GENERACIÓN ELÉTRICA A PARTIR DE LA INCINERACIÓN DE BIOMASA Autor: López Zabala, José Mª. Directora: Cruz Mendoza, Susana de la. Entidad Colaboradora: Heymo Ingeniería. RESUMEN DEL PROYECTO El proyecto que se resume a continuación está dividido en dos partes: en primer lugar el desarrollo de una herramienta en un soporte informático que facilite la toma de decisiones a la hora de realizar un estudio de viabilidad preliminar y escoger la mejor tecnología de incineración del recurso natural para la generación de energía eléctrica y, en segundo lugar, la aplicación de esta herramienta en un caso concreto, del que se realizará el desarrollo conceptual de la Planta. El desarrollo del proyecto está dentro del marco de las energías renovables, en concreto en el campo de la biomasa. La primera parte del proyecto la constituye el desarrollo de una herramienta en Microsoft Excel, con el fin de realizar un análisis técnico-económico matricial en tres ejes en los que se enfrentaran: Tecnologías de incineración disponibles en el mercado, Tipología de biomasa y Dimensión de la Planta de incineración. A partir de este análisis se buscará el óptimo técnico económico en función de los parámetros de entrada. La herramienta está estructurada a partir de una serie de bases de datos interrelacionadas que, a partir de los parámetros de diseño proporcionados por el cliente, llevarán a cabo le selección de la mejor tecnología aplicable para la producción de energía eléctrica. Los valores de entrada de la herramienta son los siguientes: Dimensión de la Planta: en términos de la biomasa disponible en el emplazamiento o en valor de los MWe que se desea obtener. Tipología del recurso a incinerar. Parámetros térmicos: Presión y Temperatura a la salida de la caldera, Temperatura a la entrada de la caldera y Presión a la salida de la turbina.
Las bases de datos que componen la herramienta disponen en primer lugar de información referente a los recursos abarcados en el RD 661/2007, como pertenecientes a la generación eléctrica en Régimen Especial a partir de biomasa. En esta base de datos se caracterizan los distintos tipos de biomasa con sus diferentes propiedades físico-químicas, tales como (Poder calorífico y análisis elemental e inmediato), que son las que resultan determinantes a la hora de escoger las tecnologías de incineración. En segundo lugar se dispondrá de una segunda base de datos con los datos proporcionados por los fabricantes de las distintas tecnologías de calderas disponibles en el mercado, con sus respectivos requisitos frente a las características de los residuos que son capaces de procesar. Finalmente una vez conocidas las técnicas que son susceptibles de ser empleadas en un caso concreto, se realiza una valoración económica de las mismas. Para conseguir elegir la tecnología de incineración, la herramienta lleva a cabo todos los cálculos termodinámicos necesarios. Los cálculos principales que realiza la herramienta son: definición del ciclo (Rankine con dos extracciones) y sus valores entálpicos, flujos másicos, potencias térmicas y eléctrica y consumo de biomasa. Dichos valores se han contrastado con un software comercial comprobando la bondad de los cálculos. En la segunda parte del proyecto se analiza un caso concreto de una Planta de generación de este tipo. Los datos de partida de este caso son los siguientes: Potencia de 10 MWe. Recurso disponible: Eucalipto con un 35% de humedad. P=90 bar, T=485ºC, T=122ºC, P=0,08 bar Introduciendo estos parámetros en la herramienta desarrollada en la primera fase se genera el ciclo termodinámico, y se calculan sus parámetros fundamentales, así como las características del sistema de incineración. Una vez conocida la caldera más apropiada, y aprovechando los cálculos de la herramienta, se procede al dimensionado de los equipos principales de la Planta. La producción de vapor necesaria para obtener la potencia requerida se consigue de la herramienta con un valor de 37,45 t/h, además de obtenerse los valores de
las extracciones a partir del balance de masas y energía en sendos intercambiadores (precalentador de condensado y desgasificador). El ciclo genera una potencia de 10 MWe, para lo que es necesario un consumo de 33,08 MWth. Con estos valores el ciclo de producción proporciona un rendimiento bruto de 30,23%. Los equipos principales de la Planta y del BOP que se han calculado son los siguientes: A partir del consumo de biomasa necesario, se calculan las capacidades de recepción y almacenamiento necesarias para el correcto funcionamiento de la Planta. A partir del flujo de vapor que pasa por el condensador, se evalúa la potencia térmica a evacuar así como el agua de aporte y de circulación que debe suministrar la torre de refrigeración y las recirculaciones que debe tener. Conocido este flujo se calculan también las características de las bombas de extracción de condensado. Con los conocimientos de dimensionamiento de intercambiadores tubo-carcasa, se estima el área del precalentador de condensado de la Planta. A continuación se calcula el desgasificador, dónde se calienta el agua de alimentación y se evacuan los gases y el oxígeno contenido en el agua. Hay que calcular su volumen así como el agua de aporte que hay que suministrar para suplir las purgas. Además se realiza el cálculo de las líneas principales del ciclo agua-vapor, con sus diámetros, espesores y materiales según sus características de operación. La inversión que requiere el proyecto es de 26.827.000, los cuales tendrán que ser amortizados durante la vida útil de la Planta. Los costes de la planta serán los derivados de las compra del recurso, y de los gastos referentes a operación y mantenimiento. Los ingresos son los correspondientes a la venta de la energía a la red. Estimando un estudio de la viabilidad de la Planta a 15 años, ya que a partir de este periodo la retribución disminuye y no hay grandes cambios en los principales indicadores de viabilidad, se obtuvieron unos valores de VAN=9.404.668 y TIR= 9,83%, siendo la tasa de actualización del 5%, con lo que se concluye que el proyecto resultó viable.
POWER GENERATION FROM BIOMASS INCINERATION Author: López Zabala, José Mª. Directora: Cruz Mendoza, Susana de la. Supporting Company: Heymo Ingeniería. PROJECT SUMMARY The Project outlined below is divided into two parts: firstly the development of a software tool that facilitates decision-making when performing a feasibility study of chosing the best incineration technology applicable for biomass resource in order to generate power and, secondly, the application of this tool in a specific case and make the conceptual design of the Plant. The development of the project is focused on the renewable energy, concretely in the biomass field. The first part of the project consists on the development of a tool in Microsoft Excel, to perform a technical and economic analysis on three areas: Incineration technologies available in the market, Typology of biomass and Size of the Plant. From this analysis will be sought the optimum technical and economical according with those inputs. The tool is structured by a couple of databases interrelated that, from the design parameters provided by the client, will make a selection of the best applicable technology for electricity production. The inputs of the tool are the following: Size of the Plant: in terms of biomass available in the location or value of MWe which is sought to be obtained. Typology of the resource to be incinerated. Thermal Parameters: Live steam Pressure and Temperature, Feed water Temperature to the boiler steam for line and exhaust Pressure. The databases which take part of the tool have firstly information about the resources covered in the RD 661/2007, as biomass to be considered under the Special Regime. In these databases, the different types of biomass are characterized, with its different physical and chemical characteristics (as Heating
value and elemental and immediate analysis), which are the critical parameters when selecting the boilers. Secondly there will be other database with the data supplied by the manufactures about the different boilers available in the market, with their requirements regarding the biomass they are capable of processing. Finally, once the techniques likely to be used in a particular case are known, there is an economic assessment of them. For achieving the objectives of choosing the best incineration technology, the tool must make all the necessary thermodynamic calculations. The principal calculations are: definition of the cycle (Rankine with two bleeds) and its enthalpy values, mass flow, thermal and electrical power and consumption of biomass. Those values have been compared with a commercial software, checking the goodness of the calculations. In the second part of this project a particular case of a generation Plant is analysed. The inputs are: Power of 10 MWe. Resource: Eucalypt with 35% moisture. P=90 bar, T=485ºC, T=122ºC, P=0,08 bar Introducing these parameters into the tool obtained from the first part, a thermodynamic cycle is generated, and his fundamental parameters are calculated, as well as the characteristics of the incineration system. Once selected the best boiler and taking advantage of the tool, performances the main equipment of the Plant is defined. The steam production needed to obtain the required power is given by the tool with a value of 37,45 t/h, besides of getting the values of the bleeds from the mass and energy balance in both heat exchangers (pre-heating of condense and desgasifier). The cycle generates a power of 10 MWe, for what is necessary a consumption of 33,08 MWth. With this values the gross efficiency is 30,23%. The main equipments of the Plant and the BOP that have been calculated are the following:
From the consumption of biomass necessary, the reception and storing capacities for the proper operation of the Plant are calculated. From the mass flow that goes through the condenser, is evaluated the thermal power that must be evacuated and the feed up and circulation water that has to supply the Cooling Tower, as well as necessary recirculations. Form the flow the characteristics of condensate pumps is also calculated. From knowledge of the size of the exchanger tube-chassis, it is estimated the area of the condensate preheater. After this equipments it is the desgasifier, where it is heated the feed water and it is evacuated the oxygen and gases. Also the volume and the water supply to be provided to supplement the purges are calculated. Moreover the calculation of the main pipes in the water-steam cycle, with its diameters, thicknesses and materials according to their operating characteristics is made. The investment of the Project is 2,827,000, that will have to be amortized along the life cycle of the Plant. The main operation costs of the Plant will be the biomass supply and the costs referred to operation and maintenance. The incomes will come from energy sales to the grid. Extending the feasibility study to 15 years, because after this period the income decreases and there are no appreciable changes in the key indicators, the next values were obtained. VAN=9.404.668 y TIR= 9,83%, being our rate of discount 5%. So it is concluded that the project is feasible.