REDUCCIÓN DE COSTES ENERGÉTICOS MEDIANTE EL USO DE BIOMASA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

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1 REDUCCIÓN DE COSTES ENERGÉTICOS MEDIANTE EL USO DE BIOMASA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Los costes energéticos de las industrias aumentan cada día más, debido a la subida de los precios de los combustibles fósiles. Con el fin de reducir los costes energéticos y, sabiendo que los precios de los combustibles fósiles no van a parar de subir, se ha creado un Micro Clúster, un grupo de trabajo para desarrollar el uso de biomasa en la industria cárnica y alimentaría, tal y como se realiza en otros países como Alemania o Brasil. El objetivo es desarrollar el uso de los combustibles de origen local para la obtención de energía. Un combustible como la biomasa, más asequible y controlable, pues no depende de importaciones o de cambios socio-políticos internacionales. El Micro Clúster está integrado por varias empresas representativas de cada uno de los sectores en los que incide el proyecto. El objetivo que se persigue afecta claramente a 3 sectores como son el sector agrícola-forestal, el sector industrial-cárnico y el sector tecnológico. En todos ellos el proyecto aportará beneficios directos e indirectos, tanto en avance tecnológico, en impacto ambiental como en ahorro económico. Al tener un objetivo común las diferentes empresas han planteado este proyecto para implantar un proyecto piloto demostrativo de la viabilidad técnica y económica que dispone un proyecto basado en la utilización de cultivo modificado energéticamente como fuente principal de la combustión para obtener energía térmica, en forma de calor y de frío, de manera suficiente y a un coste menor que el actual. 1.- COSTE Y TENDENCIA DE LAS ENERGÍAS El de las energías sigue una tendencia ascendiente y no parece que en un futuro próximo se pueda controlar, de modo que para poder controlar el coste y escandallo de los productos cárnicos debemos, de alguna forma, controlar el coste de la energía en las industrias cárnicas, altamente consumidoras de electricidad y combustibles fósiles. 2.- OBJETIVO DEL ESTUDIO Se ha modelizado, estudiado y ejecutado de inversión, donde estén comparados los costes energéticos de una industria cárnica (extrapolable a otras industrias alimentarías), como planta tipo de alto consumo energético. El objetivo de este proyecto es la puesta en conjunto de los conocimientos de diferentes sectores para dar una solución técnicamente y económicamente viable.

2 - Biomasa de cultivo energético de crecimiento rápido. - Biomasa forestal de sotobosque y forestal en general. - Otros (residuos de càscara de almendra, avellana,..., etc). - Con comparación a combustibles fósiles tipo: gasoil, gas natural, fuel. - Aplicación en la industria cárnica mediante calderas, turbinas, ORC y absorción. 3.- LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA SITUACIÓ GENERAL DE LA BIOMASSA En general las energías renovables han alcanzado y superado los objetivos fijados por el Gobierno excepto la biomasa, que se ha quedado lejos de los MW previstos para el año 2010 con solo 500 MW. En el cómputo global del consumo, además del sector doméstico, destacan las industrias de pasta y papel; las de madera, muebles y corcho; y las de alimentación, bebidas y tabaco, que suman el 90% del total. Igualmente, tanto en aplicaciones eléctricas como térmicas los recursos más utilizados son los residuos procedentes de industrias forestales y agrícolas. El escaso aprovechamiento de los residuos agrícolas y de los cultivos energéticos ha motivado los malos resultados de la biomasa en general. La mayor preocupación de los consumidores es tener un suministro asegurado, a un precio constante sin fluctuaciones como pasa con el precio del petróleo. Actualmente los residuos forestales pueden abastecer grandes cantidades de astilla pero la obtención de ésta es costosa y el producto obtenido es muy variable repercutiendo en la unificación del poder calorífico final obtenido. Como alternativa, para poder asegurar un suministro homogéneo al cliente a un precio constante existen los cultivos energéticos modificados genéticamente que se encargan de generar astilla de una forma controlada y calculada CULTIVOS ENERGÉTICOS Las materias primas utilizadas como biomasa pueden ser residuos procedentes de la actividad agraria, residuos de la actividad industrial, residuos forestales o biomasa generada a partir de cultivos energéticos. Actualmente en España existe un gran potencial debido a las grandes extensiones de terrenos sin cultivar que podrían destinarse a estos cultivos para darles rentabilidad y uso. El número de terrenos podría verse aumentado debido a la progresiva retirada de las ayudas de la PAC. Por este motivo, los cultivos energéticos tienden a ser la solución para rentabilizar los terrenos baldíos; ya que aportan seguridad en el suministro frente a los residuos. La cantidad de residuos disponible varía enormemente dependiendo de unos mercados que nada tienen que ver con la producción energética. El precio del residuo también es muy variable.

3 Los principales problemas para este tipo de cultivo se encuentran en la recolección y trituración de la planta ya que no se comercializa mucha maquinaria específica para ello, pero si que cada vez van saliendo más prototipos capaces y con gran efectividad VENTAJAS DE LA BIOMASSA Las principales ventajas que ofrece la utilización de la biomasa como fuente de energía renovable se pueden resumir en: - Obtención de energía limpia. - Energía más económica que los combustibles fósiles. - Estabilidad de precio en frente la inestabilidad del precio del petróleo. - Aprovechamiento de las cenizas generadas (abono) - Energía renovable - Prevención de incendio y plagas gracias a la limpieza forestal. - Creación empleo - etc La producción de electricidad a partir de cultivos energéticos produce energía sin aporte neto de CO 2 al medio. Son menos agresivos con el medioambiente que los cultivos tradicionales debido a que pueden implantarse en zonas marginales de escasa productividad agraria, donde

4 protegen el suelo de la erosión y aumentan su contenido en MO. Crean empleo en el sector agrario, fijando población en el ámbito rural y fomentando la creación de industrias agrarias. BOSQUE FOTOSÍNTESIS ENERGÍA DEL SOL COMBUSTIÓN BIOMASA CO 2 OBTENCIÓN COMBUSTIBLE Otra gran ventaja es la estabilidad de precio en frente a la inestabilidad de los precios del petróleo. 70 PRECIOS de la ENERGÍA para DIFERENTES COMBUSTIBLES 60 ( /MWh) GASÓLEO C PROPANO FUEL GAS NATURAL ASTILLA COMBUSTIBLE Precios comerciales energía (sin IVA) ( /MWh PCI) Gasóleo C 0,62 /litro 62 /MWh Propano 0,80 /kg 62 /MWh Fuel 434 /tonelada 39 /MWh Gas Natural 32 /MWh PCS 36 /MWh ASTILLA 30% humedad 65 /tonelada 19 /MWh Datos: ICAEN y fuentes propias. Mayo 2010

5 PCI Precio medio Precio MWh Astilla forestal 3.4 kwh/kg (30%) /kg 23 Astilla cultivo 3.2 kwh/kg (30%) /kg 17 Pellet 4.5 kwh/kg (<15%) 0.16 /kg 35 Fuel-oil 11.1 kwh/kg 0.40 /kg 36 Gasoil C 9.6 kwh/litre 0.62 /litre 64.6 Gas natural 10.3 kwh/m /m 3 28 GNL 9.5 kwh/kg 0.39 /kg TURBINA El generador de vapor, normalmente es del tipo vertical, con parrilla de combustión y amplia cámara de radiación antes de que los productos de combustión entren en la zona de convección. Generalmente incorpora un sobrecalentador de doble cuerpo con atemperador intermedio, precalentador de aire primario de combustión, economizador de gases de escape y recuperador de calor final para calentamiento del agua de alimentación al desgasificador. En cada cambio de sentido de gases dispone de tolvas para recogida de cenizas. La parrilla de combustión es del tipo inclinado con sistema de avance del combustible con entrada de aire primario inferior y sistema final de recogida de cenizas. El conjunto funciona a depresión por medio del ventilador de extracción o tiro situado antes de la chimenea de evacuación a la atmósfera. La caldera de vapor, autoportante y dilatando hacia arriba, por lo normal esta construida mediante paredes de tubos de agua y haces de convención. La caldera produce determinado caudal de vapor saturado a 42 bar de presión que posteriormente se sobrecalienta, en sobrecalentador, hasta alcanzar los 420 ºC que requiere el turbogenerador de vapor para situarse en su punto óptimo de eficiencia. El vapor sobrecalentado se envía a la turbina de vapor de condensación donde se expansionará hasta el máximo vacío posible originando un movimiento rotativo de su eje principal que mueve al alternador acoplado al conjunto el cual genera potencia eléctrica. El conjunto turbogenerador habitual está dotado de una extracción intermedia de vapor con objeto de dar servicio a los requerimientos que pueda precisar el desgasificador térmico del sistema de tratamiento de agua.

6 El vapor expansionado hasta 0,080 bar absolutos se conduce hasta un condensador de tubos cuya misión es condensar el vapor mediante un flujo de agua movido por bombas. El condensado de vapor, en forma de agua a 41,5 ºC, se impulsa mediante bombas centrífugas hasta el desgasificador térmico, a través del ya mencionado recuperador de calor situado a la salida del sistema depurador de gases de combustión del generador de vapor que calienta el agua hasta unos 90 C. El desgasificador térmico tiene por cometido calentar la mezcla de condensados del proceso y de agua nueva de reposición al sistema, hasta 105 ºC, temperatura a la cual ésta se encuentra libre de gases incondensables tales como oxigeno y anhídrido carbónico que podrían ocasionar corrosión en los circuitos de economizador y caldera de vapor. En la parte inferior al desgasificador y situadas a una distancia en vertical de cómo mínimo 5m se emplazan las bombas de alimentación de agua del generador de vapor que impulsan el agua de alimentación a través del economizador hasta alcanzar la entrada de la caldera. Los gases de combustión de la biomasa, una vez han abandonado el generador de vapor pasan a través de un sistema de depuración para asegurar la captación de todas las cenizas e inquemados que puedan arrastrar. Tratándose de dos captadores ciclónicos y un filtro de mangas de gran eficiencia que garantizan un contenido de partículas inferior a 50 mg/nm³ para un contenido de oxigeno de referencia del 6%. Antes de alcanzar la chimenea de escape de gases a la atmósfera se coloca un ventilador de extracción o tiro que tiene la misión de mantener en ligera depresión la cámara de combustión de la caldera y el resto del circuito de gases. El control de la depresión en el hogar se realiza mediante un variador de velocidad. A parte del ventilador de extracción se incluyen dos ventiladores más para asegurar y controlar la entrada de aire bajo parrilla (aire primario) y la entrada de aire sobre parrilla (aire secundario). El ciclo termodinámico del agua-vapor es cerrado, sin perdidas. Sin embargo tanto en el turbogenerador de vapor como el generador de vapor se producen perdidas en los sellos y por las purgas de desconcentración de sales. Por ello será preciso reponer una pequeña cantidad de agua al proceso que deberá ser desmineralizada. Por esta razón, la planta deberá estar dotada de un sistema de tratamiento químico por desmineralización, del tipo: osmosis inversa. La energía eléctrica obtenida en el alternador a 6,3 kv se eleva hasta la tensión general de la red de distribución (supuesto 20 kv) mediante un transformador estrella - triangulo. Los consumos de la central se obtienen de la barra de 20 kv pero a través de un transformador de 20-0,4 kv. La energía neta obtenida se expone a la red, previa contabilización en el

7 adecuado sistema de medida que es doble (principal + redundante) y de conformidad con el reglamento de puntos de medida. 5.- ORC/Rankine/Gasificación Ciclo de Rankine El ciclo Rankine es un ciclo de potencia que opera con vapor. Este es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energía cinética, donde perderá presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador, donde el vapor remanente cambia al estado líquido. Posteriormente, es succionado por una bomba que aumentará la presión del fluido para poder ingresarlo nuevamente a la caldera. Existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar sobrecalentadores a la salida de la caldera que permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar así el rendimiento del ciclo ORC Un ORC es similar a un ciclo básico de Ranking pero en vez de agua utiliza un aceite organico en una caldera de baja temperatura como fluido intermedio. La temperatura de operación está entre 70 ºC y 300 ºC. Debido a las propiedades físicas del fluido orgánico, la expansión del vapor saturado no

8 conduce a la zona de vapor húmedo, sino que queda en la zona de vapor sobrecalentado. Ventajas Tecnología ORC - Alto rendimiento de la turbina, con excelentes características incluso a cargas parciales. - Alta eficiencia para un óptimo aprovechamiento del combustible disponible. - Bajos costes de mantenimiento y operación. - Accionamiento directo del generador sin caja de transmisión. - Ausencia de erosión en los álabes de la turbina, debido a la ausencia de humedad en el vapor. - Bajo stress mecánico en la turbina. - Ausencia de corrosión. - Sencilla operación sin supervisión directa: puestas en marcha y paradas en modo automático. - Larga vida útil con una alta disponibilidad. - Amplio rango de aplicaciones debido a las características termodinámicas del fluido orgánico ORC. - Baja emisión de ruidos.

9 Gasificación La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (residuo orgánico) es transformado en un gas combustible de bajo poder calorífico, mediante una serie de reacciones que ocurren a una temperatura determinada en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno y/o vapor de agua ). La elección del método para llevar a cabo el proceso de gasificación depende de varios factores como el tamaño y forma del residuo, el aprovechamiento de la energía del gas producido que vaya a hacerse y, por supuesto, de los condicionantes económicos. Por su parte el aprovechamiento energético de este gas pobre puede hacerse quemándolo inmediatamente en una cámara de combustión, o introduciéndolo en una turbina de gas o un motor de combustión interna. 6.- ABSORCIÓN, Colibrí El proceso de refrigeración por absorción con amoniaco. En una planta de refrigeración el refrigerante evapora a baja temperatura y presión en el evaporador. A continuación es transportado al circuito de alta presión donde condensa en el condensador. Las plantas de refrigeración por compresión usan un compresor para transportar el vapor de refrigerante del evaporador al condensador. En una planta de refrigeración por absorción (PRA) un circuito de solución cubre la función de compresor térmico. En vez de consumir energía eléctrica, este circuito consume energía térmica en forma de vapor, agua caliente o gases de escape.

10 Una PRA esta formada principalmente por intercambiadores de calor. La única componente con partes móviles es la bomba de solución. Por ello estas plantas prácticamente no tienen desgaste siendo de alta fiabilidad y reducidos gastos de mantenimiento. Conexión de una PRA con la planta de cogeneración En una planta de trigeneración la PRA usa el calor producido en la cogeneración para la producción de frío. Por lo general se usa el calor de los gases de escape de los motores o de las turbinas. Hay diferentes formas para el aprovechamiento de dicha energía: Conexión mediante fluido intermedio Los gases de escape pasan por una caldera en el que producen vapor o agua caliente que a su vez se usa para la propulsión de la PRA. La ventaja de este sistema es que el vapor o agua caliente puede usarse simultáneamente para otras aplicaciones. Conexión directa Los gases de escape pueden usarse directamente para propulsar la PRA. Esta posibilidad es interesante cuando toda la energía térmica de la cogeneración esta destinada a la producción de frío. La principal ventaja de la conexión directa es la reducción de los costes de inversión y de mantenimiento por no tener un circuito de vapor adicional.

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12 7.- PROPUESTA DE ESQUEMA PARA UN CASO TIPO. Modelo tipo (Flow Sheet)

13 8.- E.S.E. Empresas de Servicios Energéticos (ESCO: Energy Services Companies). Con el fin de desarrollar, invertir y operar en el nuevo concepto de central energética, se propone el desarrollo de E.S.E. para cada empresa, o para un conjunto de empresas, como una de las alternativas viables. Concepto: - Proporciona servicios energéticos o de mejora de la eficiencia energética a las instalaciones del cliente. - El pago de los servicios se basará en la obtención de mejora de la eficiencia energética y cumpliendo los demás requisitos de rendimiento acordados. - Compromiso de ahorro. - DURACIÓN del contrato en función del consumo (15 años como referencia). - Revisión de precios en referencia a: o IPC o Precio de la astilla o Prima de referencia RD661/ EMPRESA DE SERVICIOS ENERGÉTICOS Compromiso E.S.E. - Factura la energía térmica solicitada para el cliente final (kw). Solo energía útil: aquella que el proceso solicita. En forma de vapor, agua caliente, agua fría,, etc. - Realiza la inversión y la instalación. Es propietaria de la planta de generación. - Paga la fuente de energía necesaria para el funcionamiento de la planta. - Lleva a término la operación y el mantenimiento de la planta. Compromiso cliente - Ceder el espacio y servidumbre de paso para la instalación de la planta generadora. - Pagar a la Empresa de Servicios Energéticos el precio acordado entre las dos partes. - El cliente y la E.S.E. acuerdan un consumo mínimo que garantice la viabilidad de la planta. - El cliente se compromete a cumplir íntegramentela duración del contrato MARCO LEGAL: RD661/2007 Precio de la electricidad garantizada por el RD661/2007, venta a tarifa:

14 Planta de cogeneración a partir de biomasa forestal: Potencia: Categoría: < 2MWe B 6.1 Cultivo energético: MWe/h Prima por eficiencia, aprovechamiento del calor: Planta cultivo energético de 2MWe Aprovechamiento calor Calor aprovechado Prima Total 70% 5.8MWt 10 MWe/h 179 MWe 80% 6.6MWt 20 MWe/h 189 MWe 90% 7.5MWt 30 MWe/h 199 MWe 100% 8.3MWt 40 MWe/h 209 MWe Planta biomasa residuo forestal 6MWe: > 2MWe B Residuo forestal agrícola: MWe/h Prima por eficiencia, aprovechamiento del calor: Planta de 2MWe Aprovechamiento calor Calor aprovechado Prima Total 70% 521MWt 10 MWe/h 135 MWe 80% 24MWt 20 MWe/h 145 MWe 90% 27MWt 30 MWe/h 155 MWe 100% 30MWt 40 MWe/h 165 MWe 9.- LOS CULTIVOS DE CRECIMIENTO RÁPIDO Y BIOMASA FORESTAL La materia prima de cada industria debe adaptarse a la materia prima disponible en el entorno, que varía de 45 a 65 /TN. La proporción entre biomasa forestal o de cultivo depende de la disponibilidad del territorio, de la disponibilidad de agua,, etc. Short Rotation Foresty SRF 7/09/2010. Potencial Económico - El sector agrícola es el sector más afectado por el paro. - La reducción de fondos comunitarios para la actividad agrícola provoca un abandono de los cultivos. - El desarrollo de los cultivos energéticos, es una alternativa para mantener la actividad agrícola. - Genera rentas de trabajo en un ambiente donde las ayudas y subvenciones son reducidas. - Da seguridad al sector haciendo unos cultivos que aseguren unos ingresos durante más de 20 años. - Generar 1MW de energía con biomasa quiere decir: o 10 puestos de trabajo directos, subcontratados, indirectos (9 al campo + 1 a industria) o Ha de regadio. o Producción cultivo 30 40TN Ha año (producción forestal 3-6 TN Ha año). o Captura de 6250 TN de CO 2 al año.

15 El desarrollo de los cultivos son una fuente de energía que genera más puestos de trabajo y revitaliza las zonas rurales y agrícolas. Los puestos de trabajo por MW y tipo de energía: 1.- Biomasa: 9.8 trabajadores 2.- Solar termoeléctica: 2 trabajadores. 3.- Hidroeléctrica: 1.4 trabajadores 4.- Biogás: 0.8 trabajadores. 5.- Solar Fotovoltaica: 0.4 trabajadores. 6.- Eólica: 0.2 trabajadores. Análisis comparativo (Base: 1Mw 8760 h/año) Instalación Mat. Prima Personal Inversión Disponibilidad η FOTOV. Senzilla Sol No 6 MM 2200 h/año 0.4 Kw/ EÓLICA Intermedia Viento No 3 MM 6130 ( 70%?) 2.0 Kw/ BIOMAS A Compleja 11000Tn/año 2camión/día Si 3 MM 8000 h/año 2.7 Kw/ Conclusión La generación de Energía Eléctrica a partir de BIOMASA requiere una Instalación Industrial, Estructura de Producción y adecuada logística para abastecimiento continuo de biomasa COMBUSTIÓN DE BIOMASA - La caldera no puede ser sobre dimensionada para evitar el exceso de apagados y arranques, por las emisiones de CO 2. - Operaciones de mantenimiento sencillas. - Funcionamiento silencioso no utilizan quemadores con aire a presión. - Es la combustión que menos CO 2 produce. - Energía local. - Independiente de los flujos energéticos. - Diversifica las posibilidades de combustible. - El CO 2 que libera forma parte del existente en la atmósfera, no del existente al subsuelo. - No produce escapes de gas que puedan producir explosiones. - No hay emisiones de contaminantes peligrosos (azufre, sulfuros). - Estabilidad del producto. - Dinamismo de los precios de mercado. - Aumento de la demanda y competencia de otros sectores (Ind. Del tablero, papel). - Cantidades suficientes del producto. - Calidad del producto (% de humedad el más importante): o Derivaciones: económico técnico operacional. o Impurezas: materiales inertes, suciedad.

16 - Homogeneidad implica buen funcionamiento de la caldera. - Por cada Mw consume Tn de biomasa al 30% de humedad de CEL: - Adaptación (variación de la mezcla de combustibles) debido a: o Sistema de almacenaje. o Transporte del producto CONCLUSIONES - Recursos propios y renovables, beneficioso para la naturaleza y puede equilibrar nuestra dependencia energética. - Los cultivos energéticos pueden ser un puntal de crecimiento básico. - Objetivo traspasar, dar a conocer el valor de cultivo a las diferentes comarcas del país. - El cultivo y la gestión. Representan muchos puestos de trabajo y oportunidad de desarrollo por la zona. - Este cultivo es compatible con los usos tradicionales (cultivos, ramadería, apicultura,, etc) VENTAJAS AMBIENTALES - La sostenibilidad es un valor de todo el proceso. - Más del 50% de CO 2 proviene de generar electricidad y de transporte, dos sectores en los que se fomentan las alternativas más ecológicas, como son la biomasa y el biodiesel. - Captura masiva de emisiones de CO 2. - El CO 2 emitido produciendo energía, es menor que el captado de la atmósfera en el crecimiento del cultivo. - Reutilización de los residuos agrícolas. Aprovechamiento de los residuos en el proceso de producción energética. - Su aprovechamiento da soluciones a su acumulación y eliminación. - Los cultivos forestales energéticos (SRF) son plantaciones agrícolas destinadas a la producción de energía, con un período de recolección corto de 2 o 3 años según las especies, clima o suelo. - La biomasa es un recurso que se presenta como alternativa energética renovable más potente, beneficiosa y accesible. - Las plantaciones, más lejos de los beneficios ambientales, representan una alternativa productiva de gran valor social que permiten cohesionar y revitalizar el campo ESTABILIDAD Y AUTONOMÍA ENERGÉTICA - Modelo de negocio más estable, puede producir las 24 horas al día. Se basa en el cultivo como base para producir energía eléctrica. - Es la única fuente renovable con garantía de suministro a la red. - Se puede instalar muy próximo al centro de consumo, reduciendo las pérdidas debidas al transporte. - Además, su generación, al ser distribuida en el tiempo, permite mejorar la fiabilidad.

17 - Se reduce la saturación de la red de transporte y distribución, al acercar la generación y el consumo.

18 10.- PRESENTACIÓN DE EJEMPLOS Caldera de LH kcal/h (1.000kw) 2007

19 Caldera de kcal/h (3.488kw) Caldera de kcal/h (2.000kw)

20 Contacte: Llorenç Frigola Vidal GEI-2A, S.L. Telf: M: Web: