Análisis Técnico Económico de Generación de Energía Eléctrica Renovable.
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- Eva Núñez Herrero
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1 Análisis Técnico Económico de Generación de Energía Eléctrica Renovable. Rosa María Herrera Olivares 1, Miguel Ángel Gómez Martínez 2 1 DICIS, rosamaheoli@hotmail.com, 2 DICIS, gomezma@ugto.mx RESUMEN Actualmente se depende casi en su totalidad de los combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica. Sin embargo los problemas derivados de esta práctica han ido en aumento tales como el encarecimiento del petróleo, la contaminación ambiental y sus consecuencias. Lo anterior ha propiciado que el uso de otras opciones de generación de energía eléctrica se estén popularizando, sobre todo aquellas consideradas como renovables, una de estas es la energía eoloeléctrica y la generación mediante la utilización de los residuos de biomasa o urbanas del sector es una solución a dos temáticas de gran relevancia en el ámbito medio ambiental. PALABRAS CLAVE Eoloeléctrica, biomasa, aerogenerador, biogás. INTRODUCCIÓN El presente trabajo se realizo basándose en las publicaciones de los artículos llamados: Generación de Energía Eléctrica en Zonas Rurales Utilizando Biomasa [1] y Estudio de Factibilidad de Generación de Energías Renovables [2]. En el aumento de la demanda en la energía eléctrica debido al crecimiento en la población así como del impulso industrial ha provocado la necesidad de buscar otras fuentes energéticas. Por ejemplo la energía eoloeléctrica está tomando un lugar considerable a nivel mundial como una de las futuras fuentes de suministro de energía. Las tecnologías de generación se dividen a su vez en convencionales y no convencionales. Las primeras se refiere a las energías no renovables y las segundas se refieren a las energías renovables. El viento es considerado un recurso renovable que provee energía eléctrica cinética la cual es aprovechada para generar energía eléctrica llamada también energía eoloeléctrica y otra forma es mediante el gas metano clase de biogás que se desprende de la descomposición de materia orgánica en rellenos sanitarios en México, es extraído y utilizado para generar energía eléctrica, alternativa que puede resultar más rentable e indudablemente más ecológica que el uso del gas natural. Y finalmente se concluye que el presente trabajo se realizo para tener un estudio más amplio sobre la generación de energía y las diferentes maneras de obtenerla realizando un estudio técnico y económico de ambas formas de generación. MATERIALES Y MÉTODOS
2 1. MODELOS EÓLICOS. El viento es una fuente de energía gratuita, limpia e inagotable. Para la generación de electricidad se hace instalando un conjunto de molinos que se denominan parque y estos normalmente tienen una potencia instalada que oscila entre 10 y 50 MW. En el estado de Guanajuato las ciudades que cuentan con estación de medición del viento son Salamanca, León, Irapuato, Silao y Celaya, siendo esta ultima la que tiene los niveles más óptimos de velocidad del viento para la aplicación de generación eléctrica utilizando energía eólica. Concluyendo que la zona con niveles de velocidad de los vientos más altos son los que se presentan en la estación de medición del tecnológico de la ciudad de Celaya, siendo su promedio anual en un rango de 4.4 m/s hasta 7.7 m/s. Con la ayuda de la serie de Fourier se ajusto la curva del sistema de puntos y Vs x dando como resultado (1) que es el modelo matemático resultante [1]: (1) En base al modelo matemático indicado por (1) se puede realizar una estimación de los valores futuros del comportamiento del viento que para este trabajo de investigación abarca un lapso de 20 años a partir de la última semana medida. El valor estadístico de las predicción señala que el promedio general de la velocidad del viento para nuestra predicción de 20 años está en un valor aproximado de 5.28 m/s. 2. CASO DE ESTUDIO. Se realizo un estudio técnico-económico de la energía eoloeléctrica que se pudiera generar en el estado de Guanajuato y se analizo experimentalmente la implementación de un parque eólico en la zona con mayor flujo de viento dicho análisis se basa directamente en la capacidad de generación de los aerogeneradores, la velocidad de viento pronosticada de la predicción realizada la inversión del proyecto y la recuperación de la inversión. Lo anterior se analiza en un horizonte de planeación a 20 años. Con el fin de calcular la cantidad de energía eléctrica que se producirá en Kwh, por año se analizo el número de horas al día en las cuales se tiene una velocidad igual o mayor a la velocidad del viento promedio que para este experimento es de 5.28 m/s, por lo que se obtuvo un factor de planta de 46.3 % el cual representa horas de operación durante un año equivalente a días el tiempo de operación para los 20 años es de horas. Por lo tanto se concluye que al obtener esa velocidad tan baja en la cuidad de Celaya Gto., el proyecto no es factible. 3. LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA. Es muy conocido el efecto por el cual, una gran variedad de desechos orgánicos se degradan produciendo un gas combustible, rico en metano. El proceso se produce siempre y cuando el material se encuentre en un ambiente cerrado libre de oxigeno (fermentación anaeróbica). El gas así producido se denomina biogás y los residuos sólidos producidos se denominan biocarbono.
3 Los biodigestores son fosas especiales en las cuales se produce gas metano, a través de la fermentación anaeróbica (sin oxigeno) de desechos orgánicos. Como estiércol de animales, desperdicio de comidas y rastrojos de siembra. Se pueden construir biodigestores multifamiliares para satisfacer a todos. Toda materia orgánica posible de fermentación puede ser tratada en biodigestores convirtiéndose en la forma más barata de higienizar el medio ambiente. Otra ventaja de este tipo de tratamiento de estiércol es la reducción de olores desagradables. El biodigestor es una forma barata y fácil de obtención de energía que tiene gran potencial para ser desarrollada. En la figura 1 se muestra el proceso que se lleva a cabo en un centro de biodigestion. Figura 1. Principales partes de un centro de biogeneración. 4. RESULTADOS TÉCNICOS Y ECONÓMICO DE UNA MINICENTRAL ELÉCTRICA UTILIZANDO BIOMASA. El consumo de energía eléctrica de una casa habitación familiar (5 personas) es de un promedio de 172 Kwh bimestralmente, entonces, lo que se pretende por medio de un análisis es ver que tan factible es auto-generar la energía eléctrica por medio de biomasa (excretas d res y cerdo) ya que la cría de estos es una de sus fuentes principales de ingresos. Como primer punto se determina el consumo requerido de energía por la comunidad la cual fue de Kwh Para este valor se requieren de m^3 de biogás, los cual s pueden producir con Kg de excretas sólidas de granjas porcinas. Las excretas solidas (estiércol) contienen en promedio 15% de materia seca y estas deben de ingresar al biodigestor como una suspensión en agua con aproximadamente 3% de materia seca, esto implica una mezcla de cuatro partes de agua por una parte de estiércol fresco. El tiempo de retención, suficiente para la digestión anaeróbica más eficiente de la materia orgánica componente de las excretas es de 50 días por lo que la cantidad diaria de excretas para alimentar el biodigestor se calcula dividiendo el volumen de su fase liquida entre los 50 días de retención.
4 (117 kg de estiércol porcino)+ (468 litros de agua)=585 litros de solución. (213 kg de estiércol bovino)+ (852 litros de agua)=1065 litros de solución. Como podemos observar, tiene mejor rendimiento el utilizar excretas de cerdo que de res, puesto que produce más m^3 de biogás por kg. De la tabla 6 se deduce que la granja debe tener una población animal mínima de 36 bovinos adultos de cualquier tipo o 30 cerdos para producir la cantidad de excretas necesarias para la obtención del biogás adecuado. Tabla 6. Producción diaria de estiércol en diversas especias animales. PRODUCCIÓN DIARIA DE ESTIÉRCOL EN DIVERSAS ESPECIES ANIMALES. Especie animal. Estiércol producido por cada 100 kg de peso vivo. Bovino de raza de carne. 6kg Bovino de raza lechera. 8kg Equino mular o asnal. 7kg Oveja o cabra. 4kg Cerdo. 4kg Conejos o cuyos. 3kg Con esta tabla se puede obtener el volumen de biogás adicional (Vba) en m^3/día. Calculamos el volumen de biogás real (Vbr) en m^3/día Para calcular el volumen necesario del digestor (Vnd) en m^3 nos basamos en la cantidad de excretas diarias necesarias y en el volumen de agua requerido para esta concentración de la siguiente manera: (117 kg de estiércol porcino)+ (468 litros de agua)=585 litros de solución Estos 585 litros es la mezcla que necesitamos diariamente y por razones de mantenimiento construiremos un digestor de volumen en relación al tiempo programado de mantenimiento que en este caso es de 90 días aproximadamente 3 meses por lo tanto multiplicaremos el volumen diario de solución por 90 días de la siguiente manera.
5 (585 litros de solución)(90 días)= litros Estos litros equivalen a m^3 para calcular el volumen total del biodigestor se le agregara un 20% más de holgura y nos queda de la siguiente manera: 52.65m^ m^3=63.18m^3 Para calculas el volumen del digestor preseleccionado (Vdn) en m^3 calculamos el diámetro del digestor tomando la altura como un valor fijo igual a tres metros. Donde: d= diámetro del tanque 5.18m h=altura del tanque 3m ahora se calcula el volumen del almacenamiento del biogás (vab) en m^3 El costo de este proyecto con las dimensiones descritas anteriormente se muestra a continuación: 1. Biodigestor. $0.030 millones 2. Almacenamiento secundario..$0.020 millones 3. Implementos $0.020 millones 4. Mantenimientos y operación.$0.012 millones 5. Motogenerador 45 kw + instalación.$0.098 millones Total $0.180 millones Ingresos anuales estimados. Todo el desecho que se le acumula al biodigestor un buen regenerador d tierra por lo tanto tiene un valor significativo porque se puede usar en lugar del fertilizante habitual y ahorrarse el costo de este.
6 La cantidad de biofertilizante diario producido es de kg (excretas de cerdo). Al año son nos da un ingreso de $ al año y a esto le sumamos el costo anual de energía eléctrica de acuerdo a la tarifa de CFE. Ingreso anual estimado = ($ )+ ($ )=$ =$ CONCLUSIONES. El análisis técnico económico que se realizo en el presente trabajo se concluye que en el caso de los aerogeneradores el costo y su mantenimiento con respecto a los ingresos generados por la producción de energía eléctrica y los estímulos del gobierno se obtienen perdidas por lo que no es económicamente factible invertir en este proyecto al menos bajo las condiciones de flujo de aire obtenidas pala zona donde se plantea el proyecto. Por otra parte los resultados obtenidos del estudio de biomasa y bajo las condiciones dadas demuestran que se tiene una ganancia en el rango de 30 años, es decir que por cada peso invertido obtendríamos pesos de ganancia por lo tanto si es factible la generación de energía eléctrica por biomasa. AGRADECIMIENTOS. Este trabajo no hubiera sido posible sin el apoyo de mi tutor Miguel Ángel Gómez Martínez ya que sin su colaboración, ayuda y contribución en este trabajo así como su dedicación en tiempo y ánimos hacia mi persona, agradezco también a la Universidad de Guanajuato por el apoyo económico recibido durante la realización del presente trabajo. REFERENCIAS. Artículo: [1] Gómez-Martínez M.A. Guzmán-Cabrera. A. Gonzales-Parada. (2009) Estudio de Factibilidad de Generación de Energías Renovables, FOINTEC, pág [2] Gómez-Martínez M.A, Guzmán-Cabrera. A. Gonzales-Parada, (2009) Generación de Energía Eléctrica en Zonas Rurales Utilizando Biomasa, FOINTEC, pág
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