Análisis de la potencial incorporación de un sistemade trigeneración alimentado con gas natural, en laindustria láctea de la Costa Caribe Colombiana

Ing. Lesmes Corredor, Ph. D. -Universidad del NorteGrupo de investigación en Uso Racional de la Energía y Preservación del Medio Ambiente Categoría A1 Colciencias

Ing. Neil Cervantes- Coolechera LtdaOtoniel Ahumada, Mauricio Baldovino, David Acosta, Samuel Solorzano, Billy Palmezano (Estudiantes de Ingeniería Mecánica

Universidad del Norte)

Coolechera inició su operación en el año 1933 por 38 ganaderosresidentes en el departamento del Atlántico, con el objetivo decomercializar la producción de sus hatos, brindar a la comunidadproductos saludables y contribuir con la generación de empleo en laregión. La Cooperativa inició sus labores con leche envasada enbotellas de vidrio, con una producción de 4.000 litros diarios.

Hoy la Cooperativa cuenta con 1.100 asociados y un promedio decaptación de 360.000 litros diarios.

HISTORIA

Certificación INVIMA del

SISTEMA HACCP para la línea de producción de leche en polvo

entera y descremada.

Sello de Calidad de Producto ICONTEC

Certificado de Gestión de la

Calidad ICONTEC

NUESTRAS CERTIFICACIONES

Habilitación Internacional

Leche en polvo entera y descremadaPresentación bultos de 25kilos y empaque por gramos en foillaminado.

LECHE UAT EMPAQUE FLEXIBLE Y TETRAPAK

Leche Saborizadas UAT

Queso Costeño Queso Fresco

SUERO COSTEÑO

YOGURT y BEBIDAS LACTEAS

Mantequilla con sal y sin sal en bultos de 25kilos y barras de 100grs.

Arequipe

Jugos Bonga

Refrescos y Agua Tratada

ZONA DE INFLUENCIA

0

50.000.000

100.000.000

150.000.000

200.000.000

250.000.000

300.000.000

350.000.000

Facturación Gas Planta Barranquilladesde enero 2015 a septiembre 2016

0

50.000.000

100.000.000

150.000.000

200.000.000

250.000.000

300.000.000

350.000.000

400.000.000

Facturación de energía Planta Barranquilla desde enero 2015 a septiembre 2016

PLANTA BARRANQUILLA

ENERGÍA ELECTRICA2,945 MVA L. LÍQUIDA

4,045 MVA1,1 MVA L. POLVO

CALDERAS Y QUEMADORES400 BHP L. LÍQUIDA

1550 BHP1.115 BHP L. LÍQUIDA

CHILLERS285 L. LÍQUIDA

325 TR40 L. POLVO

BANCOS DE HIELO155 TR L. LÍQUIDA

200 TR45 TR L. POLVO

AIRES ACONDICIONADOS130 TR L. LÍQUIDA

150 TR20 TR L. POLVO

CUARTOS FRÍOS 40 TR L. LÍQUIDA 40 TR

Estacionalidad

• Debido a marcada estacionalidad de las lluvias en la región caribe, los consumos térmicos de la industria láctea se ven condicionados aun teniendo gran cantidad de huésped térmicos para aprovechamiento energético.

Consumo eléctrico fluctuante

• El consumo energético en la planta estudiada es muy variable a lolargo de los meses debido a que los niveles de producción dependende las condiciones climáticas y demanda de productos producidos.

Situación Actual.

• El pico máximo de consumo observado de energía eléctrica fue de1737,08 kWhe, mientras el promedio fue de 1050 kWhe. El eléctricoes aproximadamente el 23% del consumo total mensual de energía.

Perfiles día a día de los consumos de energía eléctrico.

Porcentaje consumo promedio al año(kWhe)

RANGOS

Consumo kWhe Frecuencia

290 - 580 400

580 - 870 2224

870 - 1160 2077

1160 - 1450 1054

1450 - 1740 11

Total 5766

7%

39%

36%

18%0%

290 - 580 580 - 870 870 - 1160 1160 - 1450 1450 - 1740

Potencial de cogeneración y/o trigeneración.

La marcada estacionalidad dada por el índice de cogeneración entre el consumotérmico y el eléctrico.

Índice energético. Relación consumo térmico y eléctrico.

Alternativas evaluadas y escenariosLos escenarios propuestos por los autores fueron los siguientes:

• Auto-suficencia eléctrica.

1. Cogeneración: Planta de Motor a gas CUMMINS® C2000N5 de 2MWe y 2 Intercambiadores de calor.

2. Trigeneración: Planta de Motor a gas CUMMINS C2000N5 de 2MWe + 1 Equipo de refrigeración TRIGENIE 340 TR y 2Intercambiadores de calor

• Auto-suficiencia eléctrica y venta de excedentes a la red

1. Trigeneración: Planta de Turbina a gas Centaur® 50 de 4 Mwe +Equipo de refrigeración TRIGENIE 340 TR y 2 Intercambiadores decalor

Sistemas de cogeneración – Motor a gas

Sistemas de trigeneración –Turbina a gas

TURBINA

Aire

Sistemas de trigeneración Motor a gas

Consideraciones

• Para efectos de la simulación, se asumió que la potencia eléctrica era constante para una hora determinada.

• En la simulación se trabaja con valores a carga máxima.

Simulaciones• El software de simulación permitió obtener el rango de temperaturas para trabajar, utilizando la

alternativa de trigeneración, aprovechando el calor de los gases de escape del motor y economizando el consumo de gas en el secado.

Gas Natural (Kg/h)

Out Air to DryerTemperature Exhaust Gas

after chiller (°C)270 86,4 167,1

273,6 86,9 170,1277,2 87,3 173,1

280,8 87,8 175,9

284,4 88,3 178,7288 88,8 181,4

291,6 89,3 184295,2 89,8 186,6

298,8 90,2 189,1

302,4 90,7 191,5

306 91,2 193,9

309,6 91,7 196,2

313,2 92,2 198,5316,8 92,7 200,7320,4 93,1 202,9

324 93,6 205327,6 94,1 207,1331,2 94,6 209,1

334,8 95,1 211,1

Simulaciones

Simulaciones alternativas desarrollo en el software Aspen HYSYS

Costos del proyecto

• Para el análisis del costo se tuvieron en cuenta los precios para laproducción y mantenimiento de cada maquina térmica utiliza, el cualvaria dependiendo la capacidad de estas. Además de considerar unainflación del dólar en 3%. A continuación se presentan la informaciónde los costos.

Combustion Engine Project Approximate Costs

Capacity [kW] 500 1000 3000

Project Cost [$USD/kW] 1940 1640 1130

Maintenance Costs

[$USD/kWh]0.016 0.013 0.01

Gas Turbine Project Approximate Costs

Capacity [kW] 1000 5000 10000

Project Cost [$USD/Kw] 3324 1314 1298

Maintenance Costs

[$USD/kWh]0.0111 0.0074 0.007

Costos aproximados del proyecto para el motor de combustión interna.

Costos aproximados del proyecto para la turbina de gas.

Análisis de costos• Auto-suficiencia eléctrica:

Co-generation

Cummins®

2000

Tri-generation

Cummins®

2000

Gas Consumption [m3/h] 503,2 356,5

Electrical Efficiency 46,1% 46,1%

Recovered Heat [kW] 962 469.3

Refrigeration Max [kW] N/A 999

Aproximate Project Cost [k$USD] 6221 6675

Potential Savings [k$USD/y] 710,1 911,8

Investment Return [years] 8,76 7,32

Internal Rate of Return [10 y] 5,53% 6,32%

Costos para el escenario de auto-suficiencia. Motor de combustión interna de 2MW. Trigeneración con equipo de refrigeración de 340 TR

Análisis de costos• Auto-suficiencia eléctrica y venta de excedentes:

Regular GenerationTri-generation

Centaur® 50

Gas Consumption [Nm3/h] 1368

Electrical Output [kW] 3800

Electrical Efficiency 28.57%

Recovered Heat [kW] 4091

Refrigeration Max[kW] 999

Revenue for Power Sale [k$USD/y]882

Approximate Project Cost [k$USD]12987

Potential Savings [k$USD/y] 1038,96

Investment Return [years] 12,5

Internal Rate of Return -11,4%

Electric gridTri-generation

Centaur® 50

Revenue for Power Sale

[k$USD/y]1702

Potential Savings [k$USD/y] 1203.2

Investment Return [years] 7,8

Internal Rate of Return 3,22%

Costos para el escenario de auto-suficiencia eléctrica y venta de electricidad a la red. Turbinas de gas de 4.6MW.

Conclusiones• Auto-suficencia eléctrica.

• Auto-suficiencia eléctrica y venta de excedentes al distrito.

El resumen de este proyecto ya fue aceptado por ASME y espera por ser presentado en:

El nombre del artículo es: “AN ENERGY AND ECONOMIC SIMULATION OF A NEW TRIGENERATION SYSTEM IN A TROPICAL DAIRY COMPANY, FUELED BY NATURAL GAS”

Muchas Gracias!