de Ortices

Francisco Ramírez, Autor La Industria panelera la cual se está estudiando, creada en 1970, es un claro ejemplo de economía y aprovechamiento de Biomasa, específicamente del Bagazo de la Caña de Azúcar. Este trapiche al igual que todos los de esta región, no esta tecnificado, además, su infraestructura es rudimentaria, lo que complica de alguna forma obtener altas eficiencias, ya que no se cuenta tampoco con sistemas de medición. La fotografía 2 muestra como es la infraestructura de los trapiches en la zona de Laguna de Ortices. Foto 2. Infraestructura Trapiche

Francisco Ramírez, Autor

30

La foto 3 muestra las instalaciones y condiciones en que se produce la panela en

La foto 4 muestra cómo es la hornilla para quemar bagazo y el calentamiento a

para quema de bagazo y alentamiento a fuego directo

el trapiche artesanal de la Laguna de Ortices.

oto 3. Proceso de producción artesanal F

Francisco Ramírez, Autor

fuego directo.

Foto 4. Hornilla c

Francisco Ramírez, Autor

31

2.2 RECURSOS UTILIZADOS EN EL PROCESO DE PRODUCCION DE

siguiente manera:

mulas para un total de 16 mulas (Transporte

)

an la canoa, platonean, baten la miel y la llevan a las

l 1 tilizada proviene de cultivos de los alrededores del trapiche.

PANELA EN EL TRAPICHE DE LA LAGUNA DE ORTICES.

La empresa genera 31 empleos, los cuale se distribuyen de las

9 Corteros (Cortan la caña) 8 Alzadores, cada uno con 2

de la caña hasta el trapiche) 2 Marca caña ( Acomodan la caña que llega a el trapiche) 2 Bagaceros ( Transportan el bagazo a su lecho de secado 3 Prenseros

s 2 Relimpiadore 2 Corinches ( Rasp

gavetas) 1 Atizador ( Encargado de mantener el horno con bagazo para la

combustión) 1 Cocinera

E 00% de la caña u

omponentes de la PlantaC a Planta de producción dL e panela se encuentra conformada de la siguiente

o de la caña. ones.

Tam é

un consumo de 6316

e tomaron establecen que la temperatura a la

ron obtenidos a través de mediciones realizar en la planta,

manera: Un motor de 18 HP a 220 v Trifásico el cual es el encargado de mover el

trapiche que tritura la caña de azúcar. Un trapiche marca Panelero de referencia R-14 6 Pailas encargadas de la limpieza y punto del jug Y además cuenta con una planta de ACPM para efectos de apag

bi n se debe tener en cuenta los siguientes aspectos:

El motor más la iluminación que posee la planta, tiene Kwh/mes, que multiplicado por el precio de la energía eléctrica de la zona ($285 Kw/h), factura $1’800.000 al mes.

or la parte térmica, los datos que sPcual el jugo debe estar, oscila entre los 100C y 120C, para que exista la evaporación del agua del jugo, adicional de que debe estar aproximadamente 35 minutos en los fondos. os anteriores datos fueL

y de información suministrada directamente por los trabajadores del trapiche.

32

3. COGENERACIÓN A PARTIR DEL BAGAZO DE CAÑA PANELERA.

3.1 DESCRIPCIÓN TEÓRICA

Conceptos Básicos de la Cogeneración.1 La Cogeneración es un viejo concepto de ingeniería, cuyo objetivo al combinar la producción de energía eléctrica y de energía térmica en un solo proceso, es obtener una mejor utilización de los recursos, con respecto a la producción de los mismos productos energéticos mediante procesos separados. La Figura 6 ilustra la comparación entre el cogenerador y el sistema convencional.

Figura 6. Sistema Convencional vs. Cogenerador.

www.gva.es. Ahorro Energético. ¿Qué es Cogeneración? El concepto de la cogeneración se basa en una racionalidad termodinámica, económica y ambiental. Niveles mayores de eficiencia en los procesos eléctricos y térmicos de una industria, implican reducciones importantes en el consumo de energéticos primarios, con grandes beneficios como menores costos de producción y minimización del impacto ambiental. En Colombia las plantas de cogeneración representan apenas del orden del 2% de la energía total consumida, índice que no alcanza a llegar al 5% si agregamos las plantas de autogeneración existentes. 1 Informe Especial, Aspectos Básicos de la Cogeneración, www.mundoelectrico.com

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La cogeneración puede aplicarse a cualquier tipo de instalación, basta con que el usuario tenga necesidades térmicas (vapor, agua caliente, gases calientes, frío, etc.) mediadas / altas durante un periodo de tiempo prolongado (más de 5000 horas / año), o bien produzca combustibles residuales o afluentes térmicos de suficiente nivel.

Se puede aplicar a diferentes sectores, pero el industrial es el que cuenta con mayores oportunidades para implantar esta tecnología debido a su utilización en todo tipo de industrias que necesiten vapor, agua caliente, gases calientes, etc., con el suficiente nivel de demanda.

La figura 7 ilustra el modelo básico conceptual de los sistemas de cogeneración. Figura 7. Modelo Básico Conceptual de los Sistemas de Cogeneración

Energía Primaria Gas, Carbón, Diesel,

Fuel Oil, Biomasa

Sistema de Cogeneración

Energía Eléctrica

Energía Térmica

Pérdidas

Informe Especial, www.mundoeléctrico.com La entrada al sistema de cogeneración es un energético primario como el gas natural, el carbón, cualquier combustible líquido, o la biomasa y la salida del sistema es energía eléctrica y energía térmica, ya sea para usos directos en calentamiento o enfriamiento o para usos mediante procesos de vapor. La energía perdida al final del sistema de cogeneración es muy baja, entre un 5% y un 20%, por lo que el sistema es muy atractivo para aquellos usuarios industriales y comerciales que requieren usar en forma intensiva, tanto energía eléctrica como sistemas de calentamiento y enfriamiento. Existen diversos tipos de cogeneración, la Tabla 8 además de mostrar las formas de cogenerar, describe las ventajas y desventajas de cada una de éstas,

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Tabla 8. Ventajas y Desventajas en Sistemas de Cogeneración

TIPO VENTAJAS DESVENTAJAS

TURBINA DE GAS

Amplia gama de aplicaciones.

Muy fiable.

Elevada temperatura de la energía térmica.

Rango desde 0,5 a 100 MW.

Gases con alto contenido en oxígeno.

Limitación en los combustibles

Tiempo de vida relativamente corto

TURBINA DE VAPOR

Rendimiento global muy alto.

Extremadamente segura.

Posibilidad de emplear todo tipo de combustibles.

Larga vida de servicio.

Amplia gama de potencias.

Costo elevado.

Baja relación electricidad / calor.

No es posible alcanzar altas potencias eléctricas.

Puesta en marcha lenta.

MOTOR ALTERNATIVO

Elevada relación electricidad / calor.

Alto rendimiento eléctrico.

Bajo costo.

Tiempo de vida largo.

Capacidad de adaptación a variaciones de la demanda.

Alto costo de mantenimiento.

Energía térmica muy distribuida y a baja temperatura.

Sistema de Cogeneración. Ahorro Energético. www.gva.es

El sistema de cogeneración que se va a emplear en el presente proyecto, es del tipo “turbina de vapor”, ya que en nuestro sector tenemos como residuo de la caña, el bagazo, el cual posee un alto poder calorífico que esta alrededor de los 8500 kJ/Kg y podría ser utilizado como combustible para la producción de vapor y energía eléctrica necesaria para nuestro proceso.

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Ciclos Rankine Ideal y Real2 . El ciclo Rankine IDEAL es el de mayor rendimiento térmico del conjunto de ciclos Rankine, no obstante, ninguno supera al rendimiento de un ciclo de Carnot que opere entre las mismas temperaturas extremas. La diferencia principal de este ciclo, con respecto al ciclo de Carnot, radica en el proceso de trabajo de compresión, que en este caso se inicia como líquido saturado y termina como líquido subenfriado, proceso que consume poca potencia. El ciclo Rankine REAL es similar al ciclo Rankine ideal, la única diferencia claramente visible en un diagrama termodinámico es el proceso de expansión real (proceso 1-2'). También el proceso en la bomba implica un leve aumento de entropía que en la práctica se desprecia. La Figura 8 ilustra el diagrama del proceso ciclo termodinámico.

Figura 8. Diagrama proceso ciclo termodinámico

Ciclos de trabajo, Procesos Termodinámicos

2 Tecnología III, Procesos termodinámicos, Ciclos de trabajo

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TURBINA: El proceso es la turbina es una expansión adiabática, siendo la entropía real en el punto 2 mayor que la entropía ideal (S2”>S2), en la Figura 9 se indican los cálculos respectivos: Figura 9. Diferencias del W ideal y real

Ciclos de trabajo, Procesos Termodinámicos. www.ici.ubiobio.cl En el cual, Mv= masa de vapor

ernointη = Rendimiento interno o isentrópico que considera las irreversibilidades del vapor por roce consigo mismo y con elementos internos de la turbina, lo que provoca un aumento de entropía.

mecánicoη = Rendimiento mecánico, que considera las pérdidas por roce entre partes fijas y móviles de la turbina (ejemplo: roce entre eje y descanso). Estas pérdidas no se observan en el diagrama termodinámico. El WTeje es trabajo mecánico útil que llega al eje de la turbina, producto de la transformación de la energía del vapor en energía mecánica. A su vez, la WTeje se puede utilizar para transformar energía mecánica en energía eléctrica (ej. Turbogenerador) o nuevamente en energía de fluido (ej. Turbocompresor). Cada nueva transformación implica pérdidas que dependen de cada aplicación en particular.

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La potencia desarrollada por la turbina puede ser de unos pocos MW hasta unos 1000 MW en una sola unidad. IMPORTANTE: La humedad máxima del vapor a la salida de la turbina no debe superar el 6 a 10%, pues las gotas de líquido tienen una densidad muy superior a la densidad del vapor, además impactan a alta velocidad a los álabes y le provocan graves daños. CONDENSADOR: Proceso ideal 2-3: Qrech (ideal) = mv * (h2 – h3) Proceso real 2´-3: Qrech (real) = mv * (h2´ - h3) La Figura 10 ilustra un esquema del condensador. Figura 10. Esquema condensador

Ciclos de trabajo, Procesos Termodinámicos. www.ici.ubiobio.cl El proceso de cambio de fase en el condensador ocurre a presión de vacío. Un condensador puede poseer miles de tubos para aumentar el área de transferencia de calor entre el agua de enfriamiento y el vapor. Nótese que en el proceso real la diferencia de entalpía (h 2'- h2) es parte del calor rechazado como consecuencia de las irreversibilidades internas de la turbina, las que no son responsabilidad del condensador. A medida que los tubos y paredes interiores se van ensuciando disminuye la eficiencia del condensador y debe ser sometido a limpieza. Esta disminución de eficiencia no se observa en los ciclos mencionados.

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BOMBA: El Proceso 3-4 = Wcomp = trabajo de compresión que se realiza mediante bombas cuyo proceso se considera aprox. adiabático reversible (S3=S4 y P4>P3). La bomba es una máquina que transforma potencia mecánica (aportada por un motor) en potencia de fluido. Están diseñadas para mover y aumentar la presión a líquidos, con un consumo de potencia relativamente pequeño con respecto a la potencia que genera la turbina del ciclo de trabajo

∫ −⋅⋅=⋅⋅=−⋅== )34(3)34( PPvfmdpvmhhmWbWcomp

Rendimiento de la bomba = 1<Wejebomba

Wbb =η

Este rendimiento tampoco se observa en el ciclo termodinámico. Existen numerosos procesos que utilizan bombas desde menos de 1 kW hasta varios cientos de kW, con distintas configuraciones de geometría, flujo y presión. GENERADOR DE VAPOR

Proceso 4-1: Calor absorbido = Qabs = mv * (h1 - h4)

Este calor es el calor útil que recibe el agua al pasar por el generador de vapor. El agua entra al generador de vapor como líquido subenfriado y aumenta su temperatura (proceso de calentamiento sensible) hasta alcanzar la condición de líquido saturado (estado “a” indicado en el diagrama termodinámico). Luego el agua experimenta un proceso de cambio de fase (calor latente) desde líquido saturado hasta vapor saturado seco. Es un Proceso a temperatura constante (T4=Ta) y presión constante (P4=Pa). Una forma aproximada de evaluar el rendimiento de una caldera es considerar sólo el aporte de energía proveniente del combustible:

Este rendimiento tampoco se observa en forma explícita en el ciclo termodinámico.

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Hay dos grandes grupos de generadores de vapor o “caldera” conocidos como: Calderas pirotubulares o de tubos de humo y Calderas acuotubulares o de tubos de agua.

Las calderas pirotubulares normalmente generan cantidades menores de vapor húmedo o agua líquida caliente y se usan en procesos térmicos como calefacción, calentamiento, secado, humectación que no requieren de turbina. A su vez, las calderas acuotubulares permiten generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado (incluso más de 2.000.000 kg/h) a alta presión y alta temperatura y se usan en plantas térmicas para generar potencia mediante turbinas. En consecuencia, los ciclos que se presentarán a continuación son el fundamento de las plantas térmicas reales y sus configuraciones apuntan a aproximarse al rendimiento térmico del ciclo Rankine IDEAL, siguiendo las directrices de Carnot:

“La temperatura ALTA debe ser lo más ALTA posible”

“La temperatura BAJA debe ser lo más BAJA posible” La temperatura más alta usual para el vapor sobrecalentado es del orden de 550ºC. 3.2 POTENCIAL CALORÍFICO DEL BAGAZO DE CAÑA3

3.2.1 La biomasa de la caña de azúcar como fuente de energía primaria Teniendo en cuenta el potencial de los residuos de cosecha de la caña para la generación de energía eléctrica, a continuación se incluye una serie de conceptos, cifras y definiciones sobre el potencial de la biomasa de la caña de azúcar para la generación de energía eléctrica. El término biomasa, en general, comprende toda la materia orgánica vegetal y animal existente en la tierra en un momento dado. En el ámbito industrial se refiere al conjunto de productos energéticos y materias primas de naturaleza renovable, incluyendo todos aquellos resultantes de su transformación natural o artificial. 3 La biomasa de la caña como fuente de enegía primaria, CENICAÑA, Boletín Trimestral 2003

40

La biomasa se clasifica en diferentes tipos:

1. Biomasa Natural: Es aquella producida por los ecosistemas, leña, carbón, árboles.

2. Biomasa Residual: Comprende, residuos y subproductos generados por la industria humana como la ganadería, agrícola y forestal.

3. Cultivos energéticos: rápido crecimiento y elevada producción de masa vegetal por unidad de superficie plantada siendo su potencial muy superior, al de otras especies.

3.2.2 Composiciones químicas elemental e inmediata Para determinar la potencialidad de un combustible y establecer si está siendo utilizado a su plena capacidad se deben conocer sus características fundamentales, o sea, su composición química y su potencial calórico. Estas características son: composición elemental, composición inmediata y poder calorífico. La composición química de los combustibles determina su estado físico y su poder calorífico o energía térmica disponible al reaccionar como máximo en un 100% con oxígeno (combustión completa). • Composición elemental. La composición elemental de una sustancia es su contenido (porcentaje en masa) de carbono(C), hidrógeno (H), azufre (S), oxígeno (O), nitrógeno (N), humedad (W) y cenizas o material residual (A). Es la característica técnica más importante del combustible y constituye la base para los análisis de los procesos de combustión, entre ellos: cálculo de volúmenes de aire, gases y entalpía; para la determinación del poder calorífico del combustible. La Tabla 9 muestra la composición elemental de Biomasa de varias fuentes caloríficas.

Tabla 9. Composición elemental de Biomasa (en base seca) de varias fuentes caloríficas

Composición elemental (%) TIPO DE BIOMASA C H O N S Cenizas Pino 49.25 5.99 44.36 0.06 0.03 0.30 Eucalipto 49.00 5.87 43.97 0.30 0.01 0.72 Cascarilla de arroz 40.96 4.30 35.86 0.40 0.02 8.34 Bagazo de caña 49.90 5.80 43.00 0.33 0.01 0.80 Cáscara de coco 48.23 5.23 33.19 2.98 0.12 10.25 Tuza de maiz 46.58 5.87 45.46 0.47 0.01 1.40 Ramas de algodón 47.05 5.35 40.77 0.65 0.21 5.89 Residuos de cosecha de caña 48.60 5.90 42.80 0.16 0.04 7.20

CENICAÑA

41

• Composición inmediata. La composición inmediata de una sustancia es el contenido (porcentaje en masa) de carbono fijo, volátiles, humedad y cenizas. Los volátiles tienen un papel importante durante la ignición en las etapas iniciales de la combustión de la biomasa. Tanto en el caso de la composición elemental como de la composición inmediata se debe determinar la humedad de la muestra. Jenkins (1990) citado por Barbosa et al. (1997) realizó una extensa recopilación de datos sobre poder calorífico y análisis inmediato y elemental de 62 tipos de biomasa, algunos de los cuales se incluyen en la Tabla 10.

Tabla 10. Fuente inmediata de biomasa (en base seca) de varias fuentes caloríficas

Composición elemental (%) TIPO DE BIOMASA Volátiles Cenizas Carbón fijo Pino 82.54 0.29 17.70 Eucalipto 81.42 0.79 17.82 Cascarilla de arroz 65.47 17.89 16.67 Bagazo de caña 87.30 0.80 11.90 Cáscara de coco 67.95 8.25 23.80 Tuza de maiz 80.10 1.36 18.54 Ramas de algodón 73.29 5.51 21.20 Residuos de cosecha de caña 73.40 7.5 19.10 83.00 3.0 14.00 68.80 9.50 15.60

CENICAÑA 3.2.3 Poder calorífico. Es la cantidad de calor que se desprende durante la combustión completa de una unidad de masa de combustible. Se mide en Kj/kg. Puede variar ampliamente de acuerdo con el contenido de humedad de la biomasa. El poder calorífico o calor de combustión de un combustible se determina por la medición directa en una bomba calorimétrica del calor generado durante este proceso. Los productos de la combustión dentro de la bomba son enfriados hasta alcanzar la temperatura inicial y el calor absorbido por el medio refrigerante se mide para determinar el poder calorífico superior PCS total o bruto (típicamente conocido como ‘Higher Heating Value’ o HHV). La Tabla 11 ilustra el poder calorífico de biomasa de varios materiales.

42

Tabla 11. Poder calorífico de biomasa (en base seca) de varios materiales Poder calorífico superior TIPO DE BIOMASA (PCS), (Mj/kg)

Pino 120.02 Eucalipto 19.42 Cascarilla de arroz 16.14 Bagazo de caña 19.42 Cáscara de coco 19.04 Tuza de maiz 18.77 Ramas de algodón 18.26 Residuos sólidos urbanos 19.87 Heces de ganado 17.36 Residuos sólidos urbanos 19.06 17.16

CENICAÑA 3.2.4 Efecto de las cenizas en el poder calorífico superior del bagazo de caña. El bagazo de la caña de azúcar utilizado como combustible en la industria azucarera contiene elementos considerados como materia extraña, clasificados como materia extraña mineral y vegetal. La primera está constituida por silicio, magnesio, calcio, sodio, potasio, óxidos de azufre, hierro, entre otros. La segunda, por residuos de cosecha como hojas secas o verdes, cogollos, chulquines, lalas y cepas. Después de la quema del bagazo en las calderas, como resultado de la combustión quedan residuos inorgánicos o cenizas cuya cantidad y composición dependen de los componentes y las características físicas y químicas de la materia extraña. La cantidad y la composición de las cenizas son variables importantes para caracterizar la combustión del bagazo, dado que tienen un efecto significativo en el desempeño de las calderas al tiempo que propician la formación de depósitos de sales y minerales, incrementan la erosión y la corrosión y reducen el coeficiente de transferencia de calor (Magasiner et.al, 2002; Wienese, 2001). Magasiner (2002) introdujo el concepto de “contenido de humedad efectiva”, que consiste en que un incremento en el porcentaje de cenizas en el bagazo trae consigo un incremento aparente en la humedad del combustible. Por ejemplo, un bagazo con una humedad de 53% y unas cenizas de 6% tendrá una humedad efectiva de 55.26%, la cual reduce el poder calorífico superior (PCS) y podría generar problemas durante la combustión (Magasiner et.al, 2002).

43

Lamb y sus colaboradores (1976) también señalan que las cenizas, junto con la humedad y la sacarosa, entre otras variables, afectan el potencial energético del bagazo disminuyendo su poder calorífico superior. En este documento se presenta un avance de los resultados obtenidos al establecer relaciones entre el PCS del bagazo y el contenido de cenizas en un rango entre 2% y 10% (base húmeda), como parte de un proyecto cooperativo desarrollado entre Cenicaña e Incauca con el objetivo de caracterizar desde el punto de vista energético la biomasa de caña utilizada como combustible, tanto bagazo como residuos de la cosecha en verde, en escenarios con contenidos altos de materia extraña mineral y vegetal. La figura 11 muestra el efecto del contenido de cenizas sobre el poder calorífico del bagazo.

Figura 11. Efecto del contenido de cenizas sobre el poder calorífico del bagazo

CENICAÑA Al evaluar el efecto del contenido de cenizas en el poder calorífico superior del bagazo, en términos de un valor en humedad efectiva se encontró, por ejemplo, que un incremento de cenizas (base húmeda), entre 3% y 7% produce, a humedad constante, un efecto similar al incremento en la humedad desde 50% hasta 53.7%, es decir una reducción del poder calorífico superior equivalente al 11% (ver Tabla 12).

44

Tabla 12. Efecto del contenido de cenizas en el PCS del bagazo y su correspondiente humedad efectiva

Humedad (%)

Cenizas (%) base húmeda

PCS (KJ/KG)

Humedad efectiva (%)

50 3 8623 50 4 8401 50.9 50 5 8179 51.9 50 6 7957 52.8 50 7 7735 53.7 50 8 7513 54.7 50 9 7291 55.6 50 10 7069 56.6

CENICAÑA

Desde el punto de vista energético, es necesario reducir la humedad del bagazo como alternativa para contrarrestar el efecto de las cenizas.

La figura 12 muestra la estimación del efecto del contenido de cenizas en el poder calorífico del bagazo con diferentes porcentajes de humedad.

Figura 12. Estimación del efecto del contenido de cenizas en el PCS del bagazo con diferentes porcentajes de humedad

CENICAÑA

45

3.3 ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO DE COGENERACIÓN. Se desarrolla el siguiente modelo de planta de cogeneración, debido a que por su flexibilidad, es el que más se adecua al trapiche de la zona en estudio. Aunque la producción de panela varíe, la potencia entregada por la turbina no se verá afectada, siempre estará en el mismo rango. Para poder determinar el tipo de operación y variables a utilizar, se ha realizado una modelación termodinámica la cual permite de acuerdo con los datos suministrados, ejecutar los cálculos correspondientes a las ecuaciones y de esta forma hacer la selección de los equipos. Por ejemplo, para baja producción de panela, las líneas de vapor se deben utilizar en su totalidad, debido a que se necesita que pase la mayor cantidad de vapor por la turbina para mantener la potencia. De esta forma y para que el proceso de producción no se vea afectado, se le hace a la turbina una extracción que permite llevar vapor a proceso, y también, una extracción adicional para hacer un precalentamiento al agua de entrada a la caldera, la cual su influencia se ve en la disminución de bagazo a quemar, para alcanzar la temperatura deseada. A diferencia de lo anterior, para alta producción de panela, no tendría significado hacer la extracción para la turbina y para el precalentamiento, ya que las temperaturas se nos elevarían por encima de los límites obtenidos en los materiales con que fueron realizados los equipos. La válvula de cierre que está ubicada a la entrada del proceso de producción, se emplea para dos aspectos:

1. Como control de paso de vapor 2. Para cerrar la entrada de vapor al proceso y solamente producir energía

eléctrica. A continuación, en la Figura 13, se muestra la planta de cogeneración con todas las líneas de vapor y los equipos a utilizar.

46

Figura 13. Esquema general del proceso termodinámico de Cogeneración

C.A.A.Cerrado

Bomba 1Bomba 2

Bomba 3

Cámara demezclado

Bagazo

CalderaProceso

Válvula decierre

Turbina

Condensador

3

41

2

5 6 7

8

911

13

10

1214

15

Francisco Ramírez, Autor 3.4 MODELACIÓN DEL PROCESO TERMODINÁMICO. La siguiente modelación se hace en base a dos casos que se pueden presentar:

1. Proceso de calentamiento a carga máxima. 2. Proceso de calentamiento con válvula totalmente

cerrada. 3.4.1 Proceso de calentamiento a carga máxima

• Balance de masa para los puntos 1, 2, 3, 5, 6, 7.

47

⋅⋅⋅⋅⋅

+++= 76531 mmmmm y ⋅⋅⋅⋅

++= 7652 mmmmDe esta forma se define que: m2 = 0.8 m1m5 = 0.2 m1m6 = 0.3 m1m7 = 0.3 m1m3 = 0.2 m1 Después del balance de masa realizado, se podrá comenzar el análisis del proceso.

• Diagrama T-S El diagrama T-S proporciona un panorama más amplio en lo que respecta al proceso energético general, la zona aprovechable de trabajo y además facilita el análisis particular de los elementos que la conforman.

• Análisis general del proceso termodinámico. El análisis comienza en la turbina, por ser ésta uno de los elementos más importantes dentro del proceso.

48

TURBINA

El balance de energía de la turbina es el siguiente:

)()')(()( 7'676576522 hhmhhmmhhmWt

t−+−++−=

⋅⋅⋅⋅⋅

η

76

76

65

65

52

52

'''

'''''

hhhh

hhhh

hhhh

t−−

=−−

=−−

=η

Todo se deja en función de la que es la masa de vapor total que circula por toda la planta.

⋅1m

)'(3.0)'(5.0)(8.0 761651521 hhmhhmhhmWt

t−+−+−=

⋅⋅⋅⋅

η

Si se tiene en cuenta la eficiencia del generador, no todo el trabajo producido por la turbina será aprovechado, de manera que:

AtGt WW⋅⋅

=η Donde,

=tη Eficiencia en la turbina

Gη = Eficiencia en el generador ⋅tW = Potencia producida por la turbina.

AtW⋅

= Potencia aprovechable o entregada por el generador También se tiene en cuenta que es una mezcla vapor líquido, entonces: 7h

49

LV

L

hhhhY

−−

='7 y

LV

L

SSSSY

−−

='7

CONDENSADOR El condensador se encarga de llevar el agua de alimentación que circula a través de éste a condiciones de líquido saturado, con el fin de evitar la cavitación de la bomba y aumentar la eficiencia de la planta.

El condensador se encarga de retirar calor del líquido, así que el balance queda:

)'(3.0)'( 871877 hhmhhmQC −=−=⋅⋅⋅

La potencia que requiere el condensador para realizar este proceso es mayor, así que se considera una eficiencia del mismo para calcular la potencia que se le debe entregar.

))(( CCC PQ η=⋅

Donde:

CP = Potencia entregada

Cη = Eficiencia del condensador.

50

BOMBA 1

Bomba 1

89

La bomba 1 aumenta la presión hasta lo necesario en la caldera, de modo que se tiene lo siguiente:

)'(3.0 891 hhmW Ib −=⋅⋅

Donde '9h

89

89

' hhhh

b−−

=η

Entonces

b

bhhhhη

η )(' 8899

+−=

La potencia suministrada a la bomba esta dada por:

IbbSBI WP⋅

=))(( η

CALENTADOR

C.A.A.Cerrado

9

610

11

En el calentador de agua de alimentación de tipo cerrado, se eleva la temperatura del fluido en un proceso Isobárico, el balance de energía esta dado por:

51

)'()( 91171066 hhmhhmCAA −=−⋅⋅

η

)'(3,0)(3,0 91111061 hhmhhmCAA −=−⋅⋅⋅

η

Donde es igual a la entalpía de líquido saturado a la presión de la extracción 6. 10h BOMBA 2

Bomba 2

1013

La bomba 2 se encarga de llevar a la presión de entrada de la caldera el líquido utilizado en el calentador y su descripción matemática es semejante a la hecha en la bomba 1.

)'(3,0 10131 hhmW IIb −=⋅⋅

1013

1013

' hhhhb

−−

=η

b

b hhhhη

η )(' 10101313

⋅+−=

Y la potencia consumida es:

IIbbSBII WP⋅

=⋅η

Antes de analizar la cámara de mezclado, se tomará el proceso, ya que cobra importancia en el desarrollo de la cámara.

52

PROCESO

Proceso

Válvula decierre

3

4

5

12

La válvula disminuye la presión para igualarla a la de la extracción en 5 de manera isoentálpica. El proceso que se efectúa es una liberación de calor que se utilizará para calentar la panela; Esto se hace con intercambiadores de calor y su descripción matemática es:

)'()( 12551244 hhmhhmQp

panela−+−=

⋅⋅⋅

η

)'(2,0)(2,0 12511241 hhmhhmQp

panela−+−=

⋅⋅⋅

η

12h es igual al líquido saturado a presión de extracción 5.

)(' 5225 hhhh p −−= η

pη = Eficiencia del proceso. ⋅

panelaQ = Calor necesario para la panela. Del balance de masas se tiene:

⋅⋅⋅+= 5412 mmm

⋅⋅⋅+= 1112 2,02,0 mmm

112 4,0 mm =⋅

A continuación se encuentra la bomba III, la cual elevará la presión hasta igualarla con la de la cámara de mezcla.

53

BOMBA 3

)'(4,0 12141 hhmW IIIb −=⋅⋅

1214

1214

' hhhh

b−−

=η

b

b hhhhη

η )(' 12121414

⋅+−=

b

IIIbSBIII

WPη

⋅

=

CÁMARA DE MEZCLADO

En esta cámara como su nombre lo dice, se realizará la mezcla de los fluidos provenientes de las 3 líneas para luego entrar a la caldera y recomenzar el proceso completo. El balance de energía muestra lo siguiente:

)'(3,0)(3,0)'(4,0)( 131111141151 hmhmhmhm⋅⋅⋅⋅

++=

Simplificando,

'3,03,0'4,0 13111415 hhhh ++=

54

Por último se encuentra la caldera donde a través de la combustión del bagazo se elevará la temperatura del agua de alimentación del balance de energía. CALDERA

)( 1511 hhmQm calHVf −=⋅⋅⋅⋅

η

Donde, ⋅fm = Flujo de bagazo en la caldera

HVQ = Poder calorífico del bagazo

calη = Eficiencia de la caldera

Con esto se da por terminado el análisis para la planta con el proceso de calentamiento de la panela a carga máxima. 3.4.2 Proceso de calentamiento con válvula totalmente cerrada A continuación se pasa al otro caso extremo, que es cuando la válvula se encuentra totalmente cerrada, que seria para dar una carga del proceso mínima. Como la válvula esta cerrada, el 20% de la masa se redistribuirá así:

• Balance de masa redistribuida ⋅⋅

= 15 3,0 mm ⋅⋅

= 16 35,0 mm ⋅⋅

= 17 35,0 mm

55

Donde:

⋅⋅⋅⋅++= 7651 mmmm

• Diagrama T-S De igual forma que en el caso anterior se mostrará el diagrama T-S la cual dará una mayor claridad para el desarrollo.

• Análisis general del proceso termodinámico. TURBINA

El análisis es muy parecido al hecho para el proceso anterior:

)'(35,0)'(7,0)( 7616515212 hhmhhmhhmW

t

t−+−+−=

⋅⋅⋅⋅

η

56

76

76

65

65

52

52

'''

''''

hhhh

hhhh

hhhh

t−−

=−−

=−−

=η

LV

L

hhhhY

−−

='7

LV

L

SSSSY

−−

='7

22⋅⋅

⋅= tGAt WW η

CONDENSADOR

)'(35,0)'( 8718772 hhmhhmQC −=−=⋅⋅⋅

cCc PQ η⋅=⋅

22 BOMBA 1

Bomba 1

89

)'(35,0 8912 hhmW Ib −=⋅⋅

89

89

' hhhh

b−−

=η

Entonces,

57

b

b hhhhη

η )(' 8899

⋅+−=

22 IbSBI WbP⋅

=⋅η

INTERCAMBIADOR DE CALOR

)'(35,0)(35,0 91111061 hhmhhmCAA −=−⋅⋅⋅

η

10h , como ya se dijo anteriormente, es igual a la entalpía de líquido saturado a la presión de extracción 6. BOMBA 2

)'(35,0 101312 hhmW IIb −=⋅⋅

1013

1013

' hhhh

b−−

=η

b

b hhhhη

η )(' 10101313

⋅+−=

⋅=⋅ 22 bIIbSBII WP η

58

PROCESO DE CALENTAMIENTO A MÍNIMA CARGA

Proceso

Válvula decierre

3

4

5

12

)'(3,0)'( 12511255min hhmhhmQ

p

panela−=−=

⋅⋅⋅

η

12h , líquido satura a presión de extracción 5

)(' 5225 hhhh t −−= η

⋅⋅⋅== 1512 3,0 mmm

BOMBA 3

)'(3,0 121412 hhmW IIIb −=⋅⋅

1214

1214

' hhhh

b−−

=η

b

b hhhhη

η )(' 12121414

⋅+−=

59

CÁMARA DE MEZCLADO

'35,035,0'3,0 131111141151 hmhmhmhm⋅⋅⋅⋅

+⋅+⋅=⋅

Simplificando,

'35,035,0'3,0 13111415 hhhh ++=⋅

Para terminar; CALDERA

)( 1511 hhmQm calHVf −=⋅⋅⋅

η

De esta forma se da por terminada la modelación de la planta de Cogeneración. A continuación se muestra un caso resuelto a máxima carga, por el cual se hace un cálculo aproximado para la selección de los motores y equipos.

3.5 CÁLCULOS Las temperaturas máximas que soportan los álabes de las turbinas oscilan entre 480C y 540C, de acuerdo a esta información, se ha procedido a establecer los valores aproximados aceptables para la turbina.

60

08388.0

027.7

3399

4000480

1

1

1

1

1

=

=

=

==

V

SKgKjh

KpasPCT

)

Como el proceso de calentamiento de la jalea es la prioridad; por lo tanto, se debe instalar una válvula de cierre en el punto 2 junto a la entrada de la turbina y la válvula ubicada entre los puntos 3 y 4 debe disminuir la presión hasta la presión de saturación en un proceso isoentrópico para asegurar que la temperatura a la salida de la caldera no supere la limitante de los materiales.

08388.0

027.7

3399

4000480

3

3

3

3

3

=

=

=

==

V

SKgKjh

KpasPCT

)

Para el punto 4 justo después de la válvula que representa una expansión isoentálpica.

1346.0

232.7470

3399

270

4

4

4

4

4

=

==

=

=

V

SCT

KgKjh

barP

)

Para el punto 12, después del proceso, el cual se considera a presión constante ya que no existe ningún tipo de mezcla del pavor con la panela, y las caídas de presión como ya se dijo anteriormente no se considerarán ya que requieren un proceso de diseño que no es el objetivo del presente proyecto.

61

0010697.0

6354.1130

3.546

270

12

12

12

12

12

=

==

=

=

V

SCT

KgKjh

barP

)

El punto 14 queda definido,

6354.1135

4.556

40000

14

14

14

14

==

=

=

SCT

KgKjh

KpasP

Como no existe vapor en las otras líneas la cámara de mezclado se puede obviar y el punto 15 es el mismo 14.

6354.1135

4.556

40000

15

15

15

15

==

=

=

SCT

KgKjh

KpasP

La potencia del proceso está dada por:

5.1796)( 124 =−=⋅

⋅

hhmWprocesov

pη

Para 75.0=pη

39.13475.1796 =⋅=⋅

pWproceso η Evidentemente el proceso no requiere tanta energía así que parte de la masa de vapor se hará circular por la turbina.

62

skgmmm

Wp

skgm

m

ptturbina

proceso

totalvapor

392.0

6.51124.0632.0

39.1347

24.0

632.0

=−=

=×=

=

=⋅

⋅

Otra válvula de cierre se ubicará en la extracción 5, que para esta condición de trabajo restringirá esta línea permitiendo que toda esta masa sea aprovechada en la turbina y la válvula en dos, se convierte en válvula de control de flujo para asegurar este funcionamiento. Un buen diseño de la turbina o en el caso de este proyecto, la buena selección de equipos asegura un aprovechamiento máximo de la energía del vapor. La extracción en 6 para el calentador, será igual al 50% de la masa circulante, y su presión de extracción será igual a 300 Kpas.

27436173.0

141027.7

300

6

6

6

6

6

==

===

hV

CTS

KpasP

)

Para el punto 7:

27216683.0

130027.7

270

7

7

7

7

7

==

===

hV

CTS

KpasP

)

Para el punto 8:

5460010697.0

1306354.1

270

8

8

8

8

8

==

===

hV

CTS

KpasP

)

63

Para el punto 9:

CTSh

KpasP

1326354.1

4.5564000

9

9

9

9

====

Para el punto 10:

4.5610010733.0

54.133672.1

300

10

10

10

10

10

==

===

hV

CTS

KpasP

)

Para el punto 13:

5.573135

672.14000

13

13

13

13

====

hCT

SKpasP

Para el punto 11

52.2083)()(

11

911106

=−=×−

hhhhh CAAη

Esta condición provoca una imposibilidad para la transferencia de calor.

09

6=

⋅

⋅

m

m

El flujo de vapor hacia el calentador es nulo por la línea 6, así que esta parte será suprimida y toda la masa circulará por la turbina; el punto 15 será igual al punto 9 y 14.

64

KwhhmW vturbina 62.212)( 72 =−+=⋅⋅

η El calentador funcionará en caso de baja carga, el proceso y la presión de extracción será definida según un diseño del calentador el cual no es el objetivo de este proyecto. A continuación, en la Tabla 13 se ilustra un resumen de las condiciones en las que se someten los diferentes puntos del esquema. Tabla 13. Condiciones en las que se someten los diferentes puntos

PUNTO T (C) P (Pas) H (Kj/ Kg) V (m3 S (Kj/Kg K)/Kg)

1 480 400 3399 0,08388 7,027 2 480 4000 3399 0,08388 7.027 3 480 4000 3399 0,08388 7,027 4 470 270 3399 0,1346 7,232 5 - - - - - 6 - - - - - 7 130 270 2721 0,6683 7,027 8 130 270 546,3 0,001069 1,6354 9 132 4000 556,4 - 1,6354 10 - - - - - 11 132 4000 556,4 - 1,6354 12 130 270 546,3 0,0010697 1,6354 13 - - - - - 14 135 4000 556,4 - 1,6354 15 135 4000 556,4 - 1,6354

Francisco Ramírez, Autor. En el momento en que el proceso esté trabajando en mínima carga, la línea 5 y 6 entraran a funcionar y la 4 estará completamente cerrada con el objetivo de producir la mayor cantidad de energía para la planta, teniendo en cuenta que el flujo de bajazo en ese momento también disminuye. La presión de extracción en 6 y la masa quedan determinadas por los diferentes puntos de funcionamiento que puede trabajar la planta, lo cual se consigue con un seguimiento de la operación y utilizando el modelo planteado se recalcula. En el momento en que el proceso esté trabajando en mínima carga, la línea 5 y 6 entraran a funcionar y la 4 estará completamente cerrada con el objetivo de

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producir la mayor cantidad de energía para la planta, teniendo en cuenta que el flujo de bagazo en ese momento también disminuye. La presión de extracción en 6 y la masa quedan determinadas por los diferentes puntos de funcionamiento que puede trabajar la planta, lo cual se consigue con un seguimiento de la operación y utilizando el modelo planteado se recalcula. 3.6 SELECCIÓN DE EQUIPOS En este punto se muestran de manera general todos los equipos a utilizar, no sólo de la parte termodinámica, sino también de la parte de la producción de la panela. De igual forma se hace un desglose de los equipos a usar, teniendo en cuenta el diagrama de la planta productora general. 3.6.1 Planta Productora de Panela El diseño propuesto comienza en zona de descarga, donde se tendrán patios diponibles para la llegada de la caña y almacenamiento. En ese mismo lugar estará ubicada la banda transportadora de los molinos que dentro de su recorrido se limpiará por medio de agua caliente con el fin de disminuir las impurezas en el jugo de la caña. El sistema de molinos está ubicado de forma que la caña pase por un primer molino donde se le extrae la mayor cantidad de jugo y la siguiente sirve como exprimidor, no solo extrayendo la mayor cantidad de jugo, sino haciendo que el bagazo salga más seco y se necesite menos tiempo para deshumidificarlo. El bagazo que sale de los molinos es llevado por medio de bandas transportadoras a zonas de secado. Por la parte del jugo, se pesa para efectos de compra y manejar eficiencias, luego por medio de tuberías pasa hasta la zona de clarificación, donde se le extraerá el bagacillo además de impurezas. Las impurezas de la clarificación son llevadas al filtro rotatorio que se encargará de extraer la mayor cantidad de jugo y hacer que el residuo esté seco y libre de humedad. Luego de clarificado el jugo de la caña sigue su recorrido y llega a la zona de preparación de la miel, ahí se encuentran ubicados tres evaporadores que de acuerdo con la necesidad de la quema del bagazo, debe tener cada uno en promedio una capacidad de 2000 litros cada uno. Y luego de evaporado el agua del jugo, se pasa a una zona de reposo, donde se deja que endurezca para ser pasado a la granuladora, ya que de esta manera se va a comercializar nacional e internacionalmente, teniendo en cuenta que por normas internacionales, la panela sólo se puede exportar en cubos o pulverizada.

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Por la parte de la cogeneración, el vapor que sale de la caldera va de la siguiente manera: una parte pasa por la turbina que es la encargada con el generador de producir la energía eléctrica, y la otra parte va para el proceso que sirve para evaporar el agua del jugo y de esta forma obtener la panela. De esta forma concluye el proceso de fabricación de panela, más adelante se dan algunos datos más exactos de lo que corresponde a cada equipo. En la Figura 14, se muestra la planta productora de panela que se propone para el trapiche de la Laguna de Ortices

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Figura 14. Planta Productora de Panela

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Francisco Ramírez, Autor

3.6.2 Equipos a utilizar

• Caldera Acuatubular

En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.

El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta manera, su presión y su temperatura.

El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos

La planta de cogeneración utilizará una caldera de tipo acuatubular de 2275 Kg/h de vapor y va producir una potencia térmica de 1796.5 Kw, estos datos se ven en la Tabla 14:

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Tabla 14. Especificaciones de la Caldera

Producción vapor Kg/h 1500 2000 2500 3000 4000 5000 Características

Potencia térmica kW 1055 1407 1759 2111 2814 3517 Potencia térmica Th/h 908 1210 1513 1815 2420 3025

DIMENSIONES Longitud mm. 4000 4350 4750 4750 5250 5650 Anchura mm. 1820 1960 1960 2110 2260 2410

Altura mm. 2340 2480 2480 2630 2780 2930 Peso Kg. 5100 6000 6700 8000 9700 12300

SERMATEC

Ahí se encuentra el rango que se manejan en las calderas y el precio aproximado de esta es de US $200.000

• Turbina de Vapor

Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor.

El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía.

Las turbinas de vapor se utilizan en la generación de energía eléctrica de origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares. En las aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las

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unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.

La turbina de la planta de cogeneración propuesta en este trabajo, es una turbina con capacidad de producción de 212 Kw, además de las siguientes especificaciones:

Características Temp entrada 480 C Presión 4000 Pa Flujo 1411 Kg/hPotencia 212 Kw

Estos datos han sido extraídos del análisis hecho en la modelación a máxima carga. El costo aproximado del equipo es de US$20.000 aproximadamente.

• Condensador El condensador es un intercambiador de calor en el cual el vapor de evacuación que proviene de la turbina se condensa al ponerse en contacto con una serie de tubos por cuyo interior circula agua fría. El condensador principal es el receptor de calor del ciclo termodinámico y al mismo tiempo provee un medio para recuperar el agua de alimentación y devolverla de nuevo al circuito. En el condensador se transforma el vapor húmedo, isobárica e isotérmicamente, en líquido saturado mediante la remoción de calor. El condensador a emplear es del tipo de Condensación a vacío por agua con un flujo de 1411,2 Kg./h, la razón más importante de utilizar este tipo de condensador es que con agua se puede llegar a un nivel de vacío mayor y aunque aumenta notablemente la eficiencia del sistema se debe tener cuidado con aumentar la humedad del vapor para no hacer que se oxiden los álabes de la turbina. Adicional a lo anterior con la condensación de tipo vacío se logran eficiencias casi del doble a comparación de la condensación a presión.

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Otra de las razonas importantes es que los costos de generación de energía por medio de los condensadores de vacío son muchos menores, a continuación se muestran las Tablas 15, 16 y 17, las cuales aclaran lo que anteriormente se ha dicho:

Tabla 15. Comparación de sistemas de condensación a presión

Unidad Condensación por agua

Condensación por aire

Inversión total, pta 70 80

Consumo de agua, t/h 60 0 Mpta/año -3,0 0

Consumo eléctrico, kW 200 150 Mpta/año -3,6 -2,7

Retorno, años 2,6

Mejora de la competitividad en cogeneración, Diego Fraile Powertec Española S.A

Tabla 16. Comparación de sistemas de condensación a vacío

Unidad Condensación por agua

Condensación por aire

Inversión total , pta Consumo de agua, t/h Mpta/año + aumento de producción -consumo eléctrico, kW Mpta/año

300

200 -40

1.750 +126

625

0 0

-950 -68

Mejora de la competitividad en cogeneración, Diego Fraile Powertec Española S.A

Tabla 17. Coste de producción de electricidad a condensación (pta/kWh)

Coste variable producción a condensación precio de

venta

a presión a vacío llano punta valle

11,0 5,5 9,4 21,0 5,5

Mejora de la competitividad en cogeneración, Diego Fraile Powertec Española S.A

• Intercambiador de Calor de Tipo Cerrado En este caso el intercambiador servirá como un precalentador de agua de alimentación de la caldera, con el fin de disminuir la cantidad de bagazo

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suministrado y alcanzar rápidamente la temperatura deseada; igualmente se presentará un ahorro en el bagazo de tal manera de que se pueda utilizar cuando se tengan producciones altas ya que el funcionamiento ideal del intercambiador se dará cuando la producción es baja y no hay disponibilidad del bagazo para la quema.

• Molinos Se ha pensado en colocar dos molinos en serie para lograr una mayor extracción de la sacarosa, además de agregarle agua mientras esta la caña dentro de los molinos de esta forma garantizar extraer el jugo de la materia fibrosa.

Se piensa que se debe utilizar el primer molino de R-16 que tiene una capacidad de 38000 Kg. de caña por día y se ajustaría a nuestra necesidad, el otro molino podría ser un R-14 ya que por este solo se pasará bagazo y lo que se busca es extraer lo máximo en sacarosa. El precio de estos dos molinos es de US $24.000 y no incluyen los motores. El molino de R-14 necesita un motor trifásico de 18Hp y tiene un costo de US$ 1000; el de referencia R-16 necesita un motor trifásico de 20Hp y tiene un costo de US$ 1300. Los anteriores precios son producto de la información brindada por el almacén El Agrario Nuevo de Bucaramanga.

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• Clarificadores El jugo que se extrae del molino se pesa en básculas, para luego ser calentado con vapor en intercambiadores de tubo y coraza hasta una temperatura de 102-105 ºC y se dispone en tanques clarificadores de 30.000 litros de volumen, donde los sólidos no azúcares floculados por la alcalización y calentamiento se precipitan por gravedad en forma de un lodo llamado cachaza. El jugo clarificado se pasa por tamices finos para remover partículas y se envía hacia los evaporadores.

• Filtración Los Iodos o cachaza contienen azúcar y para retirársela se someten a un proceso de filtración al vacío. Inicialmente a los Iodos se les agrega bagacillo, cal y floculante para aumentar su filtrabilidad, posteriormente se bombean hacia filtros rotatorios al vacío donde se separan los sólidos del jugo resultante. En el filtro se aplica agua caliente con boquillas aspersoras para minimizar la cantidad de sacarosa residual en la cachaza.

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• Evaporación Este es prácticamente el último proceso al que se somete el jugo de la caña, acá se le extraerá el agua que posee el jugo y así se concentra mas la sacarosa. Se cree que se pueden utilizar 2 evaporadores de tipo Roberts cada uno con una capacidad de 2000 litros.

• Granuladora Luego de que la miel se deja reposar, se pasa por una máquina compuesta por unas aspas que se encargan de picar los bloques de panela hasta granularlos. La granuladora deberá tener una capacidad de procesar 4 Toneladas de panela al día. Hasta acá se han definido algunos equipos que posiblemente puedan ser utilizados en la planta No fue posible obtener datos específicos de diseño de varios de los equipos pertenecientes al proceso, lo cual impide en cierta forma proporcionar una información mas precisa de los equipos a utilizar.

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4. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO

Teniendo en cuenta que el presente proyecto se realizó específicamente para la parte de cogeneración, la selección de los equipos correspondientes al proceso de producción se hizo de manera general, identificando únicamente la necesidad eléctrica y térmica de cada uno de ellos, con el fin de realizar los cálculos. Para efectos de cálculos se ha establecido una aproximación de los posibles consumos que los equipos pueden tener, a continuación se relacionan: Granuladora 15Hp Molinos 38Hp Clarificadores 20Hp Filtro purificador 10Hp Bandas transportadoras 30Hp Bombas 15Hp Empacadora 10Hp Deshumidificador 10Hp Iluminación y otros 7Hp Total 155Hp De acuerdo a los anteriores datos, se tiene una potencia instalada de 136 Kw. en la planta propuesta; la potencia que entrega el generador es de 212Kw, lo que quiere decir que se tiene un adicional de 75Kw, los cuales pueden ser utilizados para la venta a la red. Se espera que la planta funcione alrededor de 18 horas al día, 6 días a la semana y 44 semanas al año; los días restantes se supone que la planta se encuentra en mantenimiento. Según el tiempo de funcionamiento que se propuso anteriormente y el costo unitario de energía de la zona ($285Kwh), se obtienen ahorros anuales de $ 185.000.000, únicamente en lo que respecta a autoabastecimiento. La energía sobrante será vendida a la electrificadora en un costo de generación de $70Kwh, debido a que no se estará entregando energía a la red constantemente y la electrificadora no aceptará comprarla al mismo precio de las térmicas que esta alrededor de los $ 82 Kwh. Por otra parte no se debe despreciar la potencia térmica que entrega la planta de cogeneración, la cual es de 500Kw según cálculos realizados.

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De esta manera, según la inversión realizada que se estima sea de la mitad debido a que no se necesita de turbina y de otros componentes eléctricos, e incluyendo costos de mantenimiento y operación, se llega a la conclusión de que la energía térmica debe ser cobrada de la así: Inversión anual____ __ = ______ $100.000.000 ______ = $ 42 Kwh, Potencia Térmica en Kwh año 500Kw*18h*6dias*4sem*11mes pero debido a que el combustible, que es el bagazo, se debe comprar, se estimo un costo de $28 el Kwh de vapor. En resumen son tres las oportunidades de ganancia que se obtienen de un sistema de cogeneración: ahorro en energía eléctrica, venta de la energía sobrante a la red y venta del vapor para el proceso de producción de panela. A continuación, se muestra el análisis económico realizado para este proyecto, teniendo en cuenta que todo el capital de la inversión se ha obtenido por préstamo bancario:

PLANTA DE COGENERACIÓN A PARTIR DE BAGAZO DE CAÑA PANELERA Valor sistema de Cogeneración 1.268.500.000

Valor crédito 1.268.500.000 Tasa de interés (e.a) 15,38%

Plazo (años) 20 Cuota anual 206.931.605

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• Flujo de préstamo.

Plazo Saldo inicial Intereses Amortizacion Cuota Saldo final Año 1 1.268.500.000,00 195.095.300,00 11.836.304,60 206.931.604,60 1.256.663.695,40Año 2 1.256.663.695,40 193.274.876,35 13.656.728,25 206.931.604,60 1.243.006.967,15Año 3 1.243.006.967,15 191.174.471,55 15.757.133,05 206.931.604,60 1.227.249.834,10Año 4 1.227.249.834,10 188.751.024,48 18.180.580,12 206.931.604,60 1.209.069.253,98Año 5 1.209.069.253,98 185.954.851,26 20.976.753,34 206.931.604,60 1.188.092.500,64Año 6 1.188.092.500,64 182.728.626,60 24.202.978,00 206.931.604,60 1.163.889.522,64Año 7 1.163.889.522,64 179.006.208,58 27.925.396,02 206.931.604,60 1.135.964.126,63Año 8 1.135.964.126,63 174.711.282,67 32.220.321,93 206.931.604,60 1.103.743.804,70Año 9 1.103.743.804,70 169.755.797,16 37.175.807,44 206.931.604,60 1.066.567.997,26Año 10 1.066.567.997,26 164.038.157,98 42.893.446,62 206.931.604,60 1.023.674.550,64Año 11 1.023.674.550,64 157.441.145,89 49.490.458,71 206.931.604,60 974.184.091,93 Año 12 974.184.091,93 149.829.513,34 57.102.091,26 206.931.604,60 917.082.000,67 Año 13 917.082.000,67 141.047.211,70 65.884.392,90 206.931.604,60 851.197.607,77 Año 14 851.197.607,77 130.914.192,07 76.017.412,53 206.931.604,60 775.180.195,24 Año 15 775.180.195,24 119.222.714,03 87.708.890,57 206.931.604,60 687.471.304,67 Año 16 687.471.304,67 105.733.086,66 101.198.517,94 206.931.604,60 586.272.786,73 Año 17 586.272.786,73 90.168.754,60 116.762.850,00 206.931.604,60 469.509.936,73 Año 18 469.509.936,73 72.210.628,27 134.720.976,33 206.931.604,60 334.788.960,39 Año 19 334.788.960,39 51.490.542,11 155.441.062,49 206.931.604,60 179.347.897,90 Año 20 179.347.897,90 27.583.706,70 179.347.897,90 206.931.604,60 0,00

• Precios de la comercialización de la energía.

Venta promedio energía eléctrica

361.152 361.152

361.152

361.152

361.152

promedio consumo eléctrico anual en KWh 646.272 646.272

646.272

646.272

646.272

precio actual compra KWh 285 296

307

316

325

precio venta KWh 70 73

75

78

80

Promedio Consumo térmico 2.376.000 2.376.000

2.376.000

2.376.000

2.376.000

Precio estimado de venta de vapor por Kwh

28 29

30

31

32

78

AÑOS 0 1 2 3 4 5 6 Ingresos "CONSUMO DE ENERGÍA POR AÑO * PRECIO DEL kWH" Ahorro por autoabastecimiento de Energía 0 184.187.520 191.555.021 198.259.447 204.207.230 210.333.447 216.643.450 Venta de Energía 0 25.280.640 26.291.866 27.212.081 28.028.443 28.869.297 29.735.376 Venta de Energía Térmica 66.528.000 69189120 71610739 73759061 75971833 78250988 Total 275.996.160 287.036.006 297.082.267 305.994.735 315.174.577 324.629.814 Egresos Costos de operación Mano de obra 25.080.000 24.960.000 24.840.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 Mantenimiento 10.450.000 10.400.000 10.350.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 Total costos de operación 35.530.000 35.360.000 35.190.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 Costos financiación Intereses crédito 195095300 193274876 191174472 188751024 185954851 182728627 Costos deducibles Depreciación 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 Ganancias gravables - 14.629.140 - 1.598.870 10.717.795 22.223.710 34.199.725 46.881.187 Impuestos 3.751.228 7.778.299 11.969.904 16.408.416 Ingreso gravable por venta de activo Impuestos a la utilidad venta de activos Valor en libros de los activos vendidos GANANCIAS NETAS - 14.629.140 - 1.598.870 6.966.567 14.445.412 22.229.822 30.472.772 Depreciación 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000

Costos de inversión Caldera 900.000.000 0 0 0 0 0 0 Turb-gen 200.000.000 0 0 0 0 0 0 Bombas 1.500.000 0 0 0 0 0 0 Condens 100.000.000 0 0 0 0 0 0 Estudio ingenieria 20.000.000 0 0 0 0 0 0 Instalación 20.000.000 0 0 0 0 0 0 Subestación de transformación y sist. De medida 27.000.000 Total costos de inv 1.268.500.000 0 0 0 0 0 0 Credito recibido 1.268.500.000 0 0 0 0 0 0 Amortizaciones 11.836.305 13.656.728,25 15.757.133 18.180.580 20.976.753 24.202.978

FLUJO NETO DE FONDOS - 33.534.555 44.744.402 51.209.434 56.264.831 61.253.068 66.269.794

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7 8 9 10 11 12 13 Ingresos Ahorro por autoabastecimiento de Energía 223.142.754 229.837.036 236.732.147 243.834.112 251.149.135 258.683.609 266.444.118 Venta de Energía 30.627.437 31.546.260 32.492.648 33.467.427 34.471.450 35.505.593 36.570.761 Venta de Energía Térmica 80598518 83016473 85506968 88072177 90714342 93435772 96238845 Total 334.368.708 344.399.770 354.731.763 365.373.716 376.334.927 387.624.975 399.253.724 Egresos Costos de operación Mano de obra 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 Mantenimiento 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 Total costos de operación 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 Costos financiación Intereses crédito 179006209 174711283 169755797 164038158 157441146 149829513 141047212 Costos deducibles Depreciación 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 Ganancias gravables 60.342.500 74.668.487 89.955.966 106.315.558 123.873.781 142.775.462 163.186.512 Impuestos 21.119.875 26.133.970 31.484.588 37.210.445 43.355.823 49.971.412 57.115.279 Ingreso gravable por venta de activo Impuestos a la utilidad venta de activos Valor en libros de los activos vendidos GANANCIAS NETAS 39.222.625 48.534.517 58.471.378 69.105.112 80.517.958 92.804.050 106.071.233 Depreciación 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000

Costos de inversión Caldera 0 0 0 0 0 0 0 Turb-gen 0 0 0 0 0 0 0 Bombas 0 0 0 0 0 0 0 Condens 0 0 0 0 0 0 0 Estudio ingenieria 0 0 0 0 0 0 0 Instalación 0 0 0 0 0 0 0 Subestación de transformación y sist. De medida Total costos de inv 0 0 0 0 0 0 0 Credito recibido 0 0 0 0 0 0 0 Amortizaciones 27.925.396 32.220.322 37.175.807 42.893.447 49.490.459 57.102.091 65.884.393

FLUJO NETO DE FONDOS 71.297.229 76.314.195 81.295.570 86.211.666 91.027.499 95.701.959 100.186.840

80

81

Ingresos

Ahorro por autoabastecimiento de Energía 14

274.437.441 15

282.670.564 16

291.150.681 17

299.885.202 18

308.881.758 19

318.148.210 20

327.692.657 Venta de Energía 37.667.884 38.797.921 39.961.858 41.160.714 42.395.535 43.667.401 44.977.423 Venta de Energía Térmica 99126011 102099791 105162785 108317668 111567198 114914214 118361641

Total 411.231.336 423.568.276 436.275.324 449.363.584 462.844.491 476.729.826 491.031.721 Egresos Costos de operación Mano de obra 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 24.720.000 Mantenimiento 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 10.300.000 Total costos de operación 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 35.020.000 Costos financiación Intereses crédito 130914192 119222714 105733087 90168755 72210628 51490542 27583707 Costos deducibles Depreciación 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 Ganancias gravables 185.297.144 209.325.562 235.522.238 264.174.829 295.613.863 330.219.284 368.428.014 Impuestos 64.854.000 73.263.947 82.432.783 92.461.190 103.464.852 115.576.749 128.949.805 Ingreso gravable por venta de activo 400000000 Impuestos a la utilidad venta de activos 80000000 Valor en libros de los activos vendidos 0

GANANCIAS NETAS 120.443.143 136.061.615 153.089.454 171.713.639 192.149.011 214.642.535 559.478.209 Depreciación 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 60.000.000 Costos de inversión Caldera 0 0 0 0 0 0 0 Turb-gen 0 0 0 0 0 0 0 Bombas 0 0 0 0 0 0 0 Condens 0 0 0 0 0 0 0 Estudio ingenieria 0 0 0 0 0 0 0 Instalación 0 0 0 0 0 0 0 Subestación de transformación y sist. De medida Total costos de inv 0 0 0 0 0 0 0 Credito recibido 0 0 0 0 0 0 0 Amortizaciones 76.017.413 87.708.891 101.198.518 116.762.850 134.720.976 155.441.062 179.347.898

FLUJO NETO DE FONDOS 104.425.731 108.352.725 111.890.936 114.950.789 117.428.035 119.201.472 440.130.311

Después de realizar el flujo de efectivo a 20 años, se calculó el Valor Presente Neto (VPN):

VPN $491.860.567,96 Luego de realizado el análisis económico y teniendo en cuenta que todo el capital como se dijo anteriormente fue en forma de préstamo y la VPN fue de casi de $ 500.000.000 se puede concluir que este sistema puede ser muy rentable, y que si se pudiera hacer una asociación de inversión la ganancias serian mayores.

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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De acuerdo con la información suministrada por los dueños de trapiches, en el corregimiento de Laguna de Ortices se han obtenido rendimientos de 120 Ton de caña por hectárea y en lo que se refiere a rendimiento por producción de panela se tiene una aproximación de 15 Toneladas de panela por hectárea. Estos resultados contribuyen de buena manera a captar la atención de posibles inversionistas que ven en estas tierras oportunidades de productividad y crecimiento, las cuales no han sido aprovechadas por los habitantes de esta zona debido a la falta de información y recursos financieros, aunque la zona es especial y adecuada para invertir en un trapiche tecnificado que proporcione mejores rendimientos y mayor producción para no limitar el mercado al consumo doméstico, sino también para exportarlo a otros países. Cabe resaltar que si se llega a dar el Tratado de Libre Comercio entre Colombia y Estados Unidos, el precio de la panela subirá, debido a las siguientes razones expuestas por el Presidente de la República en el Consejo Comunal en Villeta: “El TLC, en azúcar y panela, al contrario de hacernos daño, nos pueda ayudar, ¿por qué?: Porque si conseguimos una cuota mayor para exportar azúcar al mercado norteamericano eso nos deja de presionar el precio de la panela, nos quita presión en el mercado interno y puede recuperarse algo el precio de la panela. El problema es negociar bien el Tratado para que nos den esa cuota”. 1

A la salida de la turbina el vapor aún viene sobrecalentado, desperdiciando de esta manera un poco de energía, pero esto es necesario para poder mantener el cuidado de la misma, alejando este punto de una calidad de vapor por debajo de 0.95, así que aunque se pierde potencia, se gana protección de los elementos de la turbina. Las cenizas tienen un efecto significativo en el potencial energético del bagazo como combustible de calderas y su efecto es mayor a medida que aumenta el contenido. En condiciones de molienda con altos contenidos de cenizas es necesario reducir hasta el mínimo posible la humedad para compensar la disminución del PCS del bagazo. 1 Alvaro Uribe Velez, Instalación del Consejo Comunal en Villeta Cundinamarca.

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Para contrarrestar la formación de depósitos de sales y minerales en los tubos de las calderas debido al incremento en los contenidos de ceniza, se requieren mejores sistemas de limpieza de la materia extraña mineral incorporada en la caña. Definitivamente cogenerar es una alternativa la cual todas las empresas que puedan optar por esta medida estarían muy satisfechas por su ahorro en energía, además de la eficiencias obtenidas por utilizar vapor en lugar de la llama directa como se hace en la actualidad; pero como este proyecto solo se encaminó a la cogeneración solo se hablarán de los ahorros eléctricos obtenidos por la planta. Anualmente los ahorros por autoabastecimiento son del orden de $185.000.000, el dinero proveniente de la venta de energía sobrante es de $ 25.000.000 anuales y como no se tiene en cuanto aumenta la eficiencia en la producción de panela debido a la utilización del vapor como sistema de calentamiento del jugo, se ha supuesto un costo para la venta del vapor, se espera con estos datos obtenidos en el análisis económico poder obtener recursos financieros para poder pasar a la ingeniería de detalle y poder determinar mas detalladamente las ganancias no solo por la planta de cogeneración sino también por la planta de producción ya que solo la planta de cogeneración planteada en 20 años además de pagarse sola deja unas ganancias de $500.000.000, cifras que al analizarlas y teniendo en cuenta que toda la inversión se hizo de un préstamo, son altas, se podría optar por llamar algunos inversionistas y en lugar de pagar intereses por financiación, podrían destinarse aumentar el tamaño de la planta o para que simplemente aumenten las ganancias. Al momento de dar inicio a la implementación de este proyecto, se debería comenzar por incentivar y motivar no sólo a posibles inversionistas, sino también a la gente de la zona de Laguna de Ortices, con el fin de despertar un interés que permita trabajar a favor del proyecto de cogeneración. Otro de los puntos claves a considerar, es el hecho de realizar una simulación que permita entender las reacciones químicas que ocurren dentro del sistema de cogeneración, ya que la realizada en este trabajo es solamente termodinámica y sería mejor por seguridad entender este factor.

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6. BIBLIOGRAFÍA

ALMACELLAS, José María. Cogeneración en Colombia. Foro de cogeneración como alternativa energética sostenible. Bogotá, abril 2002. BECHARA, Thiago. Cogeneración y sus beneficios para la industria. Presentación de Alstom durante las jornadas técnicas de noviembre 2001, Bogotá. CENGEL. Termodinámica. Mc Graw Hill. Cuarta Edición HUANG, Francis F. Ingeniería Termodinámica: Fundamentos y Aplicación. Compañía Editorial Continental. México. 1994 ENCICLOPEDIA DE LA ENERGÍA. Volúmenes 1 al 7. Publicaciones Marcombo S.A. Barcelona. 1979 UPME. Determinación del potencial de cogeneración en el sector terciario del país. Bogotá, marzo 1998.

UPME. Potencial de cogeneración en Colombia. Bogotá, marzo 1997. WARK, K. RICHARDS, D.E. Termodinámica WYLEN, Van. Fundamentos de termodinámica. Editorial Limusa. MOJICA, Amilcar y PAREDES, Joaquín. El cultivo de la caña panelera y la agroindustria panelera en el departamento de Santander. Centro regional de estudios de Bucaramanga. Diciembre de 2004.

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ANEXO A

Ficha técnica de la agroindustria panelera en Colombia

Consumo 23,9 kg./hab./año primer consumidor mundial Vs la India 10.3 kg/hab./año. Producción Colombia segundo productor:1’274.725 t/año India 9.8 millones t/año Esquema productivo Economía campesina, principalmente. Productores 70.000 productores de caña y 20.000 trapiches Participación PIB Agrícola 6.70% Area cultivada 226.000 ha. Area cosechada 209.948 ha. Producción panela 1’274.725 toneladas/año. Generación de Ingresos US$350 millones Empleos Permanentes 120.000 Alimento básico Para los estratos de ingresos medios a bajos % del gasto en alimentos 1.06 Articulación Dinamiza e integra otras industrias y servicios del sector. Cobertura Se produce en casi todo el país durante todo el año. No hay zafra. Mercadeo Alta demanda interna, alto potencial industrial y para mercados regionales

e internacionales Importancia Nutricional Edulcorante de bajo costo con aporte de minerales y trazas de vitaminas.

Alto consumo en estratos populares.

Rodríguez 1997, CIMPA 1992.

ANEXO B

INFORME DE ANÁLISIS FISICO-QUÍMICO PARA PANELA

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