escuela politÉcnica nacional...dr. rafael andrés soria peñafiel por compartir sus conocimientos y...
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ESCUELA POLITÉCNICA
NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
“EVALUACIÓN DEL POTENCIAL TÉCNICO Y ECONÓMICO DE
PLANTAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA BASADAS EN CALDERAS A BIOMASA Y CICLO RANKINE ORGÁNICO (ORC)
PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA CASCARILLA DE ARROZ EN ECUADOR”
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECANICO
CRIOLLO LEMA ALEX EFRAIN
PINZON CAMACHO ELMER JAVIER
DIRECTOR: D.Sc. RAFAEL ANDRES SORIA PEÑAFIEL
CODIRECTOR: Ph.D. FREDDY ORDÓÑEZ MALLA
Quito, Junio 2018
i
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Alex Efraín Criollo Lema y
Elmer Javier Pinzón Camacho, bajo mi supervisión.
_____________________
D.Sc. Rafael Soria Peñafiel
DIRECTOR DE PROYECTO
_____________________
Ph.D. Freddy Ordoñez Malla
CO-DIRECTOR DE PROYECTO
ii
DECLARACIÓN
Nosotros, Alex Efraín Criollo Lema y Elmer Javier Pinzón Camacho, declaramos
bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido
previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he
consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa
institucional vigente.
_____________________ _____________________
Alex Efraín Criollo Lema Elmer Javier Pinzón Camacho
iii
DEDICATORIA
A mis padres Blanca y Segundo por ser un pilar fundamental a lo largo de mi vida,
a mi sobrino quien llenó de alegría el hogar desde su llegada.
A mis amigos y a todos aquellos que de una u otra manera hicieron posible el
desarrollo de este trabajo.
Alex.
iv
DEDICATORIA
A mis padres por su apoyo incondicional y motivarme en cada momento, realizando no
solo mi sueño sino el sueño de ellos, además de inculcarme valores y compartir sus
experiencias que me han permitido forjar mi espíritu emprendedor, para ellos de todo
corazón, mi especial reconocimiento, además a mis hermanos, tíos, abuelos, que
fueron motivo de inspiración para alcanzar tan anhelada meta.
Javier.
v
AGRADECIMIENTO
A mi madre Blanca, quien ha sido el pilar fundamental a lo largo de mi vida. A mi padre
Segundo quien desde lejos siempre me ha brindado su apoyo, a mi sobrino quien llenó
de alegría el hogar desde su llegada.
Agradezco a mis hermanos Darwin, Patricia y Mariela y a mi amigo Luis quienes me
han brindado su apoyo para seguir adelante.
A los Camaradas por ser un gran grupo de amigos, gracias por todas las experiencias
compartidas.
A todas las personas que formaron parte de mis pasantías en el Oriente, con quienes
formamos una gran amistad, gracias por esos momentos agradables de convivencia y
aprendizaje.
Un agradecimiento especial a mi director Rafael por guiarnos a lo largo del desarrollo
de este trabajo.
A todos los pumpers y amigos con quienes compartimos créditos y momento cansados
pero divertidos, hagamos de este gran video juego un deporte más.
A todas las personas que conocí durante mi paso por la universidad que de una u otra
manera contribuyeron al desarrollo de este trabajo.
Alex.
vi
AGRADECIMIENTO
En esta parte de mi vida quiero expresar mis agradecimientos a mis padres, Elmer
Segundo Pinzón Shunaula y Nelly Janeth Camacho Quiroz por brindarme su guía y
apoyo en cada momento, además de la confianza depositada en mí, a mi abuelita
Leonor María Shunaula Castillo por ser uno de mis pilares fundamentales en mi
formación personal, además de impulsarme dándome el ánimo y la fuerza para seguir
y nunca darme por vencido ante cualquier adversidad en la vida, por medio de sus
sabios consejos, cultivando valores en mí, a mi tía Rosa Isabel Pinzón Zhunaula e
hijos por haberme dado un calor de hogar. Mi sincero y efusivo agradecimiento a la
Escuela Politécnica Nacional del Ecuador por ser una institución forjadora de
profesionales de excelencia tanto en el área científica como técnica, por haberme
dado el placer de pertenecer a ella, a la Facultad de Ingeniería Mecánica por ser el
lugar donde forje mis conocimientos, desarrollé mis habilidades, además de darme la
oportunidad de compartir buenos y malos momentos con un grupo de personas ``Los
Camaradas´´ especialmente con Marco Javier Jaramillo Medina y Darwin Santiago
Velastegui Masapuncho, a la Unidad de gestión de pregrado de la Escuela Politécnica
Nacional, por su abnegada labor administrativa, al director del proyecto. Dr. Rafael
Andrés Soria Peñafiel por compartir sus conocimientos y experiencias para el
desarrollo del proyecto en base a energías renovable, además por su dirección y
amistad, así como la predisposición de su tiempo para solucionar las inquietudes
generadas en el desarrollo del proyecto mi profundo agradecimiento, a mi compañero
de tesis Alex Efraín Criollo Lema por su compresión, paciencia, confianza, dedicación
y apoyo en el desarrollo del proyecto. A las instituciones que colaboraron en la
información requerida para el desarrollo del proyecto, además a Angélica Graciela
Simbaña por brindarme su amistad y consejo desde propedéutico y para finalizar a los
distinguidos catedráticos que impartieron sus conocimientos desde su inicio para mi
formación integral como profesional.
Javier.
vii
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CERTIFICACIÓN ........................................................................................................... i
DECLARACIÓN ........................................................................................................... ii
DEDICATORIA ............................................................................................................ iii
AGRADECIMIENTO ..................................................................................................... v
ÍNDICE DE CONTENIDOS ......................................................................................... vii
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................... xi
RESUMEN ................................................................................................................. xiii
ABSTRACT ............................................................................................................... xiv
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1
Objetivo general .......................................................................................................... 2
Objetivos específicos ................................................................................................. 2
Alcance ........................................................................................................................ 3
Justificación ................................................................................................................ 3
1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 5
1.1. Potencial bioenergético bruto ................................................................................. 5
1.1.1. Cascarilla de arroz en Ecuador.......................................................................... 5
1.2. Potencial bioenergético sustentable ....................................................................... 7
1.3. Potencial bioenergético técnico .............................................................................. 7
1.4. Potencial bioenergético económico ........................................................................ 8
1.5. Ciclo Rankine Orgánico ......................................................................................... 8
1.5.1. Ciclo termodinámico .......................................................................................... 9
1.6. Diferencias, ventajas y desventajas entre el Ciclo Rankine convencional y el Ciclo
Rankine Orgánico ....................................................................................................... 10
1.6.1. Diferencias entre el Ciclo Rankine convencional y el Ciclo Rankine Orgánico . 10
1.6.2. Ventajas y desventajas entre el Ciclo Rankine convencional y el ciclo Rankine
Orgánico ..................................................................................................................... 10
1.6.3. Desarrollo del ORC ......................................................................................... 12
2. METODOLOGÍA .................................................................................................... 14
2.1. Estudio del potencial bioenergético bruto ............................................................. 14
viii
2.1.1. Producción de arroz de arroz a nivel nacional 2014 ........................................ 14
2.1.2. Producción de arroz y cascarilla de arroz a nivel cantonal en las provincias con
mayor producción ....................................................................................................... 14
2.1.3. Energía contenida en la cascarilla de arroz ..................................................... 15
2.2. Estudio del potencial bioenergético sustentable ................................................... 16
2.3. Estudio del potencial bioenergético técnico .......................................................... 17
2.3.1. Selección del fluido de trabajo ......................................................................... 17
2.3.2. Estudio de las tecnologías ORC ...................................................................... 20
2.3.3. Empresas que desarrollan las tecnologías ORC en el mundo ......................... 20
2.3.4. Selección de los equipos ................................................................................. 24
2.3.5. Análisis termodinámico .................................................................................... 26
2.4. Estudio del potencial bioenergético económico .................................................... 41
2.4.1. Costos del proyecto ......................................................................................... 41
2.4.2. Financiamiento ................................................................................................ 43
2.4.3. Ingresos .......................................................................................................... 43
2.4.4. Rentabilidad económica .................................................................................. 49
2.4.5. Valor Actual Neto (VAN) .................................................................................. 51
2.4.6. Tasa Interna de Retorno (TIR) ......................................................................... 52
2.4.7. Tiempo de recuperación de una inversión ....................................................... 53
2.4.8. Relación costo beneficio (I. R.) ........................................................................ 54
2.4.9. Costo nivelado de la energía (LCOE) .............................................................. 55
3. RESULTADOS Y DISCUSION............................................................................... 57
3.1. Resultado y análisis del potencial bioenergético bruto ......................................... 57
3.2. Resultado y análisis del potencial bioenergético sustentable ............................... 58
3.3. Resultado y análisis del potencial bioenergético técnico ...................................... 58
3.3.1. Sistema ORC .................................................................................................. 58
3.3.2. Costo ............................................................................................................... 59
3.3.3. Análisis termodinámico .................................................................................... 60
3.3.4. Consideraciones para la viabilidad del proyecto .............................................. 65
ix
3.3.5. Capacidad instalada ........................................................................................ 63
3.4. Resultado y análisis del potencial bioenergético económico ................................ 68
3.4.1. Consumo energético del sistema ORC ............................................................ 68
3.4.2. Ahorro económico ........................................................................................... 69
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 72
4.1. CONCLUSIONES ................................................................................................ 72
4.2. RECOMENDACIONES ........................................................................................ 73
5. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 74
6. ANEXOS ................................................................................................................ 79
ANEXO I. .................................................................................................................... 79
ANEXO II. ................................................................................................................... 80
ANEXO III. .................................................................................................................. 81
ANEXO IV. ................................................................................................................. 81
ANEXO V. .................................................................................................................. 83
ANEXO VI. ................................................................................................................. 85
ANEXO VII. ................................................................................................................ 86
ANEXO VIII. ............................................................................................................... 88
ANEXO IX. ................................................................................................................. 89
ANEXO X. .................................................................................................................. 90
ANEXO XI. ................................................................................................................. 91
ANEXO XII. ................................................................................................................ 92
ANEXO XIII. ............................................................................................................... 93
ANEXO XIV. ............................................................................................................... 95
ANEXO XV. ................................................................................................................ 98
ANEXO XVI. ............................................................................................................... 99
ANEXO XVII. ............................................................................................................ 100
ANEXO XVIII. ........................................................................................................... 101
ANEXO XIX. ............................................................................................................. 102
ANEXO XX. .............................................................................................................. 103
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Participación provincial en la superficie total de siembra de arroz en
Ecuador 2016. .............................................................................................................. 6
Figura 1.2. Esquema del Ciclo termodinámico ORC. .................................................. 10
Figura 1.3. Diagrama T-s del agua. ............................................................................. 11
Figura 1.4. Diagrama T-s del fluido orgánico R245fa. ................................................. 12
Figura 1.5 Diagrama T-s del fluido orgánico R245fa y Agua. ...................................... 12
Figura 1.6 Aplicaciones del ORC ................................................................................ 13
Figura 2.1. Esquema del Ciclo Rankine Orgánico planteado en este trabajo. ............. 28
Figura 2.2. Torre de enfriamiento húmedo de tiro forzado .......................................... 35
Figura 2.3. Diagrama T-s del ciclo ORC. ..................................................................... 37
Figura 2.4. Secado natural del arroz ........................................................................... 46
Figura 2.5.Secador continúo de aire caliente tipo cascada ......................................... 46
Figura 3.1. Niveles de potencial .................................................................................. 57
Figura 3.2. Diagrama T-s del sistema ORC. ............................................................... 61
Figura 3.3. Flujo másico del fluido de trabajo vs potencia eléctrica. ............................ 62
Figura 3.4. Cascarilla de arroz necesaria vs potencia eléctrica. .................................. 63
Figura 3.5. Mapa de la distribución de sistemas ORC y piladoras en la provincia del
Guayas. ...................................................................................................................... 64
Figura 3.6. Mapa de la distribución de sistemas ORC en la provincia de los Ríos. ..... 65
Figura 3.7. Flujo de caja. ............................................................................................ 69
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Producción de arroz para los años 2014, 2015 y 2016. ................................ 6
Tabla 1.2. Poder calórico inferior (PCI) de algunas fuentes de bioenergía. ................... 6
Tabla 2.1. Producción de arroz a nivel nacional 2014. ................................................ 14
Tabla 2.2. Productos obtenidos a partir del proceso de pilado del arroz. .................... 15
Tabla 2.3. Resumen de superficie y producción de arroz y cascarilla de arroz en 2014.
................................................................................................................................... 15
Tabla 2.4. Energía anual contenida en la cascarilla de arroz en Ecuador. .................. 16
Tabla 2.5. Porcentaje de residuos de campo. ............................................................. 17
Tabla 2.6. Propiedades termodinámicas de varios fluidos orgánicos de trabajo. ......... 18
Tabla 2.7. Fluidos de trabajo con presión de condensación mayor a 101.325 [kPa]. .. 19
Tabla 2.8. Valores de ODP y GWP. ............................................................................ 19
Tabla 2.9. Resultados obtenidos para cada fluido de trabajo para un ORC Simple. ... 20
Tabla 2.10. Parámetros de sistemas ORC, marca Turboden, según su aplicación. .... 21
Tabla 2.11. Parámetros de sistemas ORC, marca ORMAT, según su aplicación. ...... 21
Tabla 2.12. Parámetros de sistemas ORC, marca Maxxtec, según su aplicación. ...... 22
Tabla 2.13. Parámetros de sistemas ORC según Calnetix Power Solutions. .............. 22
Tabla 2.14. Parámetros de sistemas ORC, marca GMK, según su aplicación. ........... 23
Tabla 2.15. Parámetros de sistemas ORC, marca Freepower, según su aplicación. .. 23
Tabla 2.16. Parámetros de selección del sistema ORC. ............................................. 24
Tabla 2.17. Parámetros de selección de caldera. ....................................................... 25
Tabla 2.18. Características de calderas con circuito de vapor y aceite térmico. .......... 25
Tabla 2.19. Datos técnicos de caldera a biomasa Sitong Boiler. ................................. 26
Tabla 2.20. Tecnología de caldera Alessandro. .......................................................... 26
Tabla 2.21. Tecnología Zhengzhou boiler. .................................................................. 26
Tabla 2.22. Condiciones iniciales de diseño del sistema ORC. ................................... 27
Tabla 2.23. Parámetros del sistema ORC. .................................................................. 27
Tabla 2.24. Parámetros del equipo de secado de arroz. ............................................. 39
Tabla 2.25. Costos de la planta con respecto a los fabricantes de ORC. .................... 41
Tabla 2.26. Precios preferenciales de energías renovables. ....................................... 42
Tabla 2.27. Parámetros económicos aproximados de una planta ORC de 125 kWe... 42
Tabla 2.28. Costo de biomasa. ................................................................................... 43
Tabla 2.29. Amortización de la deuda. ........................................................................ 43
Tabla 2.30. Cantidad de arroz húmedo a secar por piladora en Guayas. .................... 47
Tabla 2.31. Depreciación de activos fijos. ................................................................... 49
Tabla 2.32. proyección de tasa de inflación anual. ...................................................... 50
xii
Tabla 2.33. Tasa de descuento. .................................................................................. 51
Tabla 2.34. Interpretación del VAN, significado y proceso en la toma de decisión en
una inversión. ............................................................................................................. 52
Tabla 2.35. Interpretación de la TIR. ........................................................................... 53
Tabla 2.36. Indicadores financieros para la implementación del Sistema ORC
(escenario II). .............................................................................................................. 54
Tabla 2.37. Indicadores financieros (escenario III). ..................................................... 54
Tabla 2.38. LCOE del proyecto. .................................................................................. 55
Tabla 3.1. Resumen de la producción bruta de arroz. ................................................. 57
Tabla 3.2. Cascarilla de arroz necesaria para operar un sistema ORC. ...................... 58
Tabla 3.3. Parámetros considerados para la selección del sistema ORC. .................. 59
Tabla 3.4. Propiedades termodinámicas del fluido en cada punto del ciclo ORC. ....... 60
Tabla 3.5. Datos característicos del sistema ORC según la potencia eléctrica instalada.
................................................................................................................................... 62
Tabla 3.6 Sistema ORC Centralizado en cantones estratégicos ................................. 66
Tabla 3.7. Indicadores financieros del sistema ORC. .................................................. 70
xiii
RESUMEN
En este proyecto de titulación se plantea evaluar el potencial técnico y económico de
plantas modulares y calderas a biomasa para la generación de energía eléctrica
mediante la aplicación de un Ciclo Rankine Orgánico (ORC) usando como fuente de
energía primaria la cascarilla de arroz obtenida durante del proceso de pilado de arroz
de las piladoras ubicadas principalmente en las provincias de Guayas, Los Ríos y
Manabí. Para la selección del sistema ORC se partió de la selección del fluido de
trabajo y de la disponibilidad de cascarilla de arroz. También se determinó valores
referenciales de presión, temperatura y eficiencia. El análisis termodinámico fue
desarrollado en el paquete informático Engineering Equation Solver (EES). Con esos
valores referenciales se buscó información de los equipos ORC en el mercado
internacional con el fin de determinar la potencia eléctrica y el número de plantas ORC
que se puede instalar en Ecuador. Para finalizar el estudio se determinó los
parámetros financieros VAN, TIR, tiempo de recuperación del capital, etc. con el fin de
evaluar si el proyecto es rentable. Adicionalmente se determina el valor del costo
nivelado de la energía (LCOE) del proyecto cuyo valor que es de 0,38 [USD/kWh] el
cual difiriere de manera significativa con respecto a la tarifa preferencial de 0,096
[USD/kWh] presentado en la única resolución disponible para proyectos de energía
renovable (CONELEC 001/13) vigente hasta 2016.
Palabras clave: ORC, cascarilla de arroz, sistema ORC.
xiv
ABSTRACT
In this titling project, it is proposed to evaluate the technical and economic potential of
modular plants and boilers to biomass for the generation of electrical energy through
the application of an Organic Rankine Cycle (ORC) using as a primary energy source
the rice husk obtained during the piled rice process of the rice mill located mainly in the
provinces of Guayas, Los Ríos and Manabí. The selection of the ORC system was
based on the selection of the working fluid and the availability of rice husk. Reference
values of pressure, temperature and efficiency were. Also determined the
thermodynamic analysis was developed in the Engineering Equation Solver (EES)
software package. With these reference values, information was sought from the ORC
teams in the international market in order to determine the electric power and the
number of ORC plants that can be installed in Ecuador. To finish the study, the
financial parameters VAN, IRR, time of capital recovery, etc. are determined. In order
to determined if the project is profitable, additionally the value of the levelized energy
cost (LCOE) of the project whose value is 0.38 [USD/kWh] is determined, which differs
significantly with respect to the tariff preferential rate of 0.096 [USD/kWh] presented in
the only resolution available for renewable energy projects (CONELEC 001/13) valid
until 2016.
Keywords: ORC, rice husk, ORC system
xv
Glosario de términos
ORC Ciclo Rankine Orgánico
CRC Ciclo Rankine Convencional
ABE Atlas Bioenergético del Ecuador
OMTS Octametiltrisiloxano
!" Factor de disponibilidad
#$%&'( Potencia neta [kWe]
#$ &)&*'+,*( Potencia eléctrica [kWe]
-.(/." Eficiencia isentrópica de la bomba [%]
0.(/." Trabajo de la bomba [kJ/kg]
#$ .(/." Potencia eléctrica de la bomba [kW]
0'1+.,2" Trabajo de la turbina [kJ/kg]
0$ '1+.,2" Potencia eléctrica de la turbina [kWe]
3$ 45678" Flujo másico del fluido orgánico de trabajo [kg/s]
3$ "*&,'& Flujo másico del aceite térmico [kg/s]
3$ ",+& Flujo másico del aire seco [kg/s]
3$ "91" Flujo másico del agua [kg/s]
:,2 Calor suministrado en el evaporador [kJ/kg]
:(1' Calor rechazado en el condensador [kJ/kg]
;< Calor específico [kJ/kg= C]
>?@ Arroz húmedo por secar [t/año]
>? Porcentaje de arroz húmedo [%]
;AB@ Cascarilla requerida para el secado de arroz húmedo [t/año]
CB@ Energía requerida para el secado de arroz húmedo [MWh/año]
xvi
;B@ Combustible requerido para el secado de arroz húmedo [kg GLP/año]
;D Costo de combustible [USD/año]
:: Quintales
t Tiempo [años]
CE9+,F Factor de emisiones contaminantes en Ecuador [tCO2/MWh]
GHI5&J Toneladas de CO2 evitados [tCO2]
K Potencia de la planta [kWe]
C9 Energía eléctrica generada al año [MWh/año]
CL%M Energía eléctrica exportada al SNI [MWh/año]
CN1'( Energía eléctrica usada para autoconsumo en la piladora [MWh/año]
O&2&+9," Ingresos debido a la venta de energía [USD/año]
; Costo de la energía [USD/kWh]
PQ Media geométrica de la tasa de inflación [%]
<B Premio al riesgo [%]
RB Tiempo de recuperación del capital [años]
GS>T Tasa mínima atractiva de retorno [%]
GOT Tasa interna de retorno [%]
U>V Valor actual neto [USD]
E' Flujo de caja en el año t correspondiente [USD]
OW Inversión inicial [USD]
O' Ingresos totales [USD]
X' Gastos totales [USD]
O3 Impuestos [USD]
>3 Amortización [USD]
OY T Relación costo beneficio
xvii
S' Costos de operación y mantenimiento en el año t [USD/año]
Z Tasa de descuento [%]
C' Energía eléctrica [kWh/año]
;' Costos de biomasa [USD/año]
PCI Poder calórico inferior [MJ/kg]
LCOE Costo nivelado de la energía [USD/kWh] o [USD/MJ]
GEI Gases de efecto invernadero
EES Engineering Equation Solver
CERs Certificados de reducción de emisiones [USD/año]
GWP Potencial de calentamiento global
ODP Potencial de destrucción de la capa de ozono
SNI Sistema Nacional Interconectado
1
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL TÉCNICO Y ECONÓMICO DE
PLANTAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA BASADAS EN
CALDERAS A BIOMASA Y CICLO RANKINE ORGÁNICO (ORC)
PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA CASCARILLA DE ARROZ
EN ECUADOR
INTRODUCCIÓN
El crecimiento de la población hace que el consumo de bienes y servicios aumente, con
lo cual la demanda de energía y recursos crece continuamente. El uso intensivo de
recursos energéticos no renovables contribuye a la emisión de gases de efecto
invernadero (GEI) [1]. En 2014 el consumo de combustibles fósiles en Ecuador
representó el 79,07% del consumo total de energía primaria [2], debido a ello, por cuenta
del sector energético, en el año 2014 se expulsó directamente a la atmósfera 42.498
ktCO2 [3]. Para reducir la cantidad de emisiones de GEI asociadas al sector energético se
busca desarrollar fuentes de energía renovable, entre ellas la biomasa.
Ecuador es un país con alto potencial bioenergético. Anualmente generaron 18´352.411
[t] de residuos de biomasa entre los cuales las principales fuentes son caña azúcar,
café, cacao, banano y arroz [4]. En 2014 se generó 269.941 [t] de residuos de cascarilla
de arroz [4]. Actualmente en Ecuador el uso de la biomasa residual proveniente de la
producción de arroz no es aprovechada adecuadamente. Una de las formas de
eliminación de este residuo consiste en combustionarlo este residuo, pero modo se
expulsan gases contaminantes al ambiente.
El objetivo de este trabajo es evaluar el potencial técnico y económico de plantas de
generación eléctrica, para generación distribuida, basadas en calderas a biomasa y Ciclo
Rankine Orgánico (ORC) para el aprovechamiento eficiente de la cascarilla de arroz en
Ecuador. La implementación de esta tecnología en comparación a otras opciones
estudiadas por el Gobierno, por ejemplo, plantas centralizadas de Ciclo Rankine
convencional (CRC), presenta varias ventajas para el sector arrocero en las principales
provincias productoras del país. Las plantas modulares para generación distribuida
usando ORC permitirían disminuir los costos de transporte de la cascarilla desde la
piladora hasta la planta centralizada, y disminuir la emisión de GEI generados durante el
transporte de la cascarilla de arroz hasta las plantas centralizadas. Adicionalmente, con el
2
ORC se puede evitar problemas de corrosión en los equipos ya que este ciclo opera a
temperaturas moderadas a las cuales no se genera material volátil (alquitranes, acetonas
monóxido de carbono) y capas de ceniza, que son compuestos dañinos para el equipo.
Finalmente, con la tecnología propuesta hay mayor facilidad de acceso a financiamiento.
La cascarilla de arroz es usada en el suroeste asiático en los países de Camboya, China,
Filipinas, India, Indonesia y Tailandia los cuales son los principales productores de arroz
en el mundo, para la generación de energía eléctrica mediante el uso de gasificadores,
donde 1 [t] de cascarilla de arroz produce 800 [kWh], las plantas gasificadoras son
implementadas en las zonas rurales, donde se encuentran los molinos de arroz. Además
de la quema de cascarilla se obtiene un residuo que es la ceniza la cual tiene varias
aplicaciones como son las industrias de construcción, energía solar, automotriz y en el
área de nuevos materiales[5] ,[6]. En África occidental las cascarilla de arroz la usan
como sustituto de la madera en las estufas de gas[7]. En Ghana se hizo un estudio de
prefactibilidad del uso de cascarilla de arroz como fuente de energía para generar
energía eléctrica mediante el ORC con cogeneración de 1.000 [kWh] el cual resulto no
factible aplicar debido a la inversión inicial y a las políticas de estado que no benefician a
la implementación[8].
Objetivo general
Evaluar el potencial bruto, sustentable, técnico y económico de plantas de generación
eléctrica basadas en calderas a biomasa y Ciclo Rankine Orgánico para el
aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz en Ecuador.
Objetivos específicos
§ Evaluar el potencial bioenergético bruto de la cascarilla de arroz en Ecuador.
Usando literatura y estudios previos, se identificará las zonas de Ecuador donde
hay potencial para el aprovechamiento energético de este residuo.
§ Evaluar el potencial bioenergético sustentable de la cascarilla de arroz en
Ecuador. En base a revisión bibliográfica se aplicará coeficientes de
sostenibilidad que permitan identificar la fracción del total de residuos generados
que pueden ser aprovechados energéticamente.
§ Evaluar el potencial bioenergético técnico de la cascarilla de arroz en Ecuador
mediante el uso del software EES. Se pretende dimensionar la planta de
generación eléctrica y analizar el ciclo termodinámico de potencia. Los
3
parámetros usados (presión, temperatura, caudal). Los resultados obtenidos
serán comparados con datos presentados en la literatura.
§ Evaluar el potencial bioenergético económico de la cascarilla de arroz en
Ecuador. Una vez que la planta haya sido dimensionada, se cotizará cada parte
del equipo y se analizará la viabilidad económica para determinar parámetros
financieros como VPN, TIR y tiempo de recuperación del capital. El principal
indicador para evaluar la viabilidad económica es el costo nivelado de la
electricidad (LCOE, del inglés Levelized Cost of Electricity), que podrá ser mayor
o menor a la tarifa eléctrica pagada a la distribuidora (caso a caso). Lo cual
indicará la viabilidad comercial de la implementación de esta tecnología en el
sector arrocero en las principales provincias productoras del país.
Alcance
Este proyecto evalúa el potencial bioenergético bruto, sustentable, técnico y económico
de la cascarilla de arroz en Ecuador. Específicamente, se evalúa el potencial técnico y
económico de plantas de generación eléctrica basadas en calderas a biomasa y Ciclo
Rankine Orgánico (ORC) que usan cascarilla de arroz como combustible. Una vez
determinado el potencial bioenergético bruto y sustentable de la cascarilla de arroz en las
principales provincias productoras del país se dimensiona la planta de generación
eléctrica.
Luego se analiza el potencial bioenergético económico mediante indicadores financieros
como son: VPN, TIR, tiempo de recuperación y principalmente el costo nivelado de la
energía (LCOE) el cual determina si el costo de generación de energía mediante ORC es
menor que el costo de la energía suministrada por la empresa distribuidora.
Este estudio contempla el análisis del potencial bioenergético en las principales
provincias productoras de arroz en el país.
Justificación
En Ecuador se usan varias fuentes energéticas para la generación de energía eléctrica
tales como: hídrica, eólica, solar, biomasa (bagazo de caña de azúcar) y combustibles de
origen fósil. Las fuentes fósiles, de las cuales la matriz de energía primaria del país
depende en gran medida, son limitadas, caras y contaminantes. En Ecuador la biomasa
residual es una fuente importante de energía que aún no ha sido completamente
aprovechada. Además del uso del bagazo de caña de azúcar para co-generación en
algunos ingenios azucareros, el país no ha utilizado la energía contenida en otros
4
residuos de biomasa. Es importante analizar la viabilidad de la implementación de
plantas de generación eléctrica usando como combustible a los residuos generados en
plantaciones de arroz mediante la aplicación de una caldera para biomasa y un sistema
ORC.
Se debe calcular los valores de presión y temperatura en cada fase del ciclo con el fin de
determinar si están dentro del rango de operación. También es relevante estudiar la
influencia de la humedad de la cascarilla de arroz durante el ORC. Para esta aplicación la
literatura recomienda un contenido de humedad inferior al 15% [9]. Además, el rango de
temperatura producto de la combustión de cascarilla de arroz en la caldera debe estar por
debajo de 400 [ºC], caso contrario existe la formación de material volátil que se encuentra
formado principalmente por alquitranes, acetonas, metano, monóxido, agua y pequeñas
porciones ácidas [10], los cuales ocasionan problemas dentro de la cámara de
combustión como corrosión y ensuciamiento (capas de ceniza en la superficie) [1], lo cual
resulta perjudicial para el funcionamiento de la caldera.
El ORC es una tecnología modular para producción de energía eléctrica a partir de
fuentes de energía de medio/bajo nivel de temperatura (normalmente < 250 [ºC]), lo cual
limita la formación de material volátil , por tal razón se estudia este tipo de tecnología para
evitar los problemas anteriormente expuestos [11], al utilizar plantas modulares
pequeñas, no hace falta transportar la cascarilla de arroz a un punto donde se ubique la
planta centralizada, evitando costos de transporte, tiempo de traslado, etc [11].
La selección de la tecnología a emplear se determinó mediante análisis multicriterio que
consideró tres tecnologías: Ciclo Rankine Orgánico (ORC), Ciclo Rankine Convencional
(CRC) y Ciclo Rankine Orgánico con cogeneración, relacionándolos con criterios
tecnológicos, económicos, ambientales y sociales, con el fin de determinar la mejor
alternativa para este proyecto. El Anexo I muestra la matriz del análisis multicriterio para
la selección de la tecnología empleada en este trabajo.
5
1. MARCO TEÓRICO
Este capítulo describe brevemente el funcionamiento de un sistema ORC y su aplicación
para aprovechamiento energético de biomasa residual, así como el estado actual sobre
los usos de la cascarilla de arroz en Ecuador. Adicionalmente se describen los niveles de
potencial energético que se desarrollaran a lo largo de este trabajo, aplicado a la
cascarilla de arroz.
Ecuador es un país con gran capacidad de producción de biomasa debido a la
importancia del sector agrícola, forestal y pecuario. Los residuos de estos sectores
pueden ser utilizados para la producción de energía. Su óptimo aprovechamiento
dependerá de información disponible respecto a la localización de dichos recursos, la
cantidad disponible, la tecnología seleccionada, etc [4].
Ecuador cuenta con un Atlas Bioenergético que recopila información sobre el potencial de
los recursos agrícolas, forestales y pecuarios. Este estudio, actualizado hasta el año
2014, toma como punto de partida el Censo Nacional Agropecuario del 2000. A partir de
esta información se establece la ubicación de los sectores con mayor potencial
bioenergético. El Atlas se elaboró usando sistemas de información georreferenciados
(GIS-Based Analysis) [4].
1.1. Potencial bioenergético bruto
El potencial bioenergético bruto de la cascarilla de arroz en Ecuador se determina como
la cantidad total de energía contenida en toda la cascarilla de arroz producida en un año
[4].
1.1.1. Cascarilla de arroz en Ecuador
Ecuador dispone de un alto potencial bioenergético bruto debido a su ubicación
geográfica. Entre los tres principales productos que se cultivan en Ecuador destacan el
cacao, banano y arroz.
El arroz es uno de los productos más cultivados en Ecuador, siendo Guayas, Los Ríos y
Manabí las provincias que tienen mayor superficie cultivada de arroz.
En la Figura 1.1 se muestra el porcentaje de siembra de arroz en Ecuador en 2016.
6
Figura 1.1. Participación provincial en la superficie total de siembra de arroz en Ecuador 2016.
(Fuente: [12])
En la Tabla 1.1. se muestra la producción nacional de arroz para los años 2014, 2015 y
2016 así como la superficie plantada y cosechada en hectáreas [ha], además de la
producción y ventas expresadas en toneladas métricas.
Tabla 1.1. Producción de arroz para los años 2014, 2015 y 2016.
Año Sembrado[ha] Cosechado
[ha] Producción
[m] Ventas (sin
cáscara) [Tm] 2014 375.820 354.136 1.379.954 1.282.065 2015 399.535 375.117 1.652.793 1.534.476 2016 385.039 366.194 1.534.537 1.432.318
(Fuente: [12])
La cascarilla de arroz es un subproducto obtenido del proceso de pilado de arroz el cual
puede ser aprovechado energéticamente debido a su alto Poder Calórico Inferior (PCI).
La Tabla 1.2. presenta el PCI de algunas fuentes de bioenergía.
Tabla 1.2. Poder calórico inferior (PCI) de algunas fuentes de bioenergía.
(Fuente: [4])
El PCI (poder calórico inferior) y el PCS (poder calórico superior) dependen de la fase en
la que se encuentra el agua durante el proceso de combustión. Si el agua está en fase
liquida en los productos de la combustión se denomina PCS por otro lado si el agua está
29,66%
64,32%
3,86% 0,99% 0,54% 0,64%
Los Ríos Guayas Manabí
El Oro Orellana Otras provincias
Fuente de biomasa PCI [MJ/kg] Palma africana - residuo de campo 12,47 Banano - residuo de campo 12,62 Banano - residuo de proceso 4,18 Cascarilla de arroz 14,95 Café - residuo de campo 6,46 Cacao - residuo de proceso 12,0 Arroz - residuo de campo 13,35
7
en fase de vapor en los productos de la combustión se denomina PCI. El PCI representa
la cantidad de calor por unidad de masa que se libera durante el proceso de combustión
el cual puede ser aprovechada [13].
El Atlas Bioenergético del Ecuador presenta un mapa elaborado con información
relevante al tema de estudio. El Anexo II muestra un mapa de la producción total del
cultivo de arroz a nivel provincial (incluyendo la cascarilla de arroz).
1.2. Potencial bioenergético sustentable
Los residuos de biomasa (hojas secas, cortezas, etc.) son un elemento indispensable en
los ecosistemas, estos ayudan a mantener el equilibrio ecológico y permiten enriquecer la
diversidad biológica. En este sentido, apenas cierta cantidad de estos residuos deberían
ser utilizados como materia orgánica para la producción de energía. Así, el potencial
bioenergético sustentable permite evaluar la cantidad de biomasa que se puede usar con
fines energéticos considerando impactos ecológicos. Algunos autores también incluyen
evaluaciones de impacto social para definir el potencial ambiental [14]. De este modo el
potencial bioenergético sustentable usa el criterio ecológico, bajo el cual una fracción de
la biomasa residual debe ser dejado en el campo para facilitar las funciones
ecosistémicas. Este tipo de restricciones puede variar según las especificaciones
regionales tales como silvicultura, condiciones del entorno, propiedades del suelo,
prácticas agrícolas, etc [15].
La biomasa total disponible (bruto) no puede ser usada en su totalidad para el
aprovechamiento energético por lo cual se debe determinar la cantidad necesaria de
biomasa que será usada con fines energéticos, cabe recalcar que este proyecto no se
enfoca en los residuos generados durante la cosecha de arroz, en su lugar el proyecto se
centra en la cascarilla de arroz generada en el proceso de pilado de arroz.
1.3. Potencial bioenergético técnico
El potencial bioenergético técnico corresponde, en términos energéticos, a una fracción
del potencial bioenergético bruto y sustentable, cuya relación se establece en función de
la tecnología usada para la conversión energética (eficiencia de conversión). El valor de
este potencial está sujeto a restricciones tecnológicas, logísticas y también toma en
consideración la competencia entre usos energéticos y otros usos no energéticos de la
biomasa [16].
8
La limitación tecnológica (eficiencia) es una de las restricciones más importantes en el
desarrollo y aprovechamiento de cualquier fuente de energía. En ese sentido el potencial
bioenergético técnico está limitado por la tecnología empleada para el aprovechamiento
de la energía proveniente de la biomasa. Para el caso de este trabajo la tecnología
empleada para la generación eléctrica es un ORC donde la fuente de calor es una
caldera a biomasa. La eficiencia de conversión energética del ciclo ORC oscila entre 10%
y 20% según los fabricantes de sistemas ORC (Turboden, Ormat, GMK, etc).
En base a la literatura y de información provista por empresas dedicadas al
aprovechamiento energético de biomasa usando el ORC, (por ejemplo, Turboden, Ormat,
Freepower), se realizará la selección de los equipos que intervienen en el proceso de
generación de energía eléctrica usando como insumo energético a la cascarilla de arroz,
según lo descrito en la sección 2.3.
1.4. Potencial bioenergético económico
El potencial bioenergético económico está ligado directamente con el costo de
implementación de la tecnología de estudio (ORC con caldera a biomasa), costo de
combustible, costos de accesibilidad a la biomasa, costos de producción, logística etc
[15].
El sistema ORC basado en caldera a biomasa presenta características favorables desde
el punto de vista económico ya que, con relación al CRC, el costo de inversión es bajo, el
costo de transporte de biomasa es nulo debido a que son plantas modulares que
necesitan de poca biomasa (en comparación a CRC). La generación de energía eléctrica
se da de forma distribuida o descentralizada [16].
1.5. Ciclo Rankine Orgánico
El ORC es una tecnología que se usa comúnmente para la conversión de energía
proveniente de diversas fuentes tales como geotérmica, solar, biomasa o calor residual
recuperado de procesos industriales o recuperación de energía en motores de
combustión interna usados para generación de energía eléctrica. El ORC se deriva del
ciclo CRC, pero se utiliza un fluido orgánico por ejemplo en una caldera de baja
temperatura en lugar de agua.
El ORC puede generar una potencia eléctrica entre 10 [kWe] hasta 10 [MWe] que
provienen de fuentes de calor entre 80 [ºC] y 300 [ºC], este rango de temperatura y
9
potencia eléctrica puede variar conforme se desarrollen nuevas aplicaciones de
conversión de energía [17].
El ORC es semejante al CRC el cual trabaja con vapor y agua, la diferencia radica en el
fluido de trabajo, el cual es un fluido orgánico de elevado peso molecular, tal como,
hidrocarburos, aceite de silicona, isopentano, tolueno, etc, cuyo punto de ebullición está
por debajo de los 100 [ºC], por lo cual se requiere de una fuente de energía de baja
temperatura (80-400 [ºC]) para operar el ciclo. Debido al uso de sustancias orgánicas
como fluido de trabajo los cuales presentan un punto de ebullición bajo en relación al
punto de ebullición del agua en el caso del CRC [18].
Para mejorar la eficiencia del ORC se busca aprovechar el calor residual generado a lo
largo del proceso de generación de energía eléctrica, el cual puede ser usado para el
proceso de secado de arroz en las piladoras y en lugares de almacenamiento, donde se
busca reemplazar el uso de los secadores a base de gas licuado de petróleo (GLP).
1.5.1. Ciclo termodinámico
El ciclo termodinámico inicia cuando el fluido de trabajo en estado líquido es bombeado
(1-2) hacia el evaporador. El fluido de trabajo extrae calor en el foco caliente (caldera)
hasta llegar al punto de vaporización (2-3). El fluido de trabajo en fase de vapor se
expande en la turbina (3-4), el vapor golpea los álabes de la turbina generando
movimiento al eje de la turbina, este a su vez conectado al eje del generador hace que
este gire, generando así energía eléctrica. El fluido de trabajo es condensado en el
condensador (4-1), cerrando así el ciclo termodinámico [19]. Los puntos termodinámicos
que intervienen en un sistema ORC simple son mostrados en la Figura 1.2.
Los equipos que intervienen en el ciclo termodinámico son: bomba, caldera o evaporador,
turbina-generador y condensador.
10
Figura 1.2. Esquema del Ciclo termodinámico ORC.
Fuente ([20])
1.6. Diferencias, ventajas y desventajas entre el Ciclo Rankine
convencional y el Ciclo Rankine Orgánico
A continuación, se describe las principales diferencias, ventajas y desventajas entre el
Ciclo Rankine convencional (CRC) y el Ciclo Rankine Orgánico (ORC).
1.6.1. Diferencias entre el Ciclo Rankine convencional y el Ciclo Rankine Orgánico
La principal diferencia entre el CRC y el ORC radica en el fluido de trabajo, en el primer
caso el fluido de trabajo es agua y vapor mientras que en el segundo caso el fluido de
trabajo es un fluido orgánico de bajo punto de ebullición. Por otra parte, el rango de
temperaturas al cual está expuesto el fluido de trabajo es diferente, en el primer caso las
temperaturas de operación sobrepasan el punto de ebullición del agua mientras que en el
segundo caso el rango de temperaturas oscila entre 80 [ºC] y 300 [ºC] [17].
1.6.2. Ventajas y desventajas entre el Ciclo Rankine convencional y el ciclo Rankine Orgánico
El ORC presenta una serie de ventajas con respecto al CRC entre ellas:
Una de las ventajas que ofrece el ORC está relacionado directamente con las
propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo según sea la aplicación, así el ORC
en comparación con otros sistemas de energía de ciclo cerrado tiene un diseño de planta
más simple, además de un número limitado de componentes, fácil operación del sistema,
etc [21].
11
El ORC es una tecnología prometedora para la recuperación de calor residual debido a
su bajo costo de operación, lo cual la hace más factible para el aprovechamiento de
energía proveniente de fuentes de biomasa a bajas temperaturas [19].
La limitación que más se destaca en el ORC es la baja eficiencia del ciclo debido a las
limitaciones termodinámicas que provoca las bajas temperaturas del foco caliente [22].
La Figura 1.3. muestra el diagrama T-s del agua (CRC) en donde el rango de temperatura
y presión de trabajo oscila entre 100 [ºC]-374 [ºC] y 500 [kPa]-15 [MPa], por lo cual
requiere de una fuente de calor externa de alta energía para conseguir dichas presiones y
temperaturas. Este proceso no es ideal para aprovechar fuentes de baja energía.
La Figura 1.4. muestra el diagrama T-s del fluido orgánico R245fa (ORC) donde el rango
de temperatura y presión de trabajo oscila entre 25 [ºC]-154 [ºC] y 10 0[kPa]-3 [MPa], por
lo requiere de una fuente de baja energía para conseguir dichas presiones y
temperaturas. Además, mediante la aplicación de este proceso se asegura la integridad
de la turbina ante problemas de corrosión ya que el fluido orgánico ingresa a la turbina
como vapor saturado y así se evita que exista contenido de humedad durante el proceso
de expansión (5-6).
La Figura 1.5 muestra el diagrama T-s del fluido R245fa y agua en un mismo gráfico,
donde se muestra la diferencia en el rango de temperatura de trabajo de cada fluido
Figura 1.3. Diagrama T-s del agua.
(Fuente: Propia, usando EES)
12
Figura 1.4. Diagrama T-s del fluido orgánico R245fa.
(Fuente: Propia, usando EES)
Figura 1.5 Diagrama T-s del fluido orgánico R245fa y Agua.
(Fuente: Propia, usando EES)
1.6.3. Desarrollo del ORC
En 1825 fue creada la primera máquina ORC por Thomas Howard, la cual usaba alcohol
como fluido de trabajo con una potencia de 18 [kWh]. Mas tarde en 1835, la revista
británica The Engineer público un experimento de una máquina que utilizaba solución de
agua y alcohol metílico, pero debido al alto costo del metilo no fue utilizada. En 1850 Du
Tremblay desarrollo una máquina de calor binaria basada en vapor en la parte alta de
temperatura y éter en la parte baja de temperatura, pero debido a la explosión producida
en Puerto de Bahía, se abandonó su comercialización. Hasta el siglo XIX el ORC no se
desarrollaba plenamente, para el siglo XX, entre 1961 y 1962 Harry Zui y Lucien Bronicky
construyeron maquinas Rankine que usaban monoclorobenceno a una temperatura
máxima de 150 [˚C] generando 10 [kWh]. Entre 1976 y 1984 el Politécnico de Milano
13
contribuyo con la construcción de 14 plantas ORC, que iban de 3 a 500 [kWh] del uso de
varias fuentes de energía como son: solar, geotermales, calor residual y combustión de
fósiles [23].
Hoy en día, los esfuerzos de investigación y desarrollo para el ORC se focalizan en la
cogeneración para rangos de temperaturas entre 80 [˚C] a 150 [˚C], favorecen la
descentralización de la generación de energía eléctrica, reducción en las perdidas en el
transporte y abastecer de energía eléctrica en lugares remotos para nuevas aplicaciones,
con energías renovables[24]. La Figura 1.6muestra las diferentes aplicaciones del ORC
en función de su temperatura.
Figura 1.6 Aplicaciones del ORC
(Fuente: [24] )
Cabe recalcar que en la actualidad los sistemas ORC para la energía geotérmica y la
biomasa tienen un mayor desarrollo. A pesar de ser los más desarrollados, estos todavía
dependen de subsidios por parte del gobierno. Las investigaciones mostraron que las
aplicaciones de recuperación de calor residual tienen un costo menor, que las plantas
geotérmicas y de biomasa con cogeneración que son más alto su costo[25].
Las modificaciones que tienen las tecnologías nuevas del ORC con respecto al ORC
simple, es la incorporación de un recuperador cuyo objetivo es aumentar el rendimiento
del ciclo, incorporación de sobrecalentadores los cuales son usados en el caso de poseer
dos fuentes de calor una de media baja y una salida de humos superiores a los 600 [˚C],
otra modificación es en el tipo de expansor a utilizarse debido que depende de la
potencia que se requiera generar[24].
14
2. METODOLOGÍA
A continuación, se detalla la metodología empleada para evaluar el potencial
bioenergético de la cascarilla de arroz en Ecuador. El estudio comprende la revisión del
Atlas Bioenergético del Ecuador (ABE) especialmente en lo referente a la cascarilla de
arroz en las principales provincias productoras del Ecuador. También comprende la
selección de equipos que intervienen en la generación de energía eléctrica mediante la
aplicación de ORC basadas en calderas a biomasa.
2.1. Estudio del potencial bioenergético bruto
El potencial bioenergético bruto de la cascarilla de arroz en Ecuador se determina a partir
de una revisión del Atlas Bioenergético del Ecuador y de fuentes oficiales dedicadas al
estudio del sector agrícola (MEER, INEC, MAGAP), en donde constan mapas que
determinan las zonas donde se concentra la generación de cascarilla de arroz en
Ecuador y tablas referentes a la producción de arroz en Ecuador en 2014.
2.1.1. Producción de arroz de arroz a nivel nacional 2014
La Tabla 2.1. muestra los datos de la producción de arroz a nivel provincial en 2014
según el Atlas Bioenergético del Ecuador [4]. El Anexo III muestra datos de la producción
de arroz en 2014 según el ESPAC, dichos datos presentan una variación insignificante en
relación con los datos mostrados en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1. Producción de arroz a nivel nacional 2014.
Provincia Superficie [ha] Producción absoluta de arroz [t/año]
Residuos [t/año]
Cañar 314.695 2.392 3.214 Guayas 1.533.198 976.018 1.311.525 Los Ríos 720.320 508.138 682.811 Manabí 1.788.021 47.998 64.497 Loja 1.106.540 29.692 39.899 Total 5.462.774 1.564.241 2.101.948
(Fuente: [4])
2.1.2. Producción de arroz y cascarilla de arroz a nivel cantonal en las provincias con mayor producción
El Anexo IV muestra la producción de arroz y cascarilla de arroz a nivel cantonal en las
provincias con mayor producción del país con lo cual se obtiene los datos de
disponibilidad de arroz en 2014 según el ABE. Para determinar la cantidad disponible de
cascarilla de arroz se debe considerar que solo el 80,24% de la producción en bruto de
15
arroz representa arroz seco y limpio. Por otra parte, se debe considerar que en el proceso
de pilado de arroz solo el 22% del peso del total de arroz pilado representa cascarilla de
arroz según los datos mostrados en la Tabla 2.2. [26], [27], [4].
Tabla 2.2. Productos obtenidos a partir del proceso de pilado del arroz.
Descripción Porcentaje en peso
[%] Arroz pilado entero 63 Arrocillo Yelem 5 Polvillo 8,5 Cascarilla 22 Impurezas 1,5
Fuente: [27]
De este modo se determina que la cantidad de arroz disponible en Ecuador es 1’529.170
[t/año] y la cantidad de cascarilla de arroz es 269.941 [t/año], según los datos mostrados
en la Tabla 2.3. que serán usados a lo largo del desarrollo de este proyecto.
Tabla 2.3. Resumen de superficie y producción de arroz y cascarilla de arroz en 2014.
Provincia Superficie
[km2] Producción
absoluta [t/año] Cascarilla
[t/año] Guayas 14.501 975.167 172.144 Los Ríos 6.920 508.138 89.700 Manabí 9.856 45.864 8.096 Total 31.277 1’529.170 269.941
Fuente: [4], [12]
2.1.3. Energía contenida en la cascarilla de arroz
2.1.3.1 Energía anual bruto contenida en la cascarilla de arroz
Para determinar la energía contenida en la cascarilla de arroz se debe tener en cuenta un
parámetro característico de los biocombustibles como lo es el PCI (Poder Calórico
Inferior), este parámetro característico determina la cantidad de energía liberada por el
biocombustible durante el proceso de combustión. Para la cascarilla de arroz se utiliza un
valor de 14,95[MJ/kg] [4] mostrada en Tabla 1.2. La ecuación (1) expresa la energía en
bruto que puede liberar la cascarilla de arroz durante el proceso de combustión. Se debe
tener en cuenta que para el desarrollo de este proyecto se planteó el uso de cascarilla de
arroz exclusivamente para generación de energía eléctrica.
C[\BXíA ] ^KB_`aDDbó[^A[aAc d K;O (1)
C[\BXíA ] efgYghi Rjño d kYlllZXR d khmgnSpZX^
16
C[\BXíA ] hmlh Kpjño
2.1.3.2 Potencia térmica bruta
La ecuación (2) expresa la potencia térmica bruta que se puede obtener de la cascarilla
de arroz en Ecuador.
K' ] C[\BXíA^qYifl d rfll
(2)
K' ] efgYghi 'sñt d kYlll u9' d khmgnvwu9^qYifl xsñt d rYfll yx
K' ] keimgi^zS#R{ De la ecuación (2) se determina que la potencia térmica en bruto que se obtener de la
cascarilla de arroz en Ecuador es 128 [MWt] aproximadamente según los datos
mostrados en la Tabla 2.4.
Tabla 2.4. Energía anual contenida en la cascarilla de arroz en Ecuador.
Provincia Cascarilla
disponible [t/año]
Potencia térmica en bruto[MWt]
Energía anual en
bruto [PJ/año]
Guayas 172.144 81,61 2,57 Manabí 89.700 3,84 0,12 Los Ríos 8.096 42,52 1,34 Total 269.941 127,97 4,04
(Fuente: Propia, [4])
El Anexo V muestra de manera detallada la potencia térmica en bruto que se puede
generar en cada provincia con mayor producción de cascarilla de arroz en Ecuador.
2.2. Estudio del potencial bioenergético sustentable
El potencial bioenergético sustentable se basa en el criterio ecológico bajo el cual una
fracción de este residuo debe ser dejado en campo para facilitar las funciones
ecosistémicas. Cabe mencionar que en el caso de la cascarilla de arroz el potencial
bioenergético bruto y el potencial bioenergético sustentable son iguales debido a que no
es la cascarilla de arroz la que se encarga de mantener el equilibrio ecosistémico en las
plantaciones de arroz. Por otra parte, los residuos del campo generados durante la
cosecha de arroz son los que se encargan de mantener el equilibrio ecosistémico y por tal
motivo el concepto de sustentabilidad solo es válido para los residuos generados en el
17
campo. Este trabajo no considera dichos residuos, apenas se consideran los residuos
generados en las plantas piladoras (cascarilla de arroz).
En el proceso de cultivo de arroz se obtiene arroz en bruto con cáscara y residuos de
campo como hojas y tallos propios de las plantaciones de arroz. La Tabla 2.5 muestra
que la cantidad de producción de arroz en bruto representa el 42,67% y los residuos de
campo que son dejados en las plantaciones de arroz con el fin de no alterar su
ecosistema y de mantener el equilibrio ecológico representan el 57,33%.
Tabla 2.5. Porcentaje de residuos de campo.
Producción bruta Residuos de campo Total biomasa Total cascarilla de arroz
1.529.171 [t/año] 2.054.823 [t/año] 3.583.994 [t/año] 269.941 [t/año]
42,7 [%] 57,3 [%] 100 [%] (Fuente: [4])
En la Tabla 2.5. se muestra la cantidad de residuos de campo generados durante la
cosecha de arroz [4]. Estos residuos deben ser dejados en campo para no alterar el
ecosistema alrededor de las plantaciones de arroz. Así la cantidad de arroz en bruto
puede ser usado con fines energéticos sin ninguna restricción ambiental.
2.3. Estudio del potencial bioenergético técnico
En esta sección se analizará en detalle el potencial bioenergético técnico, el cual está
ligado directamente con la tecnología a emplear para el aprovechamiento energético de
la cascarilla de arroz en Ecuador. En este caso de estudio la tecnología a emplear es un
Ciclo Rankine Orgánico, que genere energía eléctrica. La adición de calor al ciclo
termodinámico se da en una caldera donde se combustiona la cascarilla de arroz. Para la
adecuada implementación de esta tecnología se debe considerar el análisis
termodinámico [29].
2.3.1. Selección del fluido de trabajo
La selección del fluido de trabajo se desarrolló en base a un Ciclo Rankine Orgánico
Simple mostrado en la Figura 1.2. Se determinó los parámetros de presión y temperatura
que intervienen en el ciclo con el fin de determinar el fluido orgánico de trabajo que
cumpla con algunos requerimientos establecidos en esta sección. Los puntos
termodinámicos descritos en la Figura 1.2 serán usados para determinar las propiedades
termodinámicas de cada punto del ciclo ORC. La selección del fluido de trabajo no se ve
restringido únicamente a las condiciones termodinámicas de operación del ciclo ORC,
18
sino también se ve restringido por criterios medioambientales, por ejemplo, por el
potencial de destrucción de la capa de ozono (ODP) y potencial de calentamiento global
(GWP).
Mediante el estudio de la selección del fluido de trabajo se determinó que el fluido de
trabajo ideal es el R245fa debido a que presenta alto rendimiento en el ciclo ORC, no es
inflamable, presenta un bajo ODP y GWP lo cual representa un bajo impacto ambiental y
no presenta calidad a la salida de la turbina en relación con los demás fluidos de trabajo
estudiados en el apartado 2.3.1.
El fluido de trabajo debe ajustarse a los equipos empleados en el ciclo ORC de tal modo
que se consiga un rendimiento del ciclo ORC dentro de los rendimientos estándar para
ciclos ORC que es aproximadamente 18% según los fabricantes de sistemas ORC [30],
[26], [27]. Por otro lado, el fluido debe presentar un bajo ODP y GWP con lo cual se
reduzca en lo posible el impacto ambiental debido al uso de estos fluidos de trabajo que
en su mayoría son refrigerantes además, se debe asegurar que el fluido de trabajo
abandone la turbina como vapor saturado (proceso 4-5) según la Figura 2.1. para evitar
que la turbina sufra problemas de corrosión debido a la presencia de humedad, por
último, el fluido de trabajo no debe ser tóxico ni inflamable.
En primer lugar, se establece las propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo
con el fin de determinar el fluido de trabajo más adecuado acorde a las necesidades del
ciclo ORC planteado en este trabajo. Con la ayuda del software Engineering Equation
Solver (ESS) se determinó la Tabla 2.6. la cual muestra las propiedades termodinámicas
de algunos fluidos orgánicos de trabajo. Los puntos característicos del sistema ORC
hacen referencia a la Figura 1.2. para la selección del fluido orgánico de trabajo.
Tabla 2.6. Propiedades termodinámicas de varios fluidos orgánicos de trabajo.
Fluido T. crítica
[ºC] P. crítica
[kPa] P. condensación
[kPa] T. condensación
[ºC] R11 198 4.408 173 40 R113 214 3.392 78 40 R114 145 3.289 336 40 R123 183 3.668 154 40 R124 122 3.624 594 40 FC72 175 1.867 56 40 R245fa 154 3.651 249 40 R134a 101 4.059 1.017 40 R141b 204 4.249 132 40 R718 374 22.064 7.381 40 R500 105 4.455 1.135 40 R600 152 3.796 379 40
(Fuente: Propia)
19
Para la selección del fluido de trabajo se plantea el siguiente requerimiento
termodinámico:
· Presión de condensación semejantes a 101,325 [kPa] (presión atmosférica), no se
recomienda operar el ciclo con presiones superiores a la presión atmosférica ya
que requerirá de una instalación más resistente y costosa para operar el ciclo
ORC.
· La temperatura del fluido a la salida del condensador debe comprender entre 35
[ºC]-40 [ºC] [31].
Los fluidos de trabajo que cumplen con la restricción anterior se muestran en la Tabla 2.7.
Tabla 2.7. Fluidos de trabajo con presión de condensación mayor a 101.325 [kPa].
Fluido T. crítica
[ºC] P. crítica
[kPa] P.condensación
[kPa] T. condensación
[ºC] R11 198 4.408 173,4 40
R114 145 3.289 336,9 40 R123 183 3.668 154,7 40 R124 122 3.624 594,1 40
R245fa 154 3.651 249,6 40 R134a 101 4.059 1.017 40 R141b 204 4.249 132,9 40 R500 105 4.455 1.135 40 R600 152 3.796 379,2 40
(Fuente: Propia usando EES)
Después de seleccionar los fluidos con una presión de condensación mayor a la presión
atmosférica se selecciona aquellos fluidos que tengan un menor impacto ambiental, para
ello se selecciona aquellos fluidos con ODP (Potencial de destrucción de la capa de
ozono) nulo y con bajo GWP (Potencial de calentamiento global). La Tabla 2.8. muestra
los valores de ODP y GWP para los fluidos orgánicos de trabajo de la Tabla 2.7.
Tabla 2.8. Valores de ODP y GWP.
Fluido Potencial de destrucción de
la capa de ozono (ODP)
Potencial de calentamiento global
(GWP) R11 1 4.000 R114 0,8 8.000 R123 0,022 250 R124 0,022 700 R245fa 0 820 R134a 0 1.300 R141b 0,11 630 R500 0,74 6.010 R600 0 3
(Fuente:[31])
20
De la Tabla 2.8. se selecciona los fluidos con ODP nulo y GWP bajo, con lo cual los
fluidos R245fa, R134a y R600 cumplen con esta restricción.
Para la selección definitiva de los fluidos de trabajo se desarrolla un modelo ORC en el
software Engineering Equation Solver (EES) con cada uno de los fluidos de trabajo con lo
cual se determina la eficiencia del ciclo y calidad del vapor a la salida de la turbina este
último con el fin de evitar problemas de corrosión en los álabes de la turbina [31].
De la Tabla 2.9. se descarta el fluido R134a ya que presenta título de vapor menor al
100% a la salida de la turbina. Esta situación podrá generar inconvenientes. Por otro
lado, el fluido R600 es descartado por ser un fluido inflamable [32]. Por lo tanto, el fluido
seleccionado es el R245fa. El fluido R245fa asegura que a la salida de la turbina se
cuente con vapor saturado, lo que se refleja en un mayor rendimiento del ciclo ORC entre
los tres fluidos posibles mostrados en Tabla 2.9. además, estos fluidos deben ser poco o
nada inflamables según la información mostrada en el Anexo VI. En el Anexo VII se
muestra el seudocódigo realizado en EES para seleccionar el fluido orgánico de trabajo.
Tabla 2.9. Resultados obtenidos para cada fluido de trabajo para un ORC Simple.
Fluido P3
[kPa] P1
[kPa] T3
[ºC] T.crítica
[ºC] Título de vapor [%] Rendimiento [%]
R134a 3.247 1.017 91 101 93,06 5 R245fa 2.815 249,6 150 154 100 9,59 R600 3.250 379,2 150 152 100 9,33
(Fuente: Propia)
2.3.2. Estudio de las tecnologías ORC
La selección de la tecnología ORC se desarrolla en función de las principales
características: potencia eléctrica [kWe], rango de temperatura de aplicación, eficiencia
eléctrica, fluido orgánico empleado en ORC.
2.3.3. Empresas que desarrollan las tecnologías ORC en el mundo
Las principales empresas que desarrollan tecnología ORC en el mundo son: Ormat,
GMK, Freepower, Calnetix Power Solutions, Maxxtec, Turboden. En la secuencia se
describe las características principales de las tecnologías ORC.
2.3.3.1. Turboden
Turboden es una empresa italiana dedicada al estudio e implementación de sistemas
ORC para la recuperación de calor, sus sistemas ORC trabajan con fluidos calientes
como agua o aceite térmico para el aporte de calor al sistema. Además, presenta la
facilidad de enfriar el fluido orgánico con agua o aire dependiendo de la presión de
21
condensación del fluido orgánico. La Tabla 2.10. muestra los parámetros de selección del
sistema ORC según Turboden.
Tabla 2.10. Parámetros de sistemas ORC, marca Turboden, según su aplicación.
Fuente de energía Recuperación de
calor Geotérmica Biomasa
Características Potencia [kWe] 500-5.000 280-3.000 400-2.000 Rendimiento eléctrico 18-19% 16-18% 17-23% Fluido aporte térmico Tipo Aceite térmico Aceite térmico Aceite térmico Tin [ºC] 280 180 310 Tout [ºC] 150 140 250 Condensación Tipo Agua Agua Agua Tin [ºC] 25 90 60 Tout [ºC] 35
80
Fluido orgánico de trabajo Tipo OMTS
OMTS
T.evaporación [ºC] 152 152 152 T.condensación [ºC] 90 90 90 Tamaños [kWe] 500 200-1.200 200-600
(Fuente: [30])
2.3.3.2. Ormat
Ormat es una empresa ubicada en Estados Unidos (USA) que provee tecnología ORC
para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables, entre ellas la
energía geotérmica. La Tabla 2.11. muestra los parámetros relevantes en cuanto a la
tecnología ORC según la marca Ormat.
Tabla 2.11. Parámetros de sistemas ORC, marca ORMAT, según su aplicación. Fuente de energía Recuperación de calor Geotérmica
Características Potencia [kWe] 200-22.000 250-20.000 Fluido aporte térmico Tipo Aceite térmico Aceite térmico Tin [ºC] 230 95-315 Tout [ºC] 85
Condensación Tipo Aire/Agua Aire/Agua Fluido orgánico de trabajo Tipo n-pentano n-pentano Tin [ºC] 36 36 Vida útil [años] 20-25 20-25
(Fuente:[33])
2.3.3.3. Maxxtec
Maxxtec es una empresa alemana dedicada al diseño y fabricación de equipos y
centrales de calefacción a partir de biomasa mediante la aplicación de sistemas ORC y
22
CRC. La Tabla 2.12. muestra los parámetros relevantes de la tecnología ORC según la
marca Maxxtec.
Tabla 2.12. Parámetros de sistemas ORC, marca Maxxtec, según su aplicación.
Fuente de energía Recuperación de calor Biomasa Características Potencia [kWe] 200-22.000 250-20.000 Rendimiento eléctrico
15-18%
Fluido aporte térmico Tipo Aceite térmico Aceite térmico Tin [ºC] 230 95-315 Tout [ºC] 85
Condensación Tipo Agua Agua Tin [ºC] 60 60 Tout [ºC]
80-90
Fluido orgánico de trabajo Tipo OMTS OMTS T.evaporación [ºC] 287 287 Tcondensación [ºC] 90 90 Tamaños [kWe] 315-1.520 350-355
(Fuente:[34])
2.3.3.4. Calnetix Power Solutions
Calnetix Technologies es una empresa norteamericana líder a nivel mundial dedicada al
diseño y fabricación de productos para la industria aeroespacial, automotriz, alimentos,
HVAC, médica, energía. En cuanto a la industria energética se refiere, Calnetix
Technologies diseña y fabrica componentes y sistemas de motores y de generadores de
alta velocidad y de alta eficiencia energética para la recuperación de calor. La Tabla 2.13.
muestra los parámetros relevantes de la tecnología ORC según Calnetix Power Solutions.
Tabla 2.13. Parámetros de sistemas ORC según Calnetix Power Solutions.
Fuente de energía Recuperación de calor Características Potencia [kWe] 125 Rendimiento eléctrico 12% Fluido aporte térmico Tipo Aceite térmico Tin [ºC] 240 Tout [ºC] 115,5 Condensación Tipo
Tin [ºC] 4,5-40 Tout [ºC]
Fluido orgánico de trabajo Tipo R245fa T.evaporación [ºC] 15 T.condensación [ºC] -103 T.crítica[ºC] 154
23
(Fuente:[35])
2.3.3.5. GMK
Es uno de los principales desarrolladores y fabricantes de sistemas ORC en Europa.
GMK ofrece servicios de diseño, producción, implementación de sistemas ORC para la
generación de energía eléctrica a partir de calor residual, energía geotérmica y biomasa.
La Tabla 2.14. muestra los parámetros relevantes de la tecnología ORC GMK.
Tabla 2.14. Parámetros de sistemas ORC, marca GMK, según su aplicación. Fuente de energía Recuperación de calor Geotérmica Biomasa
Características Potencia [kWe] 50-5.000 50-5.000 50-2.000 Fluido aporte térmico Tipo
Tin [ºC]
100-300
Tout [ºC]
Condensación Tipo Aire/Agua Aire/Agua Aire/Agua Fluido orgánico de trabajo Tipo GL160(GMK) GL160(GMK) GL160(GMK) Rendimiento eléctrico Rendimiento <21% <17% <20% Tamaños [kWe] 50-570 250 350-1.400
(Fuente:[36])
2.3.3.6. Freepower
Freepower es una empresa inglesa dedicada al diseño y fabricación de componentes de
sistemas ORC para el aprovechamiento energético mediante recuperación de calor a
partir de fuentes de energía renovable como biomasa, aplicaciones solares y energía
geotérmica. La Tabla 2.15. muestra los parámetros de la tecnología ORC según la marca
Freepower.
Tabla 2.15. Parámetros de sistemas ORC, marca Freepower, según su aplicación.
Fuente de energía Recuperación de calor Biomasa Características Potencia [kWe] 2-500 2-500 Rendimiento eléctrico 17,60% 17,60% Fluido aporte térmico Tipo Aceite térmico Aceite térmico Tin [ºC] 180-225 180-225 Tout [ºC]
Condensación Tipo
Agua
Tin [ºC]
43 Tout [ºC]
64
Fluido Orgánico de trabajo Tipo Hidrofluoroeter Hidrofluoroeter T.evaporación [ºC] 50-100 50-100 T.condensación [ºC]
90
24
Fuente de energía Recuperación de calor Biomasa Características Tamaños [kWe]
200
(Fuente:[37])
2.3.4. Selección de los equipos
2.3.4.1. Sistema ORC
El sistema ORC es un sistema mediante el cual se aprovecha el calor residual de un
proceso industrial previo, por ejemplo, el uso de los gases de combustión de una caldera,
gases de escape de motores en una central térmica, entre otros, para la generación de
energía eléctrica mediante la conversión de la energía remaneciente en los gases. Este
sistema consta de varios equipos (turbina, generador, evaporador, condensador, bomba,
economizador), y su selección no se lo hace por separado, con la única excepción de la
caldera a biomasa. La caldera es el equipo encargado de entregar calor al circuito de
aceite térmico que posteriormente entregará calor al evaporador del sistema ORC.
Para seleccionar adecuadamente la tecnología a emplearse se debe conocer los
parámetros de selección del sistema ORC. Para ello se tomó datos proporcionados por
empresas representativas dedicadas al desarrollo de la tecnología ORC, mostrados en la
Tabla 2.16.
Tabla 2.16. Parámetros de selección del sistema ORC.
Fabricante Turboden Maxxtec Ormat Calnetix Power Parámetros Potencia [kWe] 400-2.000 300-2.400 250-20.000 125 Rendimiento eléctrico 17%-23% 15%-18%
Fluido de aporte
Tipo Aceite térmico Aceite térmico Aceite térmico Aceite térmico
Tin [ºC] 310 300 95-315 190
Tsalida [ºC] 250 245-250
Condensación Tipo Agua Agua Agua Agua Tentrada [ºC] 60 60
15
Tsalida [ºC] 80 80-90
21 Fluido orgánico Tipo R245fa OMTS n-pentano R245fa Tevaporacion [ºC] 287 36 121 Tcondensación [ºC] 90 -129 35 T.crítica [ºC] 154
154
Vida útil 20 años 20 años 20 años 20 años
(Fuente:, [34],[30] )
En el Anexo VIII se muestra el análisis multicriterio para la selección del sistema ORC,
donde la tecnología seleccionada es Calnetix Solutions de 125 kWe.
25
2.3.4.2. Caldera
La selección de la caldera se la hace por separado (no junto con el sistema ORC
seleccionado en el apartado anterior, que no incluye la caldera a biomasa). Para la
selección de la caldera se debe cumplir con parámetros de diseño en función del fluido
orgánico de trabajo, la biomasa disponible, presión y temperatura de trabajo. La Tabla
2.17. muestra los parámetros de diseño de la caldera a biomasa con circuito de aceite
térmico. Estos datos fueron tomados a partir de la selección del fluido de trabajo y
cantidad de biomasa disponible estudiada en las secciones 2.1, 2.2 y Anexo VII. Estos
datos fueron obtenidos mediante el modelado de un ciclo ORC usando el paquete
informático EES.
Tabla 2.17. Parámetros de selección de caldera. Parámetros Descripción Capacidad biomasa [kg/h] 262 Temperatura salida [ºC] <154 Presión [kPa] <2.815 Biomasa Cascarilla de arroz Fluido que aporta energía al fluido de trabajo Aceite térmico
(Fuente: propia)
En el mercado existen varios tipos de calderas, en particular las calderas a biomasa
queman el combustible en la cámara de combustión y el calor generado por la
combustión es transmitido al circuito de vapor o aceite térmico en el intercambiador de
calor (evaporador). Es importante seleccionar adecuadamente la caldera a biomasa con
el circuito de aceite térmico o agua. En la Tabla 2.18. se muestran las características que
presentan las calderas con circuito de vapor y aceite térmico.
Tabla 2.18. Características de calderas con circuito de vapor y aceite térmico.
Caldera con circuito de vapor Caldera con circuito de aceite térmico
Alta presión para conseguir altas temperaturas
Temperatura de trabajo menor a 340 [ºC] a bajas presiones
Alto costo de mantenimiento Bajos costos de mantenimiento
Requiere de equipos adicionales No requiere equipos adicionales
Eficiencia energética baja
Problemas de corrosión No presenta problemas de corrosión
(Fuente: [38])
Con las características del circuito de aporte de calor mostrado en la Tabla 2.18. se
determina que la caldera con circuito de aceite térmico presenta menos restricciones en
relación con el circuito de vapor, por tal razón se empleará una caldera con circuito de
26
aceite térmico para el desarrollo de este trabajo. A partir de esta esta información se
selecciona la tecnología adecuada de la caldera con circuito de aceite térmico.
La Tabla 2.19., Tabla 2.20. y Tabla 2.21. muestran los parámetros que se requieren tomar
en cuenta para la selección de la caldera según cada fabricante.
Tabla 2.19. Datos técnicos de caldera a biomasa Sitong Boiler.
Parámetros Descripción Capacidad [kg/h] 500-4.000 Temperatura salida [ºC] 150 Temperatura entrada [ºC] 40 Presión [kPa] 700-3.800 Combustible Cascarilla de arroz Potencia [kWt] 700
(Fuente:[39])
Tabla 2.20. Tecnología de caldera Alessandro.
Parámetros Descripción Capacidad [kg/h] 395,9 Temperatura salida [ºC] 90 Temperatura entrada [ºC] 40 Presión [kPa] 3.000 Combustible Cascarilla de arroz Líquido de trabajo Aceite térmico
(Fuente:[40])
Tabla 2.21. Tecnología Zhengzhou boiler. Parámetros Descripción Capacidad [kg/h] 250 Temperatura salida [ºC] 200
Temperatura entrada [ºC] 25 Presión [kPa] 600 Combustible Cascarilla de arroz Líquido de trabajo Aceite térmico
(Fuente:[41])
Mediante los datos tomados de cada empresa dedicada al diseño y construcción de
calderas a biomasa presentados en la Tabla 2.19., Tabla 2.20. y Tabla 2.21. se realizó un
análisis multicriterio con el fin de determinar la caldera a biomasa que se ajuste de mejor
manera a los parámetros presentados en la Tabla 2.17. El Anexo IX muestra los
parámetros considerados en la selección de la caldera Zhengzhou Zhongding Boiler CO.
2.3.5. Análisis termodinámico
En esta sección se presenta el análisis termodinámico del sistema ORC empleado en
este trabajo. La Figura 2.1. describe el proceso ORC y los puntos termodinámicos que
27
intervienen a lo largo del ciclo. Estos puntos termodinámicos serán usados como
referencia para determinar las ecuaciones que describen el sistema ORC.
El análisis termodinámico del ORC proporciona información sobre los parámetros del
sistema que influyen en su rendimiento., además entrega información termodinámica útil
de los equipos que intervienen en el sistema [29].
El sistema ORC es un proceso irreversible donde el fluido de trabajo afectará
directamente la eficiencia del sistema. Por ello es indispensable seleccionar
adecuadamente el fluido de trabajo para el sistema ORC [42]. En el caso de estudio se
seleccionó el fluido R245fa por sus propiedades termodinámicas favorables para la
aplicación en el ciclo ORC. La fuente de calor es una caldera alimentada con cascarilla de
arroz. La selección del fluido orgánico de trabajo se describió en la sección 2.3.1.
En la sección 2.3.1 se establecieron algunos parámetros de diseño que se deben
considerar para el modelado del sistema ORC, mostrados en la Tabla 2.22.
Tabla 2.22. Condiciones iniciales de diseño del sistema ORC.
(Fuente: [Propia])
Estos datos fueron obtenidos mediante el modelado de un sistema ORC variando los
fluidos de trabajo (mostrados en el Anexo VII).
Con los datos tomados de la Tabla 2.22. se plantea un sistema ORC en base a
información proporcionada por distribuidores de sistemas ORC.
Tabla 2.23. Parámetros del sistema ORC.
Parámetro Valor Parámetro Valor T [4] 116 [ºC] Eficiencia bomba 78% P [4] 1.519 [kPa] Eficiencia turbina 70% T [1] 31 [ºC] Potencia eléctrica 125 [kWe] P [1] 180 [kPa] Eficiencia del generador 95% CPaceite 1,97 [kJ/kg= C]
(Fuente:[35])
Los datos de la Tabla 2.23. están dentro de las condiciones iniciales del sistema ORC
descritos en la Tabla 2.22., de este modo se procede al cálculo de las condiciones
termodinámicas de cada punto termodinámico que involucra el sistema ORC.
Parámetros iniciales Valores T [4] <154 [ºC] P [4] <2.815 [kPa] T [1] 40 [ºC] P [1] Patm≥101,325 [kPa] Fluido de trabajo R245fa
28
Figura 2.1. Esquema del Ciclo Rankine Orgánico planteado en este trabajo.
(Fuente: Propia)
29
2.3.5.1. Bomba
El fluido de trabajo sale como líquido saturado del condensador en el punto (1), este debe
ser bombeado hacia el evaporador en el punto (2) ,para lo cual es necesario conocer la
eficiencia, trabajo y potencia de la bomba [43].
-.(/." ] ?e@ | ?zk{?ze{ | ?zk{^ (3)
0.(/." ] ?e@ | ?zk{[.(/." (4)
#$ .(/." ] 3$ 45678"}?ze{ | ?zk{~
(5)
De los datos suministrados por la empresa Calnetix Power Solutions se obtiene el valor
de la eficiencia de la bomba y la presión a la salida de la bomba.
-�1/� ] lmiq^^^� ^^^^Kze{ ] kYnqqzZKA{ Asumiendo que la eficiencia isentrópica de la bomba es 100% se determina que la
entropía del punto (2) es igual a la entropía del punto (1).
@e@ ] @zk{ Con los datos de presión y entropía en el punto (1) se determina la entalpía considerando
la eficiencia del 100%.
?e@ ] ehlmi ZpZX
De la ecuación (3) se determina el valor de la entalpía real en el punto (2).
?ze{ ] ehlmi uwu9 | ergmf uwu9lmiq � ehk ZpZX ] ehk ZpZX^ Potencia de la bomba
De la ecuación (5) se determina la potencia requerida por la bomba.
0$ .(/." ] hmqZX@ �ehk ZpZX | ergmf ZpZX� ] fmn^zZ#\{ 2.3.5.2. Evaporador
El evaporador es un elemento que se encarga de intercambiar calor entre el fluido
orgánico de trabajo y el aceite térmico. Mediante la combustión de cascarilla de arroz en
30
la caldera el aceite térmico es calentado, luego el aceite térmico transfiere calor al fluido
orgánico de trabajo para que este llegue a la fase de vapor saturado en el punto (4).
Para determinar las propiedades termodinámicas en el evaporador se requieren de al
menos dos propiedades termodinámicas del refrigerante, estos datos son determinados
en el Anexo VII.
Partiendo de los datos de presión y temperatura en el punto (4) se determina la entalpía
con la ayuda del software EES.
Kzh{ ] kYnkgzZKA{^^^^^^Gzh{ ] kkfzº�{ ?zh{ ] hqgmn ZpZX
Potencia térmica requerida en el Evaporador
Realizando un balance de energías en el evaporador se determina la potencia térmica
requerida. Ver la ecuación (6).
�$,2 ] 3$ 45678" d }?zh{ | ?zr{~
(6)
�$,2 ] hmqlZX@ d �hqgmn ZpZX | efrmq ZpZX� ] kYlqr^zZ#R{ El flujo másico del fluido orgánico es calculado posteriormente con la ecuación (16).
Flujo másico del aceite térmico
La caldera a biomasa combustiona cascarilla de arroz, producto de la combustión el
circuito de aceite térmico es quien recibe y transporta el calor necesario para la operación
del sistema ORC hacia el evaporador. El calor que la caldera debe suministrar al
evaporador (calor de entrada) se expresa mediante la ecuación (7).
�$,2 ] 3$ "*&,'&;<"*&,'&�G"*&,'& (7)
�G"*&,'& ] Gzi{ | Gzq{ (8)
Del balance de energías se determina el calor que requiere el fluido orgánico en el
evaporador. De manera ideal este calor debe ser igual al calor que el aceite térmico debe
aportar al fluido orgánico de modo que las ecuaciones (6) y (7) son iguales. Con lo cual
se puede determinar el flujo másico del aceite térmico en la caldera según la ecuación
(9). El calor específico del aceite térmico (Phenylnaphthaleno) se muestra en el Anexo X.
31
3$ "*&,'& ] �$,2;<"*&,'&�G"*&,'& (9)
3$ "*&,'& ] kYlqrmrf^zuwy {kmgi � uwu9��� d }ell | kql~=� ] eimnkZX@
2.3.5.3. Turbina
El fluido orgánico de trabajo sale del evaporador como vapor sobrecalentado en el punto
(4) y se expande en la turbina generando energía mecánica, expresada como el giro de
su eje. Este eje está conectado al eje del generador eléctrico al interior de un campo
magnético.
El proceso de expansión hace que la presión disminuya hasta la presión de condensación
en el punto (5) antes del economizador.
Kzn{ ] kqlzZKA{^^^^^^^^^^^-'1+.,2" ] lYi
@n@ ] @zh{^^^^^@b^^^^^^-'1+.,2" ] k^ Con la presión y entropía en el punto (5) se determina la entalpía considerando que la
eficiencia isentrópica de la turbina es 100%.
?n@ ] hhqmh^Zp�ZX
Donde h5s es la entalpía del punto (5) al considerar una eficiencia isentrópica de la
turbina de 100%, y h[5] es la entalpía real. De la ecuación (10) se determina la entalpía
real en el punto (5).
-'1+.,2" ] ?zh{ | ?zn{?zh{ | ?n@ ^
(10)
?zn{ ] ?zh{ | -'1+.,2"}?zh{ | ?n@~ ?zn{ ] hqgmn ZpZX | lmi �hqgmn ZpZX | hhqmh ZpZX� ] hflmir ZpZX
Con la entalpía y presión en el punto (5) se determina la temperatura en el punto (5).
Gzn{ ] fnmhezº;{
32
A partir de los datos provistos por el fabricante sobre el módulo ORC, se considera que el
sistema ORC entrega una potencia eléctrica de 125 [kWe]. Con este dato es posible
calcular la potencia neta del ciclo ORC, como se muestra en la ecuación (11).
#$%&'( ] #$ &)é*'+,*([9&2&+"F(+
(11)
#$%&'( ] ken^Z#\lYgn ] krkmf^Z#
La ecuación (11) también puede ser expresada de la siguiente forma:
#$%&'( ] 0%&'( d 3$ 45678"
(12)
Conociendo la potencia neta y el trabajo neto se puede determinar el flujo másico del
fluido orgánico de trabajo expresada en la ecuación (16).
0.(/." ] ?ze{ | ?zk{ ] ehk ZpZX | ergmf ZpZX ] kmrfe ZpZX (13)
0'1+.,2" ] ?zh{ | ?zn{ ] hqgmn ZpZX | hflmir ZpZX ] eqmin ZpZX (14)
0%&'( ] 0'1+.,2" |0.(/." ] eqmin ZpZX | kmrfe ZpZX ] eimrg ZpZX
(15)
3$ 45678" ] #$%&'(0%&'( ]krkmf uwyeimrg uwu9 ] hmqlZX@
(16)
Las ecuaciones (13), (14) y (15) el trabajo de la bomba, trabajo de la turbina y el trabajo
neto respectivamente.
La ecuación (17) expresa la potencia eléctrica generada en la turbina.
#$ '1+.,2" ] 3$ 45678" d 0'1+.,2" (17)
#$ '1+.,2" ] hmqlZX@ d ^eqmin ZpZX ] krq^Z#\
33
2.3.5.4. Economizador
El economizador es un intercambiador de calor que se emplea para extraer calor del
fluido orgánico que sale con un alto contenido de energía de la turbina, en el punto (5), y
entregárselo al fluido orgánico previo al ingreso en el economizador, en el punto (3).
El fluido orgánico sale de la turbina como vapor saturado e ingresa al economizador,
donde se entrega energía al fluido orgánico que sale de la bomba, y finalmente sale hacia
el condensador a la presión de condensación.
Kzn{ ] Kzf{^^^^� ^^Gzn{ � Gzf{ Kze{ ] Kzr{^^^� Gzr{ � Gze{
De forma ideal el fluido orgánico es vapor saturado a la salida del economizador (6).
Luego de este proceso el fluido ingresa al condensador con calidad 100% (ver Figura
2.3.).
Pzf{ ] k^^^^^� ^^^^^Kzf{ ] kqlzZKA{ Con estos parámetros característicos definidos a la salida del economizador se
determinan la presión y entalpía en el punto (6).
!
?zf{ ] hefmq ZpZX^^� ^^Gzf{ ] rlmhnzº;{ 2.3.5.5. Condensador
El fluido orgánico de trabajo sale del economizador en el punto (6) e ingresa en el
condensador a presión constante y sale como líquido saturado debido al rechazo de calor
del fluido orgánico de trabajo en el condensador hacia el ambiente.
A la salida del condensador se debe cumplir los siguientes requerimientos con el fin de
evitar daños en la bomba.
Pzk{ ] l^^^^^� ^^^^^Kzk{ ] Kzf{ El fluido orgánico debe salir del condensador como líquido saturado por lo cual la calidad
en el punto (1) debe ser cero. La presión en la entrada y salida del condensador no debe
cambiar significativamente. La presión en (1) y (6) son semejantes, el fluido de trabajo
pierde calor latente de modo que la temperatura en la entrada y salida del condensador
son semejantes.
^^Gzk{ ] rlmriz=�{^^^� ^^Gzf{ ] rlmhnz=�{^^^^^^^^
34
?zk{ ] ergmf ZpZX^^^^^^^ Calor rechazado
El calor es rechazado hacia el ambiente producto de la transferencia de calor entre el
fluido de trabajo y el fluido refrigerante del condensador (agua), proceso (6-1). La
ecuación (18) expresa el rechazo de calor en el condensador.
:(1' ] ?zf{ | ?zk{
(18)
:(1' ] hefmq ZpZX | ergmf ZpZX ] kqime ZpZX
�$(1' ] 3$ 45678"}?zf{ | ?zk{~
(19)
�$(1' ] hmqlZX@ �hefmq ZpZX | ergmf ZpZX� ] qgqmnf^zZ#R{ Flujo másico del agua de enfriamiento
Mediante un balance de energías se determina que el calor que se debe rechazar en el
condensador es igual al calor que gana el agua de enfriamiento durante este proceso.
3$ "91" ] �$(1';<"91"�G"91"
(20)
�G"91" ] Gzkl{ | Gzke{
(21)
3$ "91" ] qgqmnf uwyhmkqr uwu9�� }ef | ee~W� ] nrYffZX@
3$ zkk{ ] nrYffZX@
2.3.5.6. Torre de enfriamiento
Una torre de enfriamiento es un elemento que se emplea para enfriar algún fluido
proveniente de un proceso anterior mediante el intercambio de calor con un flujo de aire
impulsado por un ventilador. La torre de enfriamiento húmeda de tiro forzado (ver Figura
2.2.) es empleada en este trabajo ya que se requiere de un ventilador para suministrar el
flujo de aire necesario para enfriar el agua proveniente del condensador. En la torre de
enfriamiento interactúan dos fluidos agua y aire. A continuación, se describen las
35
temperaturas de entrada y salida del agua y del aire en la torre de enfriamiento de la
Figura 2.1.
Figura 2.2. Torre de enfriamiento húmedo de tiro forzado
(Fuente: [44])
Agua: Gzkk{ ] efzW�{^^^^� ^^^Gzke{ ] eezW�{ ?zkk{ ] klg ZpZX^^^^^ � ^^?zke{ ] gemeg ZpZX
El aire ingresa en la torre de enfriamiento a 22 [ºC] con humedad relativa de 60% y
abandona la torre de enfriamiento saturado a 30 [ºC]. Con la ayuda de la carta
psicrométrica del aire a 1 [atm] de presión se determina la entalpía y humedad relativa
(ω) del aire real.
Aire: Gzkr{ ] eezW�{^^^^� ^^^Gzkh{ ] rlzW�{ ?zkr{ ] himeh ZpZX^^^^^ � ^^?zkh{ ] ggmfq ZpZX
�zkr{ ] lmllgqgf^^^^^� ^^�zkh{ ] lmleikq
Balance de masa de aire seco
3$ ",+&zkr{ ] 3$ ",+&zkh{ ] 3$ ",+&
(22)
Balance de masa de agua
3$ zkk{ � 3$ ",+&zkr{�zkr{ ] 3$ zke{ � 3$ ",+&zkh{�zkh{ (23)
36
3$ zkk{ | 3$ zke{ ] 3$ ",+&}�zkh{ | �zkr{~ Balance de energía
3$ zkk{?zkk{ � 3$ zkr{?zkr{ ] 3$ zke{?zke{ � 3$ zkh{?zkh{
(24)
Sustituyendo las ecuaciones (22) y (23) en la ecuación (24).
3$ ",+& ] 3$ zkk{}?zkk{ | ?zke{~}?zkh{ | ?zkr{~ | ?zke{}�zkh{ | �zkr{~
(25)
Usando la ecuación (25) determinamos el flujo másico del aire real.
3$ ",+& ] nrYff u9y }klg uwu9 | gemeg uwu9~�ggmfq uwu9 | himeh uwu9� | gemeg uwu9 }lmleikq | lmllgqgf~ 3$ ",+& ] kiYff ZX@
El Anexo XI muestra el código implementado en EES para determinar el flujo másico del
aire en la torre de enfriamiento.
2.3.5.7. Diagrama T-s
El diagrama T-s es una curva de temperatura versus entropía específica, que determina
en qué lugar del diagrama de propiedades termodinámicas (campana de saturación) se
encuentra cada punto termodinámico a lo largo del ciclo ORC. Este diagrama también
muestra si existe cambio de fase en el fluido de trabajo, etc. La Figura 2.3. muestra el
diagrama T-s del ciclo ORC.
37
Figura 2.3. Diagrama T-s del ciclo ORC.
(Fuente: Propia, usando EES)
De la Figura 2.3. se puede observar que el fluido orgánico a la entrada de la bomba es
líquido saturado (punto (1)) con lo cual se asegura un funcionamiento óptimo de la
bomba. Del mismo modo, el fluido orgánico a la entrada de la turbina (punto (4)) es vapor
sobrecalentado con lo cual se evita el ingreso de humedad en la turbina, asegurando así
un adecuado funcionamiento de la turbina.
Alimentación de cascarilla de arroz
Para determinar el flujo másico de cascarilla de arroz necesaria, que se debe
combustionar en la caldera para elevar la temperatura del aceite térmico a una
temperatura de 190 [ºC], se debe tener en cuenta el PCI (Poder Calórico Inferior). Este
parámetro característico determina la cantidad de energía liberada por unidad de masa
del biocombustible durante la combustión. Para la cascarilla de arroz se utilizará un valor
de 14,95 [MJ/kg] [4].
El calor de entrada necesario en el evaporador se determina mediante las entalpías de
entrada y salida en el evaporador, como se muestra en la ecuación (6).
�$,2 ] 3$ 45678" d }?zh{ | ?zr{~ �$,2 ] hmqlZX@ d �hqgmn ZpZX | efrmq ZpZX�
�$,2 ] klqh^zZ#R{
38
El calor aportado por la cascarilla de arroz debe ser un tanto mayor que el calor que se
requiere suministrar en el evaporador y esto se debe a las pérdidas de energía térmica.
Este valor se determina mediante ecuación (26).
�$,2 ] K;O d 3$ *"y*"+,))"
(26)
3$ *"y*"+,))" ] �$,2K;O 3$ *"y*"+,))" ] kYlqh^Z#khYgnl uwu9 d
kZpZ# d @ ] lmliehfZX@ ^ Cascarilla de arroz requerida por año
La cantidad de cascarilla de arroz requerida anualmente para operar el ciclo ORC se
determina mediante la consideración del factor de disponibilidad. Este factor expresa el
número de horas de operación de una planta a lo largo del año. Para el sistema ORC se
tomará un factor de disponibilidad de 0,82 cuyo valor está dentro del rango para una
planta de generación eléctrica a partir de biomasa. La ecuación (27) determina el factor
de disponibilidad del sistema ORC.
!" ] ?_BA@^`\^!a[Db_[A3b\[R_^`\^cA^<cA[RA?_BA@^R_RAc\@^`\c^Añ_
(27)
!" ] ?_BA@^`\^!a[Db_[A3b\[R_^`\^cA^<cA[RA?_BA@^R_RAc\@^`\c^Añ_
!" ] iYell?qYifl? ] lmqee
El factor de disponibilidad indica que el sistema ORC estará en funcionamiento 7.200
horas de las 8.760 horas del año.
La producción anual de cascarilla de arroz se determina mediante la ecuación (28).
3$ *"y*"+,))" ] KB_`aDDbó[^!" (28)
3$ *"y*"+,))"zZX�@{ ] KB_`aDDbó[zR�Añ_{^!" d kYlllZXkR d k?rYfll@ d k^Añ_qYifl^?
KB_`aDDbó[zR�Añ_{ ] 3$ *"y*"+,))" d �iYellqYifl� d rYfll@k? d kRkYlllZX d qYifl^?Añ_ ^
39
KB_`aDDbó[ � RAñ_� ] lmliehfZX@ ^d �iYellqYifl� d rYfll@k? d kRkYlllZX d qYifl^?Añ_
KB_`aDDbó[ ] kYqql^ � RAñ_�^ 2.3.5.8. Secador
En el proceso de secado de arroz mostrado en la Figura 2.1. se aprovecha los gases de
escape generados en la caldera, estos gases circulan a través de una tubería impulsados
por un ventilador.
Para el diseño del equipo de secado se considera que la temperatura de secado debe ser
40 [ºC] para obtener arroz “seco”, con un porcentaje de humedad del 13%, ideal para el
proceso de pilado de arroz. Esta información fue obtenida de los productores de arroz y
plantas piladoras, a través de comunicación directa y entrevistas.
Mediante un análisis paramétrico realizado en el paquete informático EES, mostrado en el
Anexo XII, se determina los parámetros del secador, indicados en la Tabla 2.24. Estos
resultados son preliminares y no deben ser considerados como resultados definitivos.
Tabla 2.24. Parámetros del equipo de secado de arroz.
(Fuente: Propia)
Eficiencia del ciclo ORC
La eficiencia térmica del ciclo ORC se define como el cociente entre el trabajo neto del
ciclo termodinámico ORC y el calor suministrado al evaporador. La ecuación que describe
la eficiencia del ciclo se describe en la ecuación (29).
-*,*)( ] 02&'(�,2 ^ (29)
-*,*)( ] ?zh{ | ?zn{ | ?ze{ � ?zk{?zh{ | ?zr{ d kll
Parámetro Valor Valor Valor Temperatura de los gases 254 [ºC] 254 [ºC] 254 [ºC] Temperatura de salida 60 [ºC] 60 [ºC] 60 [ºC] Temperatura superficial 40 [ºC] 40 [ºC] 40 [ºC] Longitud de la tubería 19,5 [m] 19,5 [m] 19,5 [m] Diámetro de la tubería 4 [in] 6 [in] 9 [in] Flujo másico 0,153 [kg/s] 0,03 [kg/s] 0,246 [kg/h] Caudal 0,1864 [m3/s] 0,04 [m3/s] 0,333 [m3/h] Potencia del ventilador 0,03 [kWe] 0,006 [kWe] 1 [We]
40
-*,*)( ] }hqgmn | hflYq~ uwu9 ^| }ehk | ergmf~ uwu9^}hqgmn | efrmq~ uwu9 d kll ] keYk�
Eficiencia de la planta ORC
La eficiencia de la planta ORC se define como el cociente entre la potencia eléctrica del
ciclo ORC y la potencia de combustión mostrada en la ecuación (30).
-�)"2'" ] K&)é*'+,*"K*(/.1y',ó2
(30)
La potencia de combustión se muestra en la ecuación (31) [44].
K*(/.1y',ó2 ] 3$ *(/.1y',.)& d K;O*(/.1y',.)&
(31)
K*(/.1y',ó2 ] lmliehfZX@ d khYgnl ZpZX ] kYlqrmei^Z#R -�)"2'" ] krkmf^Z#kYlqrmei^Z#R d kll ] ke�
Potencia de la planta ORC (MWe)
La potencia de la planta ORC se expresa en MWe y se expresa mediante la ecuación
(32), presentada para proyectos de generación eléctrica usando biomasa como fuente de
energía [30], donde el factor de planta expresa las horas de operación del sistema ORC.
K ] lmeiq d 3$ .,(/"y" d K;O.,(/"y" d [�)"2'"!ADR_B^`\^<cA[RA
(32)
K ] lmeiq d kYqql '"ñ( d khmgnvwu9 d lmkekhiYell ] lmkenS#\ K ] kenZ#\
Energía eléctrica generada anualmente C9 ] K d !A
(33)
C9 ] ^kenZ# d qYifl ?jño d �iYellqYifl� ] gllS#?jño
41
2.4. Estudio del potencial bioenergético económico
Se consideran tres casos de estudio (escenarios) con fines energéticos, para el escenario
I se considera el estado actual de las piladoras de arroz las cuales tienen un gasto
energético mediante el uso de GLP para el secado de arroz y energía eléctrica necesaria
para operar la piladora. El escenario II se considera la implementación del sistema ORC,
los costos de combustibles cero (cascarilla de arroz). El escenario III considera la
implementación del ORC y los costos de combustibles. Este estudio hace énfasis en el
escenario II.
El análisis económico es una parte complementaria del estudio técnico, el principal
objetivo en este apartado es analizar la viabilidad económica del proyecto con el fin de
determinar si el proyecto se puede implementar o no, para el efecto se analizará los
ingresos, egresos y viabilidad económica del proyecto.
2.4.1. Costos del proyecto
2.4.1.1 Costos de equipos
Los datos presentados en la Tabla 2.25. muestra los costos de cada equipo involucrado
en el sistema ORC, estos datos fueron provistos por los fabricantes de sistemas ORC
presentados en la sección 2.3.4.
Tabla 2.25. Costos de la planta con respecto a los fabricantes de ORC.
Fabricantes Valor del equipo (USD/kWe) kWe mínimo instalado ORMAT 3.000 250 TURBODEN 950 400 PRATT & WITHNEY 1.340 280 INFINITY TURBINE 5.000 100 ELECTRA THERM 2.702 110 TRIOGEN 3.857 100 Fuente: (Propia, [30])
De la Tabla 2.25 se observa que el costo del equipo de Turboden es barato con respecto
a los demás fabricantes debido que es mayor el kWe instalado.
2.4.1.2 Tarifas preferenciales de energías renovables
Para conocer el ingreso obtenido por venta de energía utilizaremos las tarifas dada por el
ARCONEL. La Tabla 2.26. describe los precios preferenciales de venta de la energía
eléctrica con cada tipo de tecnología de aprovechamiento de energías renovables en
Ecuador.
42
Tabla 2.26. Precios preferenciales de energías renovables. Centrales [cent. USD/kWh] Eólica 9,13 Fotovoltaica 40,03 Biomasa y biogás < 5MW 11,05
Biomasa y Biogás > 5MW 9,6 Geotérmica 13,21
(Fuente:[4])
2.4.1.3 Costos de inversión
Una vez obtenido los datos de diferentes marcas de tecnologías ORC, referenciales a
nivel mundial, se calcula el flujo de caja, con lo cual se puede medir la viabilidad
económica del proyecto propuesto. Se realiza el flujo de caja para la vida útil del equipo,
en el caso de este estudio es 20 años. La Tabla 2.27 muestra los porcentajes
correspondiente a los diferentes costos involucrados en la implementación del sistema
ORC. Estos datos son aproximaciones tomados de referencias provistas por los
fabricantes de sistemas ORC presentados en la sección 2.3.4. [30]. Los datos
proporcionados en la Tabla 2.27 no deben ser considerados como datos exactos.
Tabla 2.27. Parámetros económicos aproximados de una planta ORC de 125 kWe.
Elemento Porcentajes Costos aproximados [USD]
Caldera 9,5% 31.600 Torre de enfriamiento 9,2% 30.800 Sistema ORC 27,2% 90.611 Costos M&O - 6.685 Costos M&O V. - 4.500 Obras civiles 18,1% 60.407 Instalación 9% 30.204 Contingencia 9% 30.204 Ingeniería 9% 30.204 Puesta en marcha 9% 30.204 Total 100% 334.232
(Fuente: [45])
La Tabla 2.27 muestra el costo de inversión para la implementación del sistema ORC
cuyo valor de 334.232[USD] es una aproximación ya que no hay disponibilidad de
información de costos de equipos.
2.4.1.4 Coste de biomasa
Se tomó de referencia el costo de la cascarilla de arroz en el mercado ecuatoriano, donde
un camión de capacidad de 12.000 [kg] de cascarilla de arroz tiene un costo de 180
[USD]. Así se determina que el costo de la cascarilla es 0,015 [USD/kg]. La Tabla 2.28
43
muestra el costo de la cascarilla de arroz necesaria para operar el sistema ORC para la
generación de 125kWe.
Tabla 2.28. Costo de biomasa.
Costo Cantidad necesaria [t/año]
Costo [USD/kg] Costo anual [USD/ año]
Biomasa requerida
1.880 $0,015 $28.200
Fuente: (Propia)
2.4.2. Financiamiento
Una vez definidos los costos de implementación se debe buscar el financiamiento
necesario para cubrir dicho valor en el menor tiempo posible para obtener beneficios
económicos y recuperar la inversión inicial a corto plazo. En caso de que no se pueda
cubrir con capital propio el 100% del valor, se requiere realizar un préstamo en una
entidad financiera. Se ha considerado un financiamiento donde los pagos se realizarán
durante 5 años, a una tasa de interés de 10% para proyectos que requieran préstamos
por montos superiores a 200.000 [USD] [46]. Se ha considerado que el 70% de la
inversión total será cubierto por el préstamo realizado en una entidad financiera y el 30%
será mediante capital propio. La Tabla 2.29. muestra la amortización del préstamo
considerando que el préstamo representa en 70% de la inversión total (334.232 [USD])
en un lapso de 5 años, en dicho tiempo la deuda será pagada en su totalidad.
Tabla 2.29. Amortización de la deuda.
Periodo[años] Dividendo[USD] Interés[USD] Capital[USD] Saldo[USD] 0 233.962 1 61.340 22.834 38.506 195.456 2 61.340 19.076 42.264 153.192 3 61.340 14.951 46.389 106.803 4 61.340 10.423 50.916 55.886 5 61.340 5.454 55.886 0,00
(Fuente: Propia)
2.4.3. Ingresos
En este apartado se determina los ingresos obtenidos mediante la implementación del
sistema ORC. Para ello, es posible obtener ingresos por venta de energía eléctrica,
sustitución de GLP en el proceso de secado de arroz y venta de certificados por
reducción de emisiones [47].
44
2.4.3.1. Venta de energía
El principal ingreso que tiene una central generadora de energía eléctrica se debe a la
venta de energía eléctrica al Sistema Nacional Interconectado y/o al uso de energía
eléctrica generada como autoconsumo en la piladora. Este último representa un ingreso
expresado en ahorro económico en la piladora debido a que no se debe incurrir en el
pago de electricidad ya que se usa la misma energía eléctrica generada. En Ecuador, de
acuerdo a lo regulado por la Agencia de Regulación y Control de Electricidad
(CONELEC)[47], el precio fijado para electricidad proveniente de plantas que usen
biomasa y biogás, para las centrales eléctricas menores a 5 MW, es de $0,096 USD/kWh
[48]. Donde la ecuación (31) expresa los ingresos generados debido a la venta de
energía eléctrica al SNI, de los 125 [kWe] se puede exportar al SNI 68 [kWe] y 57 [kWe]
son empleados para autoconsumo de la piladora.
O&2&+9," ] }}fq^Z#\ � niZ#\~ d qYifl?jño d iYellqYifl d~�lmlgf ���Z#?
O&2&+9," ] qfYhll���jño
2.4.3.2. Vigencia de los precios
Según la regulación No. CONELEC-001/13, con su modificación en la Resolución N=
017/12 (2016) “los precios establecidos en esta regulación se garantizarán y tendrán
vigencia por un periodo de 15 años a partir de la fecha de suscripción del título
habilitante, para todas las empresas que hubieren suscrito dicho contrato”.
2.4.3.3. Reducción de emisiones de CO2
Para determinar la reducción de emisiones de CO2 se debe recurrir a la ecuación (35) [47].
La ecuación (35) expresa la reducción de emisiones anuales de ;�5, que es función del
factor de emisión y de la cantidad total de energía eléctrica exportados a la red (MWh)
expresados en la ecuación (34). El factor de emisión medio del sistema eléctrico de
Ecuador es 0,506 tCO2 por cada MWh de energía eléctrica generado. [49]
GHI5&J ] CE9+,F d C9
(35)
GHI5&J ] lmnlf ���5��� d gllS#?jño ^^^^^
O&2&+9," ] }CL%M � CN1'(~ d ; (34)
45
GHI5&J ] hnnmh ���5jño ^^ Para determinar los ingresos generados por la venta de certificados de reducción de
emisiones de CO2 se considera que el precio de los CERs tiene un valor constante de
0,0898 USD/tCO2.[50]
OHI5 ] GHI5&J d ;CT@ (36)
OHI5 ] hnnmh���5 d lmlqgq ������5 OHI5 ] hlmg���jño
El mercado de venta de carbonos en el Ecuador está presente desde el año 2003, el cual
ha estado en constante crecimiento hasta la actualidad, donde el Ministerio del Ambiente
es el ente en aprobar este tipo iniciativas. [51]
2.4.3.4. Costo requerido en el secado de arroz mediante el uso de GLP
El secado del arroz es un proceso crítico y de suma importancia, su fin es disminuir la
humedad contenida en el arroz hasta un porcentaje mínimo de entre 10% hasta 13% de
humedad. El objetivo del secado es evitar daños al arroz, producido por el ataque de
microorganismos.
Secado natural del arroz
El secado natural es el proceso mediante el cual el arroz es expuesto directamente a la
radiación solar, aprovechando también el flujo natural de aire a través del arroz, para
disminuir la cantidad de humedad contenida en el grano de arroz. Este proceso de
secado puede ser llevado a cabo siempre y cuando las condiciones meteorológicas sean
favorables.
Este proceso de secado se lo realiza primordialmente en piladoras de segunda categoría
en donde su capacidad de pilado es inferior a 20qq/h.
46
Figura 2.4. Secado natural del arroz
(Fuente: [52])
Secado artificial del arroz
El secado artificial es un proceso mediante el cual se emplea un flujo de aire caliente a
alta temperatura impulsado por un ventilador con el fin de disminuir la humedad contenida
en el grano de arroz. La fuente de aire caliente puede ser mediante la quema de
combustible o por el uso de los gases de escape de algún proceso de combustión en una
caldera, etc.
Figura 2.5.Secador continúo de aire caliente tipo cascada
(Fuente: [52], adaptada por los autores)
Cantidad anual de arroz húmedo estimada
De la Tabla 2.3. se estima la cantidad de arroz que se debe secar, considerando que solo
el 80,24% de la producción de arroz representa arroz seco y el 19,76% de la producción
de arroz representa arroz húmedo.
Como ejemplo de cálculo se determina la cantidad de arroz a secar en la provincia del
Guayas.
>?@ ] KB_`aDDbó[^\[^�BaR_^`\^ABB_� d >?
(37)
�� ] ginYkfi �jño d lmkgif ] kgeYfgr �^j¡¡o¢^�£¤¥¦ojño
En la provincia del Guayas se estima que operan 486 piladoras de primera categoría y
segunda categoría, de este dato se estima que en promedio la cantidad de arroz a secar
es de 361 t/ año por piladora.
47
Tabla 2.30. Cantidad de arroz húmedo a secar por piladora en Guayas.
Cantón Piladoras 1ra
Piladoras 2da
Arroz húmedo [kg/año]
Arroz húmedo total por piladora [kg/año]
Alfredo Baquerizo M. 8 14 8.294.724 377.032 Balzar 3 12 7.598.654 506.576 Colimes 4 18 10.189.296 463.149 Crnel. Marcelino M. - - 726.247 - Daule 25 27 37.515.098 721.444 Durán - - 4.014.549 - El triunfo 8 2 1.831.766 255.801 Empalme 2 14 1.921.496 120.093 Guayaquil 9 6 2.708.230 180.548 Isidro Ayora - - 940.481 - Lomas de Sargentillo 15 15 1.009.423 33.647 Milagro 12 6 955.831 53.101 Naranjal 5 8 14.336.653 1.411.630 Naranjito - 4 348.854 87.213 Nobol 9 7 5.130.803 320.675 Palestina 5 15 5.595.386 279.769 Pedro Carbo - 7 1.376.688 196.669 Salitre 18 38 21.277.696 379.958 Samborondón 30 33 26.557.890 421.553 San Jacinto de Y. 22 19 17.784.226 433.761 Santa Lucía 12 29 19.324.030 494.256 Simón Bolívar 11 14 3.254.980 130.199 Total 198 288 192.693.012 396.487 Promedio - - 8.758.773 361.425
Fuente:(Propia, [4])
Cascarilla de arroz anual necesaria para el secado de arroz húmedo
Según un estudio del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable se requiere de 1kg
de cascarilla de arroz para secar 10 kg arroz húmedo en reemplazo al secado mediante
el uso se secadores a base de GLP. Esta información se determina en la ecuación (38).
;AB@ ] k^ZX^DA@DABbccAkl^ZX^ABB_�^?a3\`_ d >?@ (38)
;AB@ ] k^ZX^DA@DABbccAkl^ZX^ABB_�^?ú3\`_ d kgeYfgr �^j¡¡o¢^�ú¤¥¦ojño
;AB@ ] kgYefg R^DA@DABbccA^`\^ABB_�jño ^ En promedio se estima que la cantidad anual de cascarilla de arroz necesaria para el
secado de arroz es 36 t/año por piladora.
48
Energía anual requerida para el secado de arroz húmedo en Guayas
Según un estudio del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable se requiere de 1,06
kWh por cada 10 kg de arroz húmedo para el funcionamiento de secadores a base de
GLP.
CB@ ] kmlf^Z#?kl^ZX^ABB_�^?ú3\`_ d >?@ (39)
CB@ ] kmlf^Z#?kl^ZX^ABB_�^?ú3\`_ d kgeYfgr �^j¡¡o¢^�ú¤¥¦ojño
CB@ ] elYhenS#?jño
En promedio se estima que la cantidad anual de energía necesaria para el secado de
arroz es 38.311 MWh/año por piladora promedio.
Combustible anual requerido para el secado de arroz húmedo en Guayas
Según un estudio del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable se requiere de 55 kg
de GLP por cada tonelada de arroz húmedo para el funcionamiento de secadores a base
de GLP.
;B@ ] nnZX§¨KR^ABB_�^?ú3\`_ d >?@ (40)
;B@ ] nnZX§¨KR^ABB_�^?ú3\`_ d kgeYfgr �^j¡¡o¢^�ú¤¥¦ojño ^ ;B@ ] klYngqYkkn^ ZX§¨Kjño
En promedio se estima que la cantidad anual de combustible necesario para el secado de
arroz es 19.878 kgGLP/año por piladora.
Costo anual para secado de arroz húmedo en Guayas
Considerando que el costo del GLP industrial es 0,763983 USD/kgGLP se determina que
el costo anual debido al uso de GLP en Guayas es:
;D ] lmifrgqr ©ª«¬®¯° d ;B@ (41)
;D ] lmifrgqr ©ª«¬®¯° d klYngqYkkn^ ZX§¨Kjño ^^
49
;D ] qYlgfYiql���jño
En promedio se estima que el costo anual de combustible necesario para el secado de
arroz es 15.186 USD/año por piladora.
2.4.3.5. Ahorro económico por el no uso de GLP en el proceso de secado
El proceso de secado de arroz se lo hace de manera tradicional mediante el uso de
secadores a base de GLP. Este trabajo plantea el secado de arroz haciendo uso de los
gases de escape generados en la quema de cascarilla de arroz en la caldera a biomasa.
De esta forma se evitaría el secado mediante secadores a base de GLP y de este modo
se evita el gasto de 15.186 USD/año debido al secado de arroz mediante secadores.
2.4.3.6. Depreciación de equipos
Para determinar la depreciación de equipos se aplica el método de reducción de saldos.
De este modo se determina un valor de salvamento mayor a cero. Se considera al
método de depreciación acelerada solo en los casos de bienes nuevos, y con una vida
útil de al menos de cinco años [53]. La Tabla 2.31. muestra la depreciación del valor total
de los equipos.
Tabla 2.31. Depreciación de activos fijos. Año Equipo ORC
[USD] Torre de enfriamiento
[USD] Caldera [USD]
Valor neto [USD]
0 90.611 31.600 30.800 153.011 1 71.975 25.101 24.465 121.541 2 57.172 19.938 19.433 96.543 3 45.413 15.838 15.437 76.687 4 36.073 12.580 12.262 60.915 5 28.654 9.993 9.740 48.386 6 22.760 7.938 7.737 38.435 7 18.079 6.305 6.145 30.530 8 14.361 5.008 4.881 24.251 9 11.407 3.978 3.877 19.263 10 9.061 3.160 3.080 15.301
Fuente:(Propia)
A partir del año 10 el valor neto es de 0 [USD] hasta el año 20 el cual es la vida útil del
equipo de la planta, como se puede observar en los Anexo XV y Anexo XVI.
2.4.4. Rentabilidad económica
El establecer los rubros de ingresos y egresos del proyecto nos permite conocer la
viabilidad financiera del proyecto, medida a través de indicadores financieros.
50
Tasa mínima atractiva de retorno (TMAR)
Es una tasa mínima de retorno que define si un proyecto analizado generará ganancias.
El capital necesario para la inversión puede ser obtenido con inversionistas, usando
capital propio o con préstamos bancarios. La TMAR se expresa en la ecuación (42).
GS>TH"�,'") ] PQ � <B (42)
Tasa de inflación
Suponiendo que el capital que se va a utilizar es financiado por una entidad bancaria, se
debe calcular el valor de la TMAR correspondiente al proyecto planteado y este valor
debe ser mayor a la tasa de inflación calculada.
En este estudio se trabaja con valores tomados desde 2012 a 2016 [54], en la Tabla 2.32.
se muestra los valores de la tasa de descuento de los años comprendidos entre 2012 y
2016 en Ecuador.
Tabla 2.32. proyección de tasa de inflación anual.
Año Tasa de inflación anual [%] 2012 4,16 2013 2,70 2014 3,67 2015 3,38 2016 1,12
Fuente:[54]
PQ ] ±P² d P5 d P³ d P6 d P7´!
(43)
Para calcular la media geométrica de la tasa de inflación anual se considera la ecuación
(43), donde P²m P5mP³m P6m P7 son los elementos que corresponde a las tasas de inflación de
los años anteriores.
PQ ] ±}hmkf~ d }emi~ d }rmfi~ d }rmrq~ d }kmke~´
PQ ] emin�
Premio al riesgo
Es el crecimiento real del valor del dinero y se denomina así porque los inversionistas
arriesgan su capital al realizar una inversión en un negocio o proyecto con algún grado de
riesgo. Por dicha acción los inversionistas buscan obtener una ganancia adicional sobre
la tasa de inflación, cuyo valor oscila entre el 10% y 15%, dependiendo el sector
industrial/comercial en donde se realiza el proyecto.
GS>TH"�,'") ] emin�� kl�
51
GS>TH"�,'") ] kemin%
Tasa mínima atractiva de retorno para el proyecto
En la Tabla 2.33. se muestra el valor de la TMAR para el valor total del proyecto (capital
propio invertido más el préstamo que se realiza en una entidad bancaria), cuyo valor es
10,82%. Esto es el rendimiento mínimo que deberá ganar la empresa para poder pagar el
crédito a una tasa de interés de 10%.
Tabla 2.33. Tasa de descuento.
Origen de los recursos
TMAR [%] FP (Factor de ponderación) [%]
Costo ponderado [%]
Capital propio 12,75 30 3,82 Deuda 10 70 7 Fuente: (propia)
GS>Tµ+(¶&*'( ] ·GS>T*"�,'") d EK*"�,'")¸ � }GS>TF&1F" d EKF&1F"~
(44)
GS>Tµ+(¶&*'( ] }kemin� d rl�~ � }kl� d il�~ GS>Tµ+(¶&*'( ] klmqe�
Tasa de descuento
La tasa de descuento debe ser mayor que la tasa mínima atractiva de retorno para que el
proyecto sea viable, por tal razón se asume una tasa de descuento del 12%.
Para determinar la rentabilidad económica del proyecto se debe calcular indicadores
financieros como: valor actual neto (VAN), la tasa interna de retorno (TIR), pay-back
(plazo de recuperación de inversión inicial) y la relación costo beneficio.
2.4.5. Valor Actual Neto (VAN)
Este método es empleado para determinar si el desarrollo de un proyecto es viable o no.
El procedimiento consiste en actualizar al presente los flujos de caja futuros que se van a
generar durante la vida útil del proyecto. A cada flujo de caja futuro se le aplica un
descuento mediante una tasa de descuento y al valor resultante en año cero se le resta el
importe de la inversión inicial obteniendo así el VAN. Este indicador se usa para tomar
una decisión en función del valor numérico como se muestra en la Tabla 2.34.
U>V ] |OW �¹ E'}k � Z~'2'»²
(45)
52
La ecuación (45) expresa el valor actual neto del proyecto como función del costo de
inversión inicial (USD), del flujo de caja que corresponde a cada periodo (USD), de la tasa
de descuento k (12%) y del tiempo de funcionamiento de la planta expresada en años.
La ecuación (46) muestra el flujo de caja correspondiente a cada año el cual depende de
los ingresos obtenidos anualmente, de los gastos directos e indirectos, además del pago
de impuesto a la renta el cual varía dependiendo de las ganancias obtenidas en cada año
en el Anexo XIX y el pago de amortización al banco.
E' ] O' | X' | O3 | >3
(46)
E' ] }krnYhnf | kkYkqn | qYqlh | eiYhel~z©ª«{ E' ] qqYlhiz©ª«{^
U>V ] |rrhYere � qqYlhi}k � lmke~² �¼� nfYhhe}k � lmke~5W
U>V ] 162.242 [USD]
La Tabla 2.34. muestra el significado del valor numérico del VAN obtenido en el proyecto.
Tabla 2.34. Interpretación del VAN, significado y proceso en la toma de decisión en una inversión.
Valor Significado Decisión
VAN>0 La inversión producirá beneficios por encima de la rentabilidad exigida.
El proyecto puede aceptarse.
VAN<0 La inversión producirá pérdidas por debajo de la rentabilidad exigida.
El proyecto debería ser rechazado.
VAN=0 La inversión no producirá beneficios ni pérdidas.
El proyecto no conlleva ningún resultado económico. La decisión debe tomarse en función de otros criterios.
(Fuente:[55])
2.4.6. Tasa Interna de Retorno (TIR)
Es la tasa de interés que proporciona un proyecto con un valor actual neto nulo, es decir,
la tasa de interés por la cual los costes de inversión conducen a beneficios [56]. Se
establece una tasa de descuento y si esta es superada por la TIR se acepta la inversión y
caso contrario se rechaza [55].
U>V ] |OW �¹ E'}k � GOT~' ] l2'»²
(47)
53
La ecuación (47) expresa la tasa interna de retorno del proyecto en el cual el VAN es
cero, esta expresión es función del flujo de caja correspondiente a cada periodo E' (USD),
del coste de inversión OW (USD), y del tiempo de servicio t de la planta expresada en años.
U>V ] qqYlhi}k � GOT~² �¼� nfYhhe}k � GOT~5W | rrhYere ] l
GOT ] el�
La Tabla 2.35. muestra el significado del valor numérico de la TIR obtenido en el proyecto
y es de gran importancia ya que es un parámetro financiero crítico en la toma de
decisiones del proyecto
Tabla 2.35. Interpretación de la TIR.
Valor Significado Decisión
TIR>k La inversión producirá una rentabilidad mayor que el coste de oportunidad del capital (k), que es la rentabilidad mínima exigida.
El proyecto puede aceptarse.
TIR<k La inversión producirá una rentabilidad menor que el coste de oportunidad del capital (k), que es la rentabilidad mínima exigida.
El proyecto debería no ser aceptado.
TIR=k La inversión no producirá rentabilidad. Es indiferente. (Fuente:[56])
2.4.7. Tiempo de recuperación de una inversión
Se define como el tiempo que se tarda en recuperar la inversión inicial a través de los
flujos de caja generados. Se considera que la inversión ha sido recuperada en el año en
el que los flujos de caja acumuladas en valor presente superan la inversión inicial [55].
RB ] }>~ � �½^;^� (48)
La ecuación (48) muestra el tiempo de recuperación del capital donde A representa el
último período con flujo acumulado negativo, B representa el valor absoluto del último
flujo acumulado negativo y C representa el valor del flujo de caja en el siguiente periodo.
> ] f^Añ_@ ½ ] eYngh^z���{ � ^; ] ifYgqg^z���{
RB ] r � � eYnghifYgqg� RB ] ^fYlr^Añ_@
54
2.4.8. Relación costo beneficio (I. R.)
Es un criterio para evaluar la evolución de rentabilidad de un proyecto. Son viables
aquellos proyectos donde I.R>1, donde se traen a valor presente todos los ingresos y
egresos del proyecto en toda su vida útil [56].
OY T ] U>V.&2&8,*,(yU>V*(y'(y
(49)
La ecuación (49) expresa la relación costo beneficio, que se define como la razón entre
el valor presente de los beneficios y el valor presente de los costos [57].
U>V.&2&8,*,(y ] hgfYhihz���{ U>V*(y'(y ] egqYheez���{
OY T ] hgfYhihegqYhee
OY T ] kmf
La Tabla 2.36. muestra los indicadores financieros, con ayuda del análisis
correspondiente al flujo de caja del proyecto el cual se considera dos casos para el
escenario II. En el primer caso se considera la depreciación de equipos como se muestra
en el Anexo XV. En el segundo caso no se considera la depreciación de los equipos
como se muestra en el Anexo XVII.
Tabla 2.36. Indicadores financieros para la implementación del Sistema ORC (escenario II).
Indicador Caso I Caso II Tasa de descuento [%] 12% 12% VAN [USD] 162.242 -68.448 TIR [%] 20% 9% IR 1,66 0,89 Vida útil [años] 20 20 Tiempo de recuperación del capital [años] 6 10,3
(Fuente: Propia)
En la Tabla 2.37. se muestra los indicadores financieros, con ayuda del análisis
correspondiente al flujo caja de proyecto se considera dos casos para el escenario III. En
el primer caso se considera la depreciación de los equipos como se muestra en el Anexo
XVI. En el segundo caso no considera la venta de equipos como se muestra en el Anexo
XVIII.
Tabla 2.37. Indicadores financieros (escenario III).
Indicador Caso I Caso II
55
Tasa de descuento [%] 12% 12% VAN [USD] 37.657 -242.463 TIR [%] 14% 3% IR 1,25 0,31 Vida útil [años] 20 20 Tiempo de recuperación del capital [años] 7,4 16,6 (Fuente: Propia)
2.4.9. Costo nivelado de la energía (LCOE)
Es el precio al cual la energía eléctrica es generada a partir de una fuente energética y
una tecnología específica. Se trata de una valorización económica del coste del sistema
de generación eléctrica, incluyendo todos los costes a lo largo de su vida útil, inversión
inicial, las operaciones y el mantenimiento, coste de combustible, coste del capital [55].
Mediante la ecuación (50) se determina el LCOE correspondiente al proyecto.
¨;�C ] ¾ M(¿v'¿HÀ}²¿u~Á2'»W¾ ÂÃ}²¿u~Á2'»²
(50)
¨;�C ] ³³6Y5³5^¿^²²Y²Ä7¿W^}²¿Wm²5~�}ÅWWWWW~}²¿Wm²5~ÆÇ ÈLÉ"ñ(uÊx"ñ(
Ë � ¼� ³³6Y5³5¿^²²Y²Ä7¿W}²¿Wm²5~Ì�}ÅWWYWWW~}²¿Wm²5~Ì�Ç ÈLÉ"ñ(uÊx"ñ(
Ë ¨;�C ] lmrq ����Z#?�
Para el LCOE se plantea tres escenarios. El LCOE del primer escenario se determina
cuando no se implementa el sistema ORC y el secado de arroz se lo realiza mediante la
quema de GLP. El segundo escenario se determina cuando se implementa el sistema
ORC, pero no se considera el costo de biomasa (cascarilla de arroz) y el secado de arroz
se lo realiza aprovechando los gases de escape generados en la caldera. Finalmente, el
tercer escenario se determina cuando se considera la aplicación del sistema ORC y el
costo de la biomasa (cascarilla de arroz).
Tabla 2.38. LCOE del proyecto.
Valor Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Costo energía [USD/kWh] 0,078 0,38 0,45 Costo GLP [USD/kWh] 0,060 - - LCOE [USD/kWh] 0,38 0,45 LCOE [USD/MJ] 0,038 0,106 0,125
56
(Fuente: propia)
57
3. RESULTADOS Y DISCUSION
Los resultados obtenidos se muestran a continuación según los niveles de potencial
como se muestra en la Figura 3.1.
Figura 3.1. Niveles de potencial
(Fuente: [16])
3.1. Resultado y análisis del potencial bioenergético bruto
El potencial bioenergético de la cascarilla de arroz en Ecuador tiene su punto de partida
en la producción en bruto de arroz, según se muestra en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Resumen de la producción bruta de arroz.
Año Superficie plantada
[ha/año] Producción
absoluta [t/año] Rendimiento [t/ha]
2000 349.726 971.806 2,87 2001 355.223 1.018.696 2,94 2002 358.650 1.063.620 3,02 2003 343.240 908.113 2,73 2004 358.094 950.357 2,73 2005 380.254 1.109.508 3,04 2006 402.345 1.254.269 3,35 2007 385.872 1.134.633 3,20 2008 365.000 1.054.787 3,12 2009 380.345 1.098.516 3,04 2010 382.230 1.132.267 3,12 2014 351.635 1.529.170 4,34
(Fuente: [27], [4])
De la Tabla 3.1 se determina que la producción en bruto de arroz en 2014 ha aumentado
en un 26% con relación al año 2010 con una cantidad de producción de arroz en
cascarilla de arroz de 1.529.170 t/año. Esto se debe a las mejoras en las condiciones de
sembrado y de cosecha, las condiciones ambientales favorables, etc.
58
De la Tabla 2.3. se determina que la cantidad de cascarilla de arroz seca y limpia en
Ecuador en 2014 fue de 269.941 t/año distribuidas en Guayas, Los Ríos y Manabí.
El potencial bioenergético bruto de la cascarilla de arroz en Ecuador estima la cantidad
de energía contenida en este residuo, así el potencial bioenergético bruto de la cascarilla
de arroz en Ecuador es 128 [MWt].
3.2. Resultado y análisis del potencial bioenergético sustentable
Durante el desarrollo de este proyecto se determinó que se genera 2.054.823 [t/año] de
residuos de campo y 1.529.171 [t/año] de arroz en bruto (con cáscara) producto de la
cosecha de arroz. Los residuos dejados en el campo son los encargados de mantener el
equilibrio ecosistémico por lo cual se debe dejar un porcentaje adecuado de residuos
sobre las plantaciones. Por otro lado, la cosecha de arroz en bruto puede es transportada
en su totalidad a plantas piladoras.
Por lo tanto, la cantidad de cascarilla de arroz que se co-produce durante el pilado puede
ser usada con fines energéticos sin ninguna restricción ambiental, social, etc.
De la Tabla 2.3 se determina que la cantidad de cascarilla de arroz limpia y seca es
269.947 [t/año], del cual se puede aprovechar 128[MWt].
3.3. Resultado y análisis del potencial bioenergético técnico
3.3.1. Sistema ORC
Para la generación de energía eléctrica se planteó un sistema ORC y caldera a biomasa
(cascarilla de arroz) donde la potencia eléctrica del sistema ORC varía desde 35kWe
hasta 125kWe. En este trabajo se determinó la mejor alternativa. Para este efecto se
requiere de una cantidad mínima necesaria de cascarilla de arroz para que el sistema
ORC opere durante todo el año con un factor de disponibilidad del 82% [30]. La Tabla
3.2. muestra la cantidad mínima necesaria de cascarilla de arroz para operar un sistema
ORC según la potencia eléctrica dada.
Tabla 3.2. Cascarilla de arroz necesaria para operar un sistema ORC. Potencia eléctrica [kWe] Cascarilla necesaria [t/año] Flujo cascarilla [kg/h]
35 526 73 65 977 135
110 1.654 229 125 1.880 261
(Fuente: Propia)
59
En Ecuador existen piladoras de primera y segunda categoría en donde la capacidad de
pilado es de 20qq/h para piladoras de primera categoría y menor a 20qq/h para piladoras
de segunda categoría, con un factor de disponibilidad del 24%, es decir operan 2.112
h/año [27]. Con estos datos se determina la cantidad de cascarilla de arroz que se
generan en las piladoras de primera y segunda categoría.
;A@DABbccA ] el::? d nlZX:: d kRklllZX d �kllfr � d � eekll� d eYkke ?jño
;A@DABbccA ] iri � Rjño� Una piladora de arroz de primera categoría genera 737 t/año de cascarilla de arroz. De la
Tabla 3.2. se determina que la potencia eléctrica que se puede generar en una piladora
de primera categoría usando la cascarilla de arroz que se genera es de 35 kWe.
3.3.2. Costo
El costo de implementar un sistema ORC varía en función de la potencia eléctrica
instalada. Mientras la potencia eléctrica sea baja los costos del sistema ORC serán altos
ya que equipos de menor tamaño deben ser diseñados para trabajar a bajas presiones y
a bajas temperaturas, y esto hace que el costo de este sistema sea alto con una baja
rentabilidad económica.
A medida que la potencia eléctrica aumenta los costos del sistema ORC también
aumentan, pero son compensados con la mayor generación de energía eléctrica,
generando mayor rentabilidad económica [30].
La Tabla 3.3. muestra los rangos de la potencia eléctrica de Sistemas ORC considerados
en este trabajo.
Tabla 3.3. Parámetros considerados para la selección del sistema ORC.
Parámetro 35kWe 65kWe 110kWe 125kWe Costo Elevado Elevado Medio Medio Disponibilidad de biomasa Alto Medio Bajo Bajo Acceso a información Nulo Nulo Bajo Alto Variedad en el mercado Bajo Bajo Bajo Alto Rentabilidad económica Bajo Bajo Bajo Medio
Circuito de entrega de energía Agua Agua Aceite térmico
Aceite térmico
(Fuente:[33],[36],[35])
60
3.3.3. Análisis termodinámico
La selección del fluido orgánico de trabajo proporciona valores referenciales de presión,
temperatura y eficiencia del sistema. La Tabla 2.9. muestra los valores de presión,
temperatura y eficiencia del sistema ORC del fluido orgánico de trabajo cuyos valores son
tomados como referencia para el modelado del sistema ORC.
La Tabla 3.4. muestra las propiedades termodinámicas obtenidas en el ciclo ORC con lo
cual fue posible determinar el diagrama T-s mostrado en la Figura 2.3. Las propiedades
termodinámicas obtenidas en el sistema ORC son valores que se encuentran dentro de
los valores de referencia establecidos en la Tabla 2.9.
Tabla 3.4. Propiedades termodinámicas del fluido en cada punto del ciclo ORC.
Elemento Punto
h [kJ/kg]
P [kPa]
s [kJ/kg= C] T [ºC]
Bomba 1 239,6 180 1,137 30,37 Economizador 2 241 1588 1,137 31,1 Evaporador 3 263,8 1519 1,211 48 Turbina 4 489,5 1519 1,823 116 Economizador 5 460,8 180 1,86 65,42 Condensador 6 426,8 180 1,754 30,45 Caldera (entrada de aceite térmico) 7 - 1100 - 180 Caldera (salida de aceite térmico) 8 - 1100 - 200 Secador 9 - - - 50 Bomba agua enfriamiento (entrada agua) 10 109 - 0,308 26 Torre de enfriamiento (entrada de agua) 11 109 - 0,308 26 Torre de enfriamiento (salida de agua) 12 92,29 - 0,324 22 Torre de enfriamiento (entrada de aire) 13 47,24 101 5,77 22 Torre de enfriamiento (salida de aire) 14 96,68 101 5,95 32
(Fuente: Propia)
3.3.3.1. Diagrama T-s
Mediante el análisis del diagrama T-s del fluido R245fa mostrado en la Figura 3.2 se
puede determinar que el sistema ORC opera bajo las condiciones termodinámicas
seguras con lo cual se puede concluir lo siguiente.
· El fluido R245fa ingresa a la bomba como líquido saturado (proceso 1-2), de este
modo se asegura el adecuado funcionamiento de la bomba.
· El economizador precalienta el fluido R245fa antes del ingreso al evaporador
(proceso 2-3) mediante la extracción de energía del fluido R245fa proveniente del
(proceso 5-6), de este modo se requiere menor energía de entrada en el
evaporador.
61
· El aceite térmico en la caldera aporta energía suficiente al fluido R245fa (proceso
7-8), de este modo se asegura que el fluido orgánico cambie de estado de líquido
saturado a vapor sobrecalentado (proceso 3-4).
· El fluido R245fa ingresa a la turbina como vapor sobrecalentado (proceso 4-5), de
este modo se asegura el adecuado funcionamiento de la turbina, evitando así el
ingreso de una mezcla líquido-vapor en la turbina lo cual es perjudicial para los
álabes.
· El economizador enfría en fluido R245fa antes del ingreso al condensador
(proceso 5-6), de este modo se requiere menor energía para el proceso de
condensación del fluido de trabajo.
· El fluido R245fa es condensado en el condensador (proceso 6-1) mediante la
aplicación de una torre de enfriamiento (proceso 11-12), de este modo se asegura
que el fluido orgánico abandone el condensador como líquido saturado.
· Mediante la aplicación del economizador los procesos de precalentamiento
(proceso 2-3) y pre-enfriamiento (proceso 5-6) son posibles, mediante la
aplicación de estos procesos es posible aumentar la eficiencia del ciclo entre 1% y
2%.
· El sistema ORC opera por debajo de la temperatura crítica del fluido de trabajo
seleccionado (154 [oC]), la temperatura y presión de condensación del sistema es
cercano a los valores de presión atmosférica y temperatura ambiente.
Figura 3.2. Diagrama T-s del sistema ORC.
(Fuente: Propia)
62
La Tabla 3.4 y Figura 3.2 muestran que los parámetros característicos del sistema ORC
están dentro de los rangos de operación de un sistema ORC, según la Tabla 2.16.
Adicionalmente la Tabla 3.3. muestra información disponible del sistema ORC con lo que
se determina que para la implementación de sistemas ORC con potencia eléctrica debajo
de los 100 kWe resulta costoso y presentan una baja rentabilidad económica, existe una
baja disponibilidad de información en el mercado sistemas ORC. De este modo se
determina que el sistema ORC con potencia eléctrica de 125 kWe es la mejor alternativa
para el desarrollo de este trabajo.
Mediante el modelado del sistema ORC se determinó los parámetros característicos del
sistema considerando la potencia eléctrica a instalar en un rango desde 35 kWe hasta
200 kWe, según la disponibilidad de sistemas ORC en el mercado, empleando el fluido
R245fa como fluido orgánico de trabajo. La Tabla 3.5. muestra los parámetros
característicos del sistema ORC para diferentes potencias eléctricas.
Tabla 3.5. Datos característicos del sistema ORC según la potencia eléctrica instalada. Potencia eléctrica 35 [kWe] 65 [kWe] 110 [kWe] 125 [kWe] 200 [kWe]
Calor de alimentación 303,6 [kWt] 563,9 [kWt] 954,3 [kWt] 1.084 [kWt] 1.735 [kWt] Flujo de cascarilla 0,02031[kg/s] 135,79[kg/h] 229,78[kg/h] 261,14[kg/s] 417,96[kg/s] Cascarilla necesaria 526,4 [t/año] 977,7[t/año] 1.655[t/año] 1.880 [t/año] 3.008 [t/año] Temperatura aceite térmico 190 [C] 190 [C] 190 [C] 190 [C] 190 [C] Flujo másico aceite térmico 27,51 [kg/s] 27,51 [kg/s] 27,51 [kg/s] 27,51 [kg/s] 27,51 [kg/s] Flujo másico R245fa 1,345[kg/s] 2,498[kg/s] 4,227[kg/s] 4,80 [kg/s] 7,68 [kg/s]
(Fuente: Propia)
Figura 3.3. Flujo másico del fluido de trabajo vs potencia eléctrica.
(Fuente: Propia)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 50 100 150 200 250
Flu
jo m
ási
co [
kg/s
]
Potencia eléctrica [kWe]
Flujo másico vs potencia eléctrica
Fluido orgánico
Lineal (Fluido orgánico)
63
Figura 3.4. Cascarilla de arroz necesaria vs potencia eléctrica.
(Fuente: Propia)
Del Análisis termodinámico se determina las curvas presentadas en la Figura 3.3 y Figura
3.4. las cuales muestran la relación entre el flujo másico y la potencia eléctrica instalada
es directamente proporcional (considerando los parámetros de presión y temperatura en
el evaporador y condensador como constantes). Del mismo modo la cascarilla necesaria
para operar el sistema ORC es directamente proporcional a la potencia eléctrica
instalada, considerando los parámetros de presión y temperatura en el evaporador y
condensador como constantes.
3.3.4. Capacidad instalada
Según la distribución de las piladoras existentes en Guayas y Los Ríos mostrados en la
Figura 3.5. y Figura 3.6. se determina el número de plantas con sistemas ORC de 125
kWe que se pueden implementar. En el Anexo XIV se determina que el número de
plantas con sistemas ORC de 125 kWe que se pueden implementar en Ecuador es de
121.
;A<ADb`A`^b[@RAcA`A ] K d [ú3\B_^`\^<cA[RA@
(51)
;A<ADb`A`^b[@RAcA`A ] ken^Z#\ d kek ] knmkenS#\
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 50 100 150 200 250
Ca
sca
rilla
ne
cesa
ria
[t/
añ
o]
Potencia eléctrica [kWe]
Cascarilla necesaria vs potencia eléctrica
Cascarilla necesaria
Lineal (Cascarilla
necesaria )
64
Figura 3.5. Mapa de la distribución de sistemas ORC y piladoras en la provincia del Guayas.
(Fuente: Propia, [58])
65
Figura 3.6. Mapa de la distribución de sistemas ORC en la provincia de los Ríos.
(Fuente: [58])
De este modo se determina que la capacidad instalada en Ecuador es de 15,125 MWe
mediante este tipo de sistemas ORC.
3.3.5. Consideraciones para la viabilidad del proyecto
Existen varios impedimentos los cuales hacen que el proyecto sea poco o nada rentable,
entre ellas: el costo de los sistemas ORC, la potencia instalada, la eficiencia del ciclo,
poco apoyo del estado para la ejecución de proyectos de generación de energía
renovable, disponibilidad de biomasa (cascarilla de arroz), entre otros.
3.3.5.1 Disponibilidad de cascarilla de arroz y Potencia del sistema ORC
Una de las principales restricciones es la disponibilidad de cascarilla de arroz. Como se
muestra en la Tabla 3.2, la cantidad de cascarilla necesaria para operar el sistema ORC
66
de 125 [kWe] es de 1.880 t/año. En la secuencia se determinó que ninguna piladora de
primera categoría en el país es capaz de generar esa cantidad de cascarilla de arroz, por
tal motivo se plantea implementar el sistema ORC utilizando la cascarilla de arroz que
generan varias piladoras cercanas entre ellas.
Una alternativa para mejorar la viabilidad económica del proyecto es el aumentar la
potencia instalada para este efecto se plantea la implementación de sistemas ORC
centralizados. Según el mapa mostrado en la Figura 3.5. y Figura 3.6. se plantea lo
siguiente:
· Implementar un sistema ORC centralizado ubicándolo estratégicamente en el
cantón Balzar el cual sea el centro de acopio de la cascarilla de arroz de los
cantones El empalme, Balzar, Colimes y Palestina
· Implementar un sistema ORC centralizado ubicándolo estratégicamente en el
cantón Naranjito el cual sea el centro de acopio de la cascarilla de arroz de los
cantones Simon Bolivar, El triunfo, Milagro y Crnel. Marcelino Maridueña.
· Implementar un sistema ORC centralizado ubicándolo estratégicamente en el
cantón Guayaquil el cual sea el centro de acopio de la cascarilla de arroz de los
cantones Lomas de Sargentillo, Nobol y Guayaquil
· Implementar un sistema ORC centralizado ubicándolo estratégicamente en el
canton Puebloviejo el cual sea el centro de acopio de la cascarilla de arroz de los
cantones Baba, Vinces, Ventanas, Puebloviejo y Urdaneta.
· Mediante la implementación de sistemas ORC centralizados se puede aumentar
el tamaño del sistema ORC y con ello disminuir los costos de los sistemas ORC y
además, se genera un aumento en la potencia instalada. Esta información se
muestra en la Tabla 3.6.
· Si se realiza la implementación de plantas centralizadas en zonas estratégicas se
consigue un aumento de 1150[kWe] en la potencia instalada generando un
ingreso económico de 794.880 [USD/año]. Cabe mencionar que este estudio no
considera costos de transporte de cascarilla de arroz en el caso de plantas
centralizadas.
Tabla 3.6 Sistema ORC Centralizado en cantones estratégicos
Ubicación planta Centralizada
Potencia [kWe] planta centralizada
Potencia [kWe] planta modular
Aumento [kWe]
Ingresos [UDS/año]
Balzar 1.500 1.125 375 259.200 Naranjito 400 125 275 190.080 Guayaquil 500 125 375 259.200 Pueblo viejo 2.000 1.875 125 86.400 Manabí 500 500 0 0
67
Ubicación planta Centralizada
Potencia [kWe] planta centralizada
Potencia [kWe] planta modular
Aumento [kWe]
Ingresos [UDS/año]
Total 4.900 3750 1.150 794.880
(Fuente: Propia)
3.3.5.2 Financiamiento
Se observo que el proyecto no es viable lo cual requiere algún tipo de apoyo para ser
viable. La búsqueda de financiamiento por parte del estado para la implementación de
sistemas de generación de energía renovable es una alternativa para mejorar la viabilidad
económica del proyecto. Para lo cual se considera el escenario dos caso II quien es el
más real que el gobierno financia un porcentaje de la inversión inicial. En la Tabla 3.7 se
muestran los indicadores financieros para diferentes porcentajes de financiamiento del
estado.
Tabla 3.7 Indicadores financieros en función de un porcentaje financiado por el gobierno.
Indicador Porcentaje de pago de la inversión 10% 20% 25% 30% 35%
Tasa de descuento [%] 12% 12% 12% 12% 12% VAN [USD] -35.906 16.657 42.938 69.220 95.501 TIR [%] 10% 12% 14% 16% 17,23% IR 1,0 1,2 1,3 1,5 1,6 Vida útil [años] 20 20 20
20
Tiempo de recuperación de capital [años] 10 9,2 8,6 8 6,7
Con este tipo de incentivo se puede observar que el proyecto es viable si el gobierno
cubre un 25% de la inversión inicial. Otro tipo de incentivo es la exoneración del impuesto
a la renta por el gobierno. Como alternativa se pretende que no se pague este tipo de
impuesto durante 10 años. En la Tabla 3.8 muestra los indicadores financieros para el
segundo escenario y caso II con una exoneración del impuesto a la renta y con un
porcentaje de financiamiento de la inversión inicial.
Tabla 3.8 Indicadores financieros con exoneraciones del impuesto a la renta.
Indicador Porcentaje de pago de la inversión 0%
10%
Tasa de descuento [%] 12,00%
12,00% VAN[USD] -27.457
32.767
TIR [%] 11%
13% IR 1,0
1,2
Vida útil [años] 20
20 Tiempo de recuperación de capital [años] 9,1
8,5
Como se observa en la Tabla 3.8 tenemos que con 10% de financiamiento de la inversión
y con una exoneración del impuesto a la renta durante 10 años el proyecto se hace
rentable.
68
3.3.5.3 Eficiencia del ciclo
La eficiencia de un ciclo ORC oscila entra el 10% y 18% y dependiendo de la tecnología
empleado este valor puede aumentar. Para aumentar la eficiencia del ciclo se requiere de
sistemas ORC de alta tecnología, la mejor alternativa para mejorar la eficiencia del
sistema ORC es aumentar la eficiencia de la turbina con lo cual se consigue que la
turbina aprovecha de manera eficiente la energía entregada por el evaporador. La Figura
3.7 muestra cómo afecta la eficiencia de la turbina en el diagrama T-s. El (proceso 4-5a)
es desarrollado por una turbina de baja eficiencia, el (proceso 4-5b) es desarrollado por
una turbina de eficiencia media (50%-70%) y el (proceso 4-5a) es desarrollado por una
turbina de alta eficiencia. En turbinas de alta eficiencia se consigue aprovechar al máximo
la energía entregada por el evaporador y con ello se consigue aumentar la potencia
eléctrica del ciclo.
Figura 3.7 Influencia de la eficiencia de la turbina en el Diagrama T-s.
(Fuente: Propia)
3.4. Resultado y análisis del potencial bioenergético económico
3.4.1. Consumo energético del sistema ORC
Para operar el sistema ORC sin ningún inconveniente en cuanto a biomasa se refiere se
requiere que la(s) piladora(s) generen 1.880 t/año de cascarilla de arroz. Esto significa
una capacidad de pilado de 2,55 t/h. Para este efecto la potencia eléctrica de la(s)
piladora(s) debe ser de 45kWe, considerando una piladora con capacidad de pilado de 3-
5t/h.
69
Del aparatado 2.3 se determina que la potencia eléctrica que requiere la bomba es de 6
kWe y la potencia eléctrica del secador es de 6 kWe, con lo cual se determina que la
potencia eléctrica total que se requiere para operar el sistema ORC es de 57 kWe, por lo
tanto, se puede exportar al sistema nacional interconectado 68 kWe.
3.4.2. Ahorro económico
La implementación del sistema ORC presenta varias ventajas, entre ellas se debe
destacar el ahorro económico que se obtiene debido al no uso de GLP para el proceso de
secado de arroz. Se estima que el ahorro económico es de 15.186 USD/año y se evita
expulsar 19,39 tCO2 /año por cada piladora. Esto se debe al reemplazo de GLP que es
usado para el secado con los gases de escape generados en la caldera mediante la
combustión de cascarilla de arroz.
Se estima que en promedio cada piladora en el país genera 322 t/año de cascarilla de
arroz, que será usada para operar el sistema ORC. El uso de esta cascarilla de arroz
representa un ahorro económico de 4.843 USD/año, por piladora.
Según la resolución CONELEC 001/13 la tarifa preferencial fijada para centrales de
generación eléctrica menores a 5 MW es de 0,096 USD/kWh [59], con lo cual se
determina que el ahorro económico debido a consumo eléctrico para operar el sistema
ORC es de 86.400 USD/año.
Figura 3.8. Flujo de caja.
-$ 400.000
-$ 300.000
-$ 200.000
-$ 100.000
$ 0
$ 100.000
$ 200.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tiempo [años]
Flujo de caja
Series2
70
(Fuente: Propia)
Tabla 3.9. Indicadores financieros del sistema ORC.
Parámetro Valor Potencia neta [MW] 0,125 Factor de disponibilidad 0,82 Eficiencia total de la planta [%] 0,121 Inversión [USD/kW] 2.673 Costo fijo O&M [USD/kWh] 0,0074 Costo variable O&M [USD/MWh] 0,005 Costo combustible [USD/GJ] 1,00 Costo combustible [USD/MBTU] 1,05 Tiempo de Vida [años] 20 Valor de venta de la energía [USD/kWh] 0,096 Tasa de interés [%] 0,12 Generación eléctrica anual [MWh/año] 900 Inversión [USD] 334.232 Costo fijo O&M anual [USD/año] 6.685 Costo variable O&M [USD/año] 4.500 Costo anual combustible [USD/año] 0,00 Total gastos anuales [USD/año] 11.185 Valor anctual neto [USD] -68.448 Costo nivelado de la energía [USD/kWh] 0,38 Payback [años] 10 Relación costo-beneficio 0,89 Tasa interna de retorno [%] 9
(Fuente: Propia)
La Figura 3.8. muestra el flujo de caja del proyecto donde se determina que el proyecto
es viable a partir del décimo año, cuando el valor de deuda es cero. A partir de ese año el
proyecto genera ganancias debido a la venta de energía. Del apartado 2.4 se determina
los parámetros financieros presentados en la Tabla 3.9 donde la relación costo beneficio
es menor a uno y el valor actual neto es negativo. Adicionalmente el valor del LCOE del
proyecto es 0,38 (USD/kWh) mayor a la tarifa preferencial para proyectos de generación
de energía <5MWe 0,096 (USD/kWh) presentado en la única resolución disponible
CONELEC 001/13, por lo cual el proyecto no es viable. En consecuencia, el proyecto
planteado no es aplicable en el país debido a los resultados presentados anteriormente.
71
72
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES
· En el estudio del potencial técnico se determinó que el proceso de secado de
arroz mediante el aprovechamiento de los gases de escape de la caldera para el
secado consigue reducir 494 tCO2 al año, como consecuencia del reemplazo del
proceso de secado de arroz mediante el uso de secadores a base de GLP.
· Mediante el estudio del potencial bruto se determinó que la cantidad disponible de
cascarilla de arroz es 269.941 t/año distribuidas en las provincias de Guayas, Los
Ríos y Manabí, de lo cual se estima que el potencial energético teórico o bruto
contenido en la cascarilla de arroz a nivel nacional es 128[MWt].
· Se determinó que el fluido de trabajo ideal es el R245fa debido a que presenta
alto rendimiento en el ciclo ORC, no es inflamable, presenta un bajo Potencial de
destrucción de la capa de ozono (ODP) y bajo Potencial de calentamiento global
(GWP), lo cual representa un bajo impacto ambiental y no presenta calidad (vapor
y liquido) a la salida de la turbina en relación con los demás fluidos de trabajo
estudiados en el apartado 2.3.1.
· De la recopilación de información de empresas dedicadas al desarrollo de
sistemas ORC a partir de biomasa se determinó que la capacidad de estos
sistemas es a partir de 125 kWe. Desde este tamaño medio la relación costo
beneficio puede ser ventajosa.
· Mediante el estudio del potencial técnico se determinó que una piladora promedio
en Ecuador no tiene el potencial suficiente para abastecer la cantidad de cascarilla
necesaria para operar el sistema ORC de 125 [kWe], por lo tanto, la
implementación de plantas modulares no es posible en su totalidad (en todas las
piladoras).
· Del análisis del potencial técnico se determinó que el número de sistemas ORC
que se pueden instalar en el país es de 121. No obstante, esto es posible siempre
y cuando se aproveche la cascarilla de arroz generada en varias piladoras hasta
alcanzar la cantidad mínima necesaria para operar el sistema ORC, de este modo
se consigue aprovechar 15,125 [MWe]. Por tanto, este estudio propone la
cooperación de varias plantas piladoras para que sus residuos alimenten un
sistema ORC de propiedad compartida.
· Según el análisis del potencial técnico se determinó que es posible utilizar la
energía generada por el sistema ORC para consumo interno en las piladoras.
73
· Se estudió el potencial económico de tres escenarios, de lo cual se determinó que
el caso de estudio (escenario II) muestra un LCOE de 0,38 [USD/kWh] más
costoso que la tarifa preferencial según el CONELEC 001/13 de 0.096 [USD/kWh],
Además los parámetros financieros (VAN, TIR, I.R y tiempo de recuperación del
capital) no son rentables. Esto se debe al costo de implementación del sistema
ORC, disponibilidad y costos de biomasa para abastecer el sistema ORC,
eficiencia del ciclo ORC, entre otros.
· En conclusión, el proyecto planteado resulta no aplicable en el país.
4.2. RECOMENDACIONES
· Ecuador cuenta con alto potencial bioenergético que no ha sido caracterizado en
detalle. Se recomienda realizar estudios de aprovechamiento energético
considerando varias fuentes de bioenergía (bagazo, banano, cacao, etc.) para la
producción de energía eléctrica mediante la implementación de sistemas ORC.
· Una piladora promedio en Ecuador no puede generar la cantidad necesaria de
cascarilla para operar un sistema ORC de 125kWe por lo cual se recomienda
estudiar el potencial de generación empleando otra fuente de bioenergía
complementaria.
· Estudiar la viabilidad económica para determinar si es factible o no exportar la
energía eléctrica generada en las plantas ORC al Sistema Nacional
Interconectado.
· Realizar los estudios de factibilidad de los estudios de los costos de transporte de
la cascarilla de arroz, para una planta centralizada desde la piladora a la planta de
ORC.
74
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79
6.
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ANEXO II.
Anexo II Mapa de la producción total del cultivo de arroz a nivel provincial
Figura A 1 Mapa de la producción total del cultivo de arroz a nivel provincial.
(Fuente: [4])
81
ANEXO III.
Anexo III Consolidado nacional de superficie plantada y producción de arroz 2014, según ESPAC.
Provincia Superficie plantada [ha/año]
Superficie cosechada
[ha/año]
Producción [t/año]
Rendimiento [t/ha]
El Oro 3.809 3.809 17.802 4,7 Loja 659 659 3.079 4,7 Guayas 221.981 214.031 957.747 4,5 Los Ríos 118.050 118.050 503.960 4,3 Manabí 11.604 11.604 45.481 3,9 Total 348.153 348.153 1.528.069
(Fuente: [4])
ANEXO IV.
Anexo IV Producción de arroz y cascarilla de arroz en las provincias con mayor producción
Producción de arroz y cascarilla de arroz en Guayas a nivel Cantonal 2014.
Provincia Cantón Superficie
[km2]
Producción absoluta [t/año]
Cascarilla [t/año]
Guayas
Alfredo Baquerizo M. 218 41.977 7.410 Balzar 1.187 38.454 6.788 Colimes 758 51.565 9.102 Crnel. Marcelino M. 254 3.675 648 Daule 466 189.853 33.514 Durán 300 20.316 3.586 El triunfo 395 9.270 1.636 Empalme 715 9.724 1.716 Guayaquil 4.111 13.705 2.419 Isidro Ayora 487 4.759 840 Lomas de Sargentillo 66 5.108 901 Milagro 405 4.837 853 Naranjal 1.732 72.553 12.807 naranjito 224 1.765 311 Nobol 136 25.965 4.583 Palestina 193 28.316 4.998 Pedro Carbo 934 6.967 1.229 Salitre 393 107.680 19.008 Samborondón 358 134.402 23.725 San Jacinto de Y. 509 90.001 15.887 Santa Lucía 357 97.793 17.263 Simón Bolívar 291 16.472 2.907
Total 14.501 975.167 172.144
Provincia Cantón Superficie
[km2] Producción
absoluta [t/año] Cascarilla [t/año]
Los Ríos Baba 517 46.881 8.275 Babahoyo 1.086 190.220 33.579 Buena Fe 581 11.863 2.094
82
Provincia Cantón Superficie
[km2] Producción
absoluta [t/año] Cascarilla [t/año]
Mocache 567 9.856 1.739 Montalvo 363 52.360 9.243 Palenque 579 11.055 1.951 Puebloviejo 335 21.500 3.795 Quevedo 304 15.617 2.756 Urdaneta 378 28.599 5.048 Valencia 977 35.134 6.202 Ventanas 531 45.910 8.104 Vinces 696 39.140 6.909
Total 6.920 508.138 89.700
Provincia Cantón Superficie
[km2] Producción
absoluta [t/año] Cascarilla [t/año]
Manabí
24 de mayo 525 2.814 496 Bolívar 538 1.310 231 Chone 3.054 2.947 520 Olmedo 253 5.862 1.034 Paján 1.088 5.353 945 Pichincha 1.075 8.538 1.507 Portoviejo 961 2.408 425 Rocafuerte 279 8.535 1.506 Santa Ana 1.026 4.056 716 Sucre 676 3.114 549 Tosagua 376 920 162
Total 9.856 45.864 8.096
(Fuente: [4])
83
ANEXO V.
Anexo V Energía anual contenida en la cascarilla de arroz en Ecuador
Energía anual contenida en la cascarilla de arroz en Ecuador.
Provincia Cantón Cascarilla disponible
[t/año]
Potencia térmica en
bruto [MWt]
Energía anual
[PJ/año]
Guayas
Alfredo Baquerizo M. 7.410 3,51 0,11 Balzar 6.788 3,22 0,10 Colimes 9.102 4,32 0,14 Crnel. Marcelino M. 648 0,31 0,01 Daule 33.514 15,89 0,50 Durán 3.586 1,70 0,05 El triunfo 1.636 0,78 0,02 Empalme 1.716 0,81 0,03 Guayaquil 2.419 1,15 0,04 Isidro Ayora 840 0,40 0,01 Lomas de Sargentillo 901 0,43 0,01 Milagro 853 0,40 0,01 Naranjal 12.807 6,07 0,19 Naranjito 311 0,15 0,00 Nobol 4.583 2,17 0,07 Palestina 4.998 2,37 0,07 Pedro Carbo 1.229 0,58 0,02 Salitre 19.008 9,01 0,28 Samborondón 23.725 11,25 0,35 San Jacinto de Y. 15.887 7,53 0,24 Santa Lucía 17.263 8,18 0,26 Simón Bolívar 2.907 1,38 0,04
Total 172.144 81,61 2,57
Provincia Cantón Cascarilla disponible [t/año]
Potencia térmica en bruto [MWt]
Energía anual [PJ/año]
Los Ríos
Baba 8.275 3,92 0,12 Babahoyo 33.579 15,92 0,50 Buena Fe 2.094 0,99 0,03 Mocache 1.739 0,82 0,03 Montalvo 9.243 4,38 0,14 Palenque 1.951 0,93 0,03 Puebloviejo 3.795 1,80 0,06 Quevedo 2.756 1,31 0,04 Urdaneta 5.048 2,39 0,08 Valencia 6.202 2,94 0,09 Ventanas 8.104 3,84 0,12 Vinces 6.909 3,28 0,10
Total 89.700 42,52 1,34
84
Provincia Cantón Cascarilla disponible
[t/año]
Potencia térmica en bruto
[MWt]
Energía anual [PJ/año]
Manabí
24 de mayo 496 0,24 0,01 Bolívar 231 0,11 0,00 Chone 520 0,25 0,01 Olmedo 1.034 0,49 0,02 Paján 945 0,45 0,01 Pichincha 1.507 0,71 0,02 Portoviejo 425 0,20 0,01 Rocafuerte 1.506 0,71 0,02 Santa Ana 716 0,34 0,01 Sucre 549 0,26 0,01 Tosagua 162 0,08 0,00
Total 8.096 3,84 0,12
(Fuente: Propia, [4])
85
ANEXO VI.
Anexo VI Tabla de toxicidad de fluidos de trabajo según ASHRAE.
Fluido F (LI/LS) % v/v C(ppm) Clasificación de
seguridad R134a No Inflamable 1000 A1 R245fa No Inflamable 400 A1 R1234yf 6,3/12,9 % 600 A2 R1234ze 5,7/11,3% 800 A2 R152a 3,9/16,9% 1000 A2 R227ea No Inflamable 1000 A1 R290 2,2/9,5% 2500 A3 R423a No Inflamable 1000 A1 R600 2,1/8,5% 800 A3 HFE7000 No Inflamable 75 B1 Ammonia_mh No Inflamable 25 B1 Dimetiléter 3,4/27% 400 A3 Isobutano 1,8/8,4% 1000 A3 Isopentano 1,3/7,6% 1000 A3 n-butano 1,8/8,4% 800 A3
(Fuente: [32])
86
ANEXO VII.
Anexo VII Modelado ORC simple en (EES)
Fluido R134a "Datos" n_pump=0.50 n_turb=0.60 P[3]=3247[kPa] T[3]=91[C] "Calculos" h[3]=Enthalpy(R134a,T=T[3],P=P[3]) s[3]=Entropy(R134a,T=T[3],P=P[3]) x[3]=Quality(R134a,T=T[3],h=h[3]) P[1]=1017[kPa] x[1]=0 s[1]=Entropy(R134a,P=P[1],x=x[1]) h[1]=Enthalpy(R134a,P=P[1],x=x[1]) T[1]=Temperature(R134a,P=P[1],x=x[1]) s[2]=s[1] P[2]=P[3] h2s=Enthalpy(R134a,s=s[2],P=P[2]) T[2]=Temperature(R134a,P=P[2],s=s[2]) h[2]=h[1]+(h2s-h[1])/n_pump s[4]=s[3] P[4]=P[1] h4s=Enthalpy(R134a,s=s[4],P=P[4]) h[4]=h[3]-n_turb*(h[3]-h4s) x[4]=Quality(R134a,s=s[4],h=h[4]) T[4]=Temperature(R134a,P=P[4],s=s[4]) w_tur=h[3]-h[4] w_pump=h[2]-h[1] q_in=h[3]-h[2] w_neto=w_tur-w_pump n_ciclo=w_neto/q_in
Fluido R245fa "Datos" n_pump=0.50 n_turb=0.60 P[3]=2815[kPa] T[3]=150[C] "Calculos" h[3]=Enthalpy(R245fa,T=T[3],P=P[3]) s[3]=Entropy(R245fa,T=T[3],P=P[3]) x[3]=Quality(R245fa,T=T[3],h=h[3]) P[1]=249.6[kPa] x[1]=0 s[1]=Entropy(R245fa,P=P[1],x=x[1]) h[1]=Enthalpy(R245fa,P=P[1],x=x[1]) T[1]=Temperature(R245fa,P=P[1],x=x[1]) s[2]=s[1] P[2]=P[3] h2s=Enthalpy(R245fa,s=s[2],P=P[2])
87
T[2]=Temperature(R245fa,P=P[2],s=s[2]) h[2]=h[1]+(h2s-h[1])/n_pump s[4]=s[3] P[4]=P[1] h4s=Enthalpy(R245fa,s=s[4],P=P[4]) h[4]=h[3]-n_turb*(h[3]-h4s) x[4]=Quality(R245fa,s=s[4],h=h[4]) T[4]=Temperature(R245fa,P=P[4],s=s[4]) w_tur=h[3]-h[4] w_pump=h[2]-h[1] q_in=h[3]-h[2] w_neto=w_tur-w_pump n_ciclo=w_neto/q_in
Fluido R600 "Datos" n_pump=0.50 n_turb=0.60 P[3]=3250[kPa] T[3]=150[C] "Calculos" h[3]=Enthalpy(R600,T=T[3],P=P[3]) s[3]=Entropy(R600,T=T[3],P=P[3]) x[3]=Quality(R600,T=T[3],h=h[3]) P[1]=379.2[kPa] x[1]=0 s[1]=Entropy(R600,P=P[1],x=x[1]) h[1]=Enthalpy(R600,P=P[1],x=x[1]) T[1]=Temperature(R600,P=P[1],x=x[1]) s[2]=s[1] P[2]=P[3] h2s=Enthalpy(R600,s=s[2],P=P[2]) T[2]=Temperature(R600,P=P[2],s=s[2]) h[2]=h[1]+(h2s-h[1])/n_pump s[4]=s[3] P[4]=P[1] h4s=Enthalpy(R600,s=s[4],P=P[4]) h[4]=h[3]-n_turb*(h[3]-h4s) x[4]=Quality(R600,s=s[4],h=h[4]) T[4]=Temperature(R600,P=P[4],s=s[4]) w_tur=h[3]-h[4] w_pump=h[2]-h[1] q_in=h[3]-h[2] w_neto=w_tur-w_pump n_ciclo=w_neto/q_in
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ANEXO X.
Anexo X Curva Cp. vs T del aceite térmico (Phetylnaphthaleno).
91
ANEXO XI.
Anexo XI Torre de enfriamiento.
"Agua" T[12]=22[C] T[11]=26[C] P=101.325[kPa] h[11]=Enthalpy(Water,T=T[11],P=P) s[11]=Entropy(Water,T=T[11],P=P) h[12]=Enthalpy(Water,T=T[12],P=P) s[12]=Entropy(Water,T=T[12],P=P) "Aire" T[13]=22[C] rh[13]=0.60 h[13]=Enthalpy(AirH2O,T=T[13],r=rh[13],P=P) s[13]=Entropy(AirH2O,T=T[13],r=rh[13],P=P) omega[13]=HumRat(AirH2O,T=T[13],r=rh[13],P=P) v[13]=Volume(AirH2O,T=T[13],r=rh[13],P=P) T[14]=30[C] rh[14]=1 h[14]=Enthalpy(AirH2O,T=T[14],r=rh[14],P=P) s[14]=Entropy(AirH2O,T=T[14],r=rh[14],P=P) omega[14]=HumRat(AirH2O,T=T[14],r=rh[14],P=P) v[14]=Volume(AirH2O,T=T[14],r=rh[14],P=P) "balance de masa torre de enfriamiento" m_dot[11]=53.66[kg/s] m_dot[12]=m_dot[11]-m_dot_aire*(omega[14]-omega[13]) "balance de energia" m_dot_aire=m_dot[11]*(h[11]-h[12])/(h[14]-h[13]-h[12]*(omega[14]-omega[13]))
92
ANEXO XII.
Anexo XII Análisis paramétrico del equipo de secado de arroz
T_mi=254[C] T_mo=60[C] T_m=(T_mi+T_mo)/2 T_s=40[C] @L=17[m] "Longitud del ducto de salida de los gases de combustión" B=L/d P=101.325[kPa] d=4*0.0254[m] @m_dot=0.05[kg/s] "Flujo másico gases" "Propiedades del aire a T_m y P" rho=Density(Air,T=T_m,P=P) mu=Viscosity(Air,T=T_m) cp=Cp(Air,T=T_m) k=Conductivity(Air,T=T_m) Pr=Prandtl(Air,T=T_m) "Calculos" Re_D=4*m_dot/(pi*d*mu) v=4*m_dot/(rho*pi*d*d) "Velocidad de salida de los gases" Q=m_dot/rho "Caudal de salida de los gases" Nusselt=0.023*Re_D^(4/5)*Pr^(0.3) h=Nusselt*k/d a=exp(-pi*d*L*h/(1000*m_dot*cp)) T_si=(T_mo-T_mi*a)/(1-a) Calor=m_dot*cp*(T_mi-T_mo) g=9.8[m/s^2] P_motor=rho*g*L*Q/1000
93
ANEXO XIII.
Anexo XIII Sistema ORC modelado en EES
"Datos" P_electrica=125[kW] n_generador=0.95 P_neto=P_electrica/n_generador n_pump=0.78 n_turb=0.70 P[4]=1519[kPa] T[4]=116[C] "Calculos" h[4]=Enthalpy(R245fa,T=T[4],P=P[4]) s[4]=Entropy(R245fa,T=T[4],P=P[4]) P[5]=180[kPa] "De manera ideal se considera s5=s[4] para determinar s[5], h[5] y T[5]" s5=s[4] h5=Enthalpy(R245fa,P=P[5],s=s5) h[5]=h[4]-n_turb*(h[4]-h5) s[5]=Entropy(R245fa,h=h[5],P=P[5]) T[5]=Temperature(R245fa,P=P[5],h=h[5]) "T5 es dato del fabricante y T[5] es calculada, no difieren en gran medida" T5=63[C] h55=Enthalpy(R245fa,T=T5,P=P[5]) s55=Entropy(R245fa,T=T5,P=P[5]) "h55 y s55 son calculadas con el dato de P[5] y T5, estos datos no varian en gran medida con los datos calculados por cuenta propia" x[6]=1 P[6]=180[kPa] T[6]=Temperature(R245fa,P=P[6],x=x[6]) h[6]=Enthalpy(R245fa,T=T[6],x=x[6]) s[6]=Entropy(R245fa,T=T[6],x=x[6]) x[1]=0 P[1]=179.52[kPa] T[1]=Temperature(R245fa,P=P[1],x=x[1]) h[1]=Enthalpy(R245fa,T=T[1],x=x[1]) s[1]=Entropy(R245fa,T=T[1],x=x[1]) P[2]=1588[kPa] s[2]=s[1] h2s=Enthalpy(R245fa,P=P[2],s=s[2]) h[2]=(h2s-h[1])/n_pump+h[1] T[2]=Temperature(R245fa,P=P[2],h=h[2])
94
P[3]=1519[kPa] T[3]=48[C] h[3]=Enthalpy(R245fa,T=T[3],P=P[3]) s[3]=Entropy(R245fa,T=T[3],P=P[3]) q_in=h[4]-h[3] q_out=(h[6]-h[1]) w_turbina=(h[4]-h[5]) w_pump=(h[2]-h[1]) w_neto=w_turbina-w_pump n_ciclo=w_neto/q_in m_dot_R245fa=P_neto/w_neto q_dot_in=(h[4]-h[3])*m_dot_R245fa q_dot_out=(h[6]-h[1])*m_dot_R245fa w_dot_turbina=(h[4]-h[5])*m_dot_R245fa w_dot_pump=(h[2]-h[1])*m_dot_R245fa PCI=14950[kJ/kg] m_dot_cascarilla=q_dot_in/PCI h_trabajadas=7200[h] f_disponiblidad=h_trabajadas/8760[h] "m_dot_cascarilla=Produccion/(8760*f_disponiblidad*3.6)" Produccion=m_dot_cascarilla*(8760*f_disponiblidad*3.6)
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102
ANEXO XIX.
Anexo XIX Tarifa de impuesto a la renta año 2018
(Fuente: [61])
Fracción básica Exceso hasta Impuesto fracción
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114.890 En adelante 22.485 35%
103
ANEXO XX.
Anexo XX Cotización de la Caldera ZHENGZHOU ZHONGDING BOILER CO.
(Fuente: [62])