Por: Ing. José Barahona Farrier, Superintendente de Mantenimiento, Compañía Arrocera Industrial, S.A., Costa Rica y por el Ing. Allan Núñez Ch., Ingeniero de Proyectos, NV Tecnologías, S.A., Integradores de ABB Sistemas, Costa Rica. Electricidad Generación de Electricidad a Partir de la Cascarilla de Arroz Pareciera una cosa imposible de creer pero es real, la cascarilla de arroz puede ser utilizada como combustible, lo que se refleja en ahorro y con cualidades ambientalistas empresariales. 38 La necesidad de obtener menores costos y mayor eficiencia energética, así como la imperiosa necesidad de lograr autosuficiencia con una energía amigable con el ambiente, generó la investigación de la viabilidad financiera para desarrollar un proyecto de inversión orientado a ejecutar y poner en marcha una planta de generación eléctrica que únicamente utilice como combustible, la cascarilla de arroz en una arrocera ubicada en Liberia, provincia de Guanacaste, Costa Rica. La Compañía Arrocera Industrial, S.A., al igual que la mayoría de las empresas del país, ha resentido el impacto en sus costos, debido a los altos precios de los insumos energéticos dentro de su normal operación. La empresa debe pagar una factura muy
Se estudió entonces la posibilidad de encontrar posibles tecnologías que permitieran el desarrollo y ejecución de un proyecto para el uso de la cascarilla. 40 alta por concepto de energía eléctrica, que se transforma en alrededor de 240 millones de colones anuales, unos 430 mil dólares. De manera conjunta, en los últimos años, el Instituto Costarricense de Electricidad, ICE ha incrementado los precios a sus clientes a razón de un 17%, esto por necesidad de suplirle al país la demanda eléctrica basada en combustibles fósiles como alternativa complementaria a sus plantas de generación a base de energía renovables. Combustible potencial Del proceso de industrialización del arroz en sí, se desprende un desecho: la cascarilla del arroz, que por sus características de baja humedad podría convertirse en un combustible potencial. Este es un desecho que hasta el momento no se usaba en el proceso más que para secar el arroz por medio de hornos de quemado utilizando los gases para secado. Esa cascarilla sobra como parte del proceso de industrialización del arroz, provoca un problema ambiental y su manejo se traduce en costos adicionales. Parte de esa cascarilla se transforma en energía calórica para el secado del arroz, por medio de un gasificador instalado en la planta, que trabaja solamente durante la época de cosecha. Otro porcentaje era recogido por algunas empresas que la consumen para plantas avícolas, plantaciones de ornamentales u otros usos y un gran porcentaje debía ser quemado a cielo abierto para eliminarla. La búsqueda e investigación sobre posibles tecnologías, determinó que existen experiencias de plantas de generación de electricidad y se logró obtener información de una planta prototipo que se había usado durante tres años en una arrocera ubicada en Louisiana y que se encuentra fuera de operación, pues a partir de las pruebas realizadas y dados los resultados obtenidos la compañía norteamericana logró implementar un proyecto mayor y la planta piloto quedó disponible. Esta planta fue adquirida por la Compañía Arrocera Industrial, S.A. y llevada a Costa Rica. Para el estudio de la viabilidad financiera del proyecto, se calcularon los costos actuales por concepto de energía eléctrica que demanda la operación de la industrialización del arroz, además, fue preciso determinar el impacto de ahorro por concepto de la no compra de electricidad. Por otro lado, era indispensable calcular los nuevos costos asociados por la puesta en funcionamiento del proyecto. Al mismo tiempo, se realizó el cálculo técnico de la cantidad de combustible disponible de acuerdo con los índices de producción de la arrocera, para luego determinar la cantidad de combustibles (para nuestro caso de cascarilla de arroz) que se requiere para cada demanda de energía, es decir, es necesario determinar la posible demanda de energía que será suplida con la cascarilla. Además de la ventaja financiera, se encuentra la diferenciación de las operaciones por la autosuficiencia en cuanto a energía eléctrica para el proceso, esto da una ventaja en un mercado cada vez más competitivo, aunado a los compromisos con la naturaleza y con las energías renovables que benefician el ambiente. El futuro: el arroz Se analizó como mejor opción, invertir en un proyecto de generación de energía eléctrica a
partir de la biomasa de cascarilla de arroz, que utiliza una nueva tecnología probada exitosamente en otros países. Esta planta de generación estaría anexada como parte de la planta de procesamiento de arroz, es decir, se habla de una ampliación de la planta de arroz existente y este proyecto se refiere a la expansión que procesaría el desecho que está generando la producción de arroz para utilizarlo como combustible, el cual produciría energía eléctrica que abastezca la planta arrocera existente. La alternativa técnicamente viable fue instalar una unidad generadora de electricidad capaz de suplir las necesidades de gran parte de la planta. Esta unidad de generación de energía eléctrica consta de dos componentes Mes Monto $ Enero 46,640.00 Febrero 44,966.50 Marzo 44,966.50 Abril 46,636.40 Mayo 28,297.38 Junio 26,787.68 Julio 28,800.62 Agosto 27,794.15 Septiembre 27,290.91 Octubre 28,297.38 Noviembre 27,794.15 Diciembre 27,794.15 Tabla 1. Costos actuales por energía eléctrica de la Arrocera. 41 La Revista de la Industria Petrolera
42 Figura 1. Conjunto Caldera-TurboGenerador. importantes; el primero, es un conjunto turbina-generador (turbogenerador), que funciona a base de vapor de agua, a su vez, la turbina mueve el generador eléctrico para producir la energía eléctrica que se entrega al proceso productivo. Para lograr la mayor eficiencia, se utiliza una turbina con condensador. El otro componente importante en la planta de generación es una caldera que produce el vapor a partir de la cascarilla del arroz como combustible principal. Previamente, esta cascarilla pasa por un proceso de molienda para desintegrarla y hacer más fácil la combustión en la caldera. Con toda la información recopilada, se analizó la viabilidad financiera de este proyecto para determinar cuál es el porcentaje de aporte a la reducción de costos de la empresa y su puesta en operación, y a su vez, establecer cuál es la mejor alternativa de financiamiento y el tiempo en el cual se logrará la recuperación de la inversión inicial de la planta. Análisis económico Este proyecto nace como una iniciativa de ahorro y una visión ambientalista de la empresa, lo cual se suma al mejoramiento de la problemática del manejo de los desechos de la producción de arroz, y logra el aprovechamiento de este desecho para ser utilizado en la producción de energía propia y así, lograr reducir sustancialmente los costos generados por la factura de energía eléctrica. En este momento, la factura por electricidad representa un costo muy importante para la empresa, se necesitan alrededor de 700 kw de potencia que significan en promedio 19 millones de colones al mes ($34,050.00, aproximadamente), con los datos de diciembre del 2008; para el 2009, se tiene un incremento en promedio del 17% de las tarifas, por tanto, al minimizar o eliminar esta factura, los costos de producción del arroz serán un factor clave de diferenciación con respecto a la competencia.
Fig. 2. Distribución de módulos de entrada y salida. Control Builder/Digivis Digivis Ethernet AC 800F CI 801 TB 842V2 TB 842 FO CI 801 FO 44 La factura eléctrica va a representar un costo cada vez mayor para la operación de la empresa, pues se habla de un incremento de hasta un 25% para el año 2009, y ya que gran parte de la producción de arroz se vende a un precio fijado por ley, una forma de obtener ventajas competitivas, se logra por medio de la reducción de costos. De acuerdo con la estructura tarifaria a la cual está sometida la empresa, la demanda que representa la empresa es de 700 kw en promedio, esto nos hace resumir el siguiente cuadro: Tabla 1. En este caso, la empresa tiene un costo total anual por energía eléctrica de 226,582,741.00 colones y a su vez, al tipo de cambio de 558 colones por dólar americano, se puede calcular un costo anual de la planta arrocera de $406,062.25 por factura eléctrica. Arquitectura El sistema consta de los siguientes equipos: 1 CPU Freelance AC800F 2 estaciones Profibus DP con comunicadores CI801 7 AI módulos: 56 canales 4 20 ma 3 AO módulos: 24 canales 4-20 ma 17 DI módulos: 144 Digital Inputs, 120 Vac 7 DO módulos: 56 Relay Outputs
El ahorro por factura eléctrica que se produce por la operación de este proyecto de generación es de 201,216,520.00 lo que es lo mismo a un tipo de cambio de 558 por dólar, el ingreso para este proyecto es de $360,603.00 anuales. La planta de generación requirió de una inversión de alrededor de de 1.5 millones de dólares, incluyendo los gastos de instalación y puesta en marcha. La planta generadora consta de los siguientes elementos: Una caldera de vapor con todos sus equipos auxiliares, como sistemas de bombeo de tratamiento de agua y de alimentación de cascarilla. El resto de los equipos son de protección y transformación de la energía al voltaje necesario para la distribución interna de la producción de arroz. Además, se adquiere un sistema de control moderno basado en Freelance 800F de ABB para la operación de los equipos de generación y producción de vapor en forma controlada. Características de la caldera: Capacidad: 22000 lb/hr. Presión: 600 psi. Quemadores: - 1 quemador de diesel. - 2 quemadores de cascarilla. Componentes. - Superheater. - Economizador. - Calentador de aire. - Ciclones de ceniza. - Filtros de mangas. Sistema de control El sistema seleccionado para el control de la caldera fue un sistema de control distribuido Freelance 800F de ABB, con capacidad de crecimiento a toda la planta. La caldera fue 45 La Revista de la Industria Petrolera
Figura 3. Esquema de control de combustión. 46 totalmente instrumentada para poder controlar la alimentación de cascarilla de arroz y controlar automáticamente la presión de vapor, el nivel de domo, los ciclos de limpieza del hogar y los sistemas de filtrado de gases. Así mismo, se monitorean diferentes puntos de los ductos de salida de gases, salida del calentador de aire, oxígeno contenido en los gases de combustión, nivel y vacío del condensador. Están incorporados los niveles de tanques de agua y temperatura de la misma, así como el arranque y parada de todos los motores de las bombas y los sistemas de alimentación de cascarilla y manejo de cenizas. Dos estaciones de visualización con Digivis, permiten que el operador pueda tener información de dos pantallas a la vez y navegar por las doce diferentes pantallas en el HMI donde puede operar en forma manual o automática las válvulas y los variadores de frecuencia, así como visualizar todas las variables del proceso. Diagrama que muestra la distribución de módulos utilizados para este proyecto. Fig. 2. Los factores relevantes de la selección del sistema Freelance fue su facilidad de configuración con un sistema altamente amigable en Figura 4. Sistema de Agua y Vapor.
Transporte de cascarilla. Secuencia de limpieza del hogar. Control de limpieza de filtros. Inicio y arranque Secuencia de arranque de la caldera. El operador inicia la secuencia de arranque de la caldera arrancando un quemador diesel y aire de combustión. Cuando la temperatura del hogar sobrepasa los 450 F, inicia el proceso de inyección de cascarilla. A la presión de 450 psi, el operador arranca la turbina y a 530 psi se pone en línea el generador. A esta presión se inicia también el traslado de carga. 48 Este proyecto es viable en todos los sentidos; un logro de la investigación. una misma plataforma de software y un precio muy competitivo comparado con otros sistemas similares. La facilidad de crecimiento, también fue importante y por otro lado, tuvo un impacto muy importante el know how de la empresa integradora que ofreció el sistema completo y que significó un alto grado en la decisión para la implementación del sistema. Controles implementados El sistema Freelance 800F tiene su software de configuración (Control Builder) que permite realizar el control en cinco diferentes lenguajes según IEC 61131-3. Esto permitió la implementación de la secuencia de arranque en lenguaje en escalera (Ladder) y el resto de procesos continuos se programó en FBD (Function Block Diagram). Control de Combustión La cascarilla se toma de una tolva de almacenamiento por medio de cuatro alimentadores con variador de frecuencia controlados desde el sistema Freelance. Cada alimentador posee la posibilidad de trabajar en automático o manual y se le ha implementado un Bias en caso de que el operador considere necesario colocar un offset. Dos sopladores impulsan la cascarilla hacia los quemadores donde se mezcla con el aire de combustión que previamente pasa por el calentador de aire aprovechando los gases de salida de la combustión. Este aire de combustión se controla con los dámper FZ807 y FZ804. Un control maestro de presión controla la alimentación de cascarilla y el aire de combustión por medio de una curva calibrada para lograr una buena combustión. Además se ha colocado un control de oxígeno para hacer un ajuste fino en la aplicación de aire de combustión que permite obtener mejores resultados en la combustión. Figura 3. Los controles que se implementaron fueron entre otros los siguientes: S e c u e n c i a d e arranque de caldera. Nivel de agua a tres elementos con variador de frecuencia. Control de combustión con ajuste de O 2. Esquema de Agua y Vapor El esquema de agua y vapor, se muestra en la figura 4. En este esquema, se puede notar los diferentes elementos que intervienen en el proceso dinámico de vapor y agua. El vapor, en la línea marrón, se distribuye desde el domo pasando por el super heater hasta la turbina del generador. El condensado pasa a tanque del condensador y luego es llevada al desaireador para luego ser inyectado nuevamente al domo. Para el control de nivel, no se
50 utiliza válvula de control, sino un variador de frecuencia controlado por una señal de 4 20 ma desde el sistema Freelance. Este control está implementado a tres elementos, caudal de agua, caudal de vapor y nivel de domo. Pero cuenta con una turbobomba cuyo caudal de agua es controlado por velocidad, regulando la válvula de admisión de vapor a la turbina. Resultados Al revisar los resultados del VAC (Valor Actual de Costos), obtenido de las dos alternativas de flujos de efectivo proyectadas, es posible determinar que financieramente hablando el proyecto es viable y se obtiene un ahorro de valor actual de costos de 458,4 millones de colones en el período de estudio. El estudio técnico indica que hay capacidad en la arrocera de acuerdo con la producción de la cascarilla necesaria, como se expuso, la arrocera produce actualmente 2.24 toneladas de cascarilla por hora, y la demanda máxima de la planta de generación en su máxima capacidad es de 2.4 toneladas de cascarilla por hora. Si se requieren generar 1500 kw la caldera debe suministrar 17,600 lb/hr, pero la demanda de la arrocera es de máximo 1200 kw que resulta en una necesidad de 14,08 lb/ hr, lo que implica (según la Figura 7) 2,18 ton/hr de cascarilla, es decir, sobra cascarilla para una futura expansión de la planta. Una de las ventajas que se tienen también en el uso de la cascarilla es que en tiempo de no cosecha, el 100% de la cascarilla se puede utilizar totalmente para la generación de energía, dado que en esa época del año, el gasificador no opera, permitiendo distribuir la energía eléctrica a otras áreas de la compañía que están cercanas a la planta como talleres y oficinas. Conclusiones El proyecto planteado es viable técnicamente y financieramente y además, tiene la ventaja competitiva de que no depende d e l suministro de energía eléctrica para oper a r, así que los apagones o cortes en el fluido eléctrico no perjudicarían. Se trata de una energía renovable y no se presenta el problema de contaminación por el manejo de cascarilla excedente. El proyecto es totalmente compatible con el ambiente y puede ser usado en una posible aplicación de una nueva legislación ambiental o en una eventual necesidad de certificarse por alguna norma ambiental. El conjunto se puso en marcha en marzo del 2008 y los resultados han sido importantes para la Compañía Arrocera industrial en cuanto a ahorro energético obteniendo mayor competitividad en el mercado. Se espera un retorno de la inversión a cinco años plazo. E l s i s t e m a d e control facilitó la puesta en marcha y los ajustes de la caldera. Permitió una rápida integración de los operadores y una versatilidad y facilidad de incorporar alarmas, tendencias y nuevos controles e incluso modificarlos de una forma rápida y sencilla. Permitió la programación rápida de los diferentes procesos de la caldera y hacer una puesta en marcha dentro de los tiempos definidos por el usuario.