Energía biomasa

Problema 01 Se dispone de un área cultivada de 32.000 ha en el centro de la cual se pretende instalar una planta de biomasa. Los datos del cultivo se indican a continuación:

Superficie = S = 32.000 ha Índice de productividad = ip = 4.000 kg/ha Índice de residuo = ir = 1 kg/ha Índice de disponibilidad = id = 0,5 kg/ha PCIh = 14.740 kJ/kg = 4,094 kWh/kg Humedad = W = 13,8% Densidad (aparente) = ρa = 600 kg/m3

Residuo almacenable durante todo el año Se considera una planta tipo, escalable, con las siguientes características:

Caldera parrilla con sobrecalentador Horas de funcionamiento: 6.000 hef Humedad requerida = Wr = 5% Rendimiento caldera = ηc = 90% Ciclo Rankine turbina de vapor de 1 etapa Tamaño partícula para combustión < 5mm Consumo molienda = 50kw por tm/h de biomasa procesada Consumo SSAA = 10% Generación bruta Rendimiento alternador = ηa = 95%

Los equipos de la planta se dimensionan para los siguientes valores del ciclo Rankine:

1 2 3 4 P (bar) 130,0 0,1 0,1 130 T (ºC) 340 45,8 45,8 46,2 h (kJ/kg) 2.737 1.757 191,7 205

La inversión y costes asociados a la planta se indican a continuación:

Inversión = 2.200 €/kW Costes O&M = 9 €/MWh Compra combustible = 25 €/tm Transporte combustible = 0,2 €/m3 – km Coste administración = 5% costes brutos

Molienda

∼

Secado

SSAA

Biomasa

1

2

3 4

Qsec

Qcald

Qturb

1 2 3

Energía biomasa

Se pide: 1. Dimensionar la planta.

- Cálculo del consumo de biomasa - Cálculo de producción eléctrica - Cálculo de rendimientos

2. Estudiar la viabilidad de la planta con los precios de Pool y TMR de 2006 considerando: - Todos los índices de variación de precios iguales a la inflación = 3% - Estudio a 20 años - Amortización a 12,5 años - No hay financiación - Opción de venta en Pool - Precio de Pool = 50,53 €/MWh - TMR = 76,588 €/MWh - GP = 2,1 €/MWh - Bonificación por reactiva máxima

SOLUCIÓN A) DIMENSIONADO DE LA PLANTA Biomasa disponible al año = Mbaño = S·ip·ir·id = 32.000·4.000·1·0,5 = 64.000.000 kg/año Energía disponible al año = Ebaño = Mbaño · PCIh = 64.000.000·4,094 = 262.094 MWh/año Caudal másico de combustible = Qmcomb = Mbaño / hef = 64.000.000 / 6000 = 10.667 kg/h CÁLCULO DE LA NECESIDAD DE EVAPORACIÓN Combustible con humedad 13,8%:

Caudal másico de trigo = Qmcomb·(1-W) = 9.194,7 kg/h Caudal másico de agua = Qmcomb·W = 10.667·0,138 = 1.472 kg/h

Combustible secado al 5%

Caudal másico de trigo = 9.194,7 kg/h (no varía) Caudal másico de combustible = 9.147,7 / (1-0,05) = 9.678,6 kg/h = Qmcomb3 Caudal másico de agua = Qmcomb·W = 9.678,6·0,05 = 483,93 kg/h

Necesidad de evaporación = 1.472 – 483,93 = 988,1 kg/h Potencia evaporación = 988,1 kg/h · hevap = 988,1 kg/h·2400 kJ/kg / 3.600 = 658,7 kW Caudal de vapor necesario en el secadero Qvsec:

Potevap = Qvsec(h1 – h3) ⇒ Qvsec = Potevap(h1 – h3) = 658,7/(2.737-191,7) = 931,7 kg/h CÁLCULO DEL PCI DEL COMBUSTIBLE ENTRANTE EN LA CALDERA

PCIh (W = 13,8%) = 4,094 kWh/kg PCIs = PCIh / (1-W) = 4,094 kWh/kg / (1-0,138) = 4,750 kWh/kg PCIh (W = 5%) = PCIs (1-W) = 4,750 (1-0,05) = 4,512 kWh/kg = PCIh3

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CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE VAPOR EN LA CALDERA

Potencia caldera = Qmcomb3·PCIh3·ηc = 9.678,6 kg/h · 4,512 kWh/kg·0,9 = 39.307 kW 39.307kW = Qvcald (h1-h4) ⇒ Qvcald = 39.307kW / (2.737–205)kJ/kg · 3600 = 55.882 kg/h

CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA EN LA TURBINA

Qvturb = Qvcald – Qvsec = 55.882 – 931,7 = 54.950,2 kg/h = 15,26 kg/s Pturb = Qturb (h1 – h2) = 15,26 kg/s (2.737 – 1.757) kJ/kg = 14.959 kW

CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA EN BORNES DEL ALTERNADOR

Palt = Pturb · ηa = 14.959 · 0,95 = 14.211 kW CÁLCULO DEL CALOR EVACUADO EN EL CONDENSADOR

Qcond = Qturb (h2 – h3) = 15,26 (1.757-191,7) = 23.886 kW CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA NETA:

Consumo SSAA = Pssaa = 10% · Palt = 0,1 · 14.211 = 1.421 kW Consumo molienda = 50kW · 9.678,6 kg/h / 1.000 = 483,9 kW Potencia Neta = 14.211 – 1.421 – 483,9 = 12.306 kW Energía eléctrica neta anual = 12.306 kW · 6.000 hef = 73.834 MWh

CÁLCULO DE RENDIMIENTOS: Rendimiento eléctrico global = 73.834 / 262.094 = 28,17% Rendimiento ciclo Rankine = Potencia Neta/Potencia a ciclo Rankine = 12.306/38.841 = 31,6% Potencia a ciclo Rankine = Qvturb (h1-h3) = 15,26 kg/s (2.737 – 191,7) = 38.841 B) ANÁLISIS DE VIABILIDAD ASIGNACIÓN DE COSTES: B1) Costes de transporte:

Distancia media: S = 32.000 ha = 320.000.000 m2 S/2 = 160.000.000 m2 πR2 = 160.000.000 m2 ⇒ R = 7,14 km

Coste = 64.000.000 kg/año / 0,6 / 1000 · 7,14 km · 0,2 €/m3 – km = 152 k€/año

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B2) Costes de compra de biomasa

25€/tm · 64.000 tm/año = 1.600 k€/año B3) Costes de O&M

9€/MWh·73.834 MWh/año = 665 k€/año B4) Inversión

2.200 €/kW · 14.211 kW = 31.264 k€ CÁLCULO DEL PRECIO DE LA ENERGÍA (Grupo b.6)

TMR: 76,588 €/MWh Precio Pool (media 2006): 50,53 €/MWh Prima: 40% TMR 30,64 €/MWh Incentivo: 10% TMR 7,66 €/MWh GP: 2,1 €/MWh Reactiva: 6% TMR (máx) 4,60 Total Primas: 45,00 €/MWh

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