Taller: Evaluación del potencial energé5co de la biomasa mediante gasificación en lecho fijo.
Costos de generación de energía eléctrica bajo gasificación
JuanFernandoPérezBayer
Grupodemanejoeficientedelaenergía–GIMEL
DepartamentodeIngenieríaMecánica
FacultaddeIngeniería-UniversidaddeAnAoquia
CátedradeEnergíasRenovables.ANUIES–UANL,Monterrey,México,2017
AGENDA 1. Introducción 2. Metodología 3. Resultados 4. Conclusiones 5. Bibliografía 6. Agradecimientos
1.1 Generación de electricidad en Colombia 1.In
trod
ucción
∼13500 MW installed Hydroelectric 68%
Thermal 32%
Gas 27%
Coal 5%
1.2 Costos de generación de electricidad con diferentes recursos 1.In
trod
ucción
nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic ene feb
Energy demand - Generation MWh
Reservoir level (%)
Hydraulic generation
Thermal generation
No rain Rains
www.xm.com.co
1.2 Costos de generación de electricidad con diferentes recursos 1.In
trod
ucción
UPME,Colombia,2013
1.3 Descripción del problema 1.In
trod
ucción
Se requiere calcular el costo de generación de energía eléctrica de centrales térmicas basadas en gasificación de biomasa. Esto se desarrolla mediante un análisis técnico-económico de varias plantas de gasificación. El objetivo es realizar un análisis previo de prefactibilidad en el contexto Colombiano calculando el costo de electricidad (COE).
2.1 Generalidades 2.M
etod
ología
Prefac=bilidad:*Análisistécnicoeconómico.*PreciosdeventadelaenergíaenmercadosenergéAcos.*Costosdeenergíadelabiomasa.
Núcleosforestales:*Selección*Potencialenergía*Tecnología
cUSD/kWeh
2.1 Generalidades 2.M
etod
ología
Weietal.EvaluaAonofmicro-scaleelectricitygeneraAoncostusingbiomass-derivedsyntheAcgasthroughmodeling.Int.J.EnergyRes.2011;35:989–1003.
2.2 Bioenergía 2.M
etod
ología
De19empresasreforestadoras,9suministraroninformación.
Especie Área(ha)
IMA(m3/ha/año)
Turno(años)
Calificación IÁrea IMA TurnoAcaciamangium 11.300 28 4 4 5 4 13.0Cupressuslusitanica 4.278 23 10 1 3 2 6.0
Eucalyptussp. 4.6115 25 7 6 4 3 13.0Gmelinaarborea 4.972 23 7 2 3 3 8.0Pinuspatula 3.8495 20 13 5 2 1 8.0Pinussp. 59.811 20 13 7 2 1 10.0Tectonagrandis 6.341 18 7 3 1 3 7.0
*Maderaresidual,secaalaire(20%humedad)
NucleoEspecie
forestaldelnúcleo
Producciónanualde
maderaparaelproyecto
EnergíaPrimaria
Potenciaeléctricaestimada
[Ton/año]* [GJ/año] kWe
Kanguroid3F Acaciamangium 28800 432217
2084
PizanoGmelinaarbórea 7200 108841 525
CipresesYarumal
Pinuspatula 7200 110329 532
Gresco Pinuspatula 11880 182043 878
2.2 Bioenergía 2.M
etod
ología
�̇�𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦 [𝑘𝑊] = �̇�𝑏𝑚𝑠 1𝑚3
ℎ𝑎 ∗ 𝑦𝑒𝑎𝑟6× 𝐴𝑟𝑒𝑎(ℎ𝑎) × 𝜌 <
𝑘𝑔𝑚3> × 𝐿𝐻𝑉 <
𝑘𝐽𝑘𝑔> × 𝐶𝑡𝑒 <
𝑦𝑒𝑎𝑟𝑠𝑒𝑔
>
2,084kWe(Kanguroid3F)
525kWe(Pizano)532kWe(CipresesYarumal)
878kWe(Gresco)
11.21.41.61.822.22.4
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24%
Consumoespecífico[kg/kWhe]
PotenciaGen
erada[kW
e]
EficienciaGlobal
Kanguroid3F
Pizano
CipresesYarumal
Gresco
Estimados
Globalefficiency[%]
SpecificfuelconsumpAon[kg/kWe-h]
Power[kWe] 2000kWe
500kWe500kWe900kWe
2.2 Bioenergía: tecnologías de generación con biomasa 2.M
etod
ología
Para dendroenergía: La combinación lecho fijo equicorriente/motor es la más adecuada
2.3 Descripción del modelo técnico-económico 2.M
etod
ología
• Prestaciones:• Potencia• Eficiencia
• Biomasa:• LHV (base seca)• $ USD / Ton
• Costos:• Inversión
(compra)• Operación• Mantenimiento• Obra civil
• Costo específico de generación ($/kWeh).
• Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a:
– Horas anuales de trabajo.
– Inversión específica.– Costo de la biomasa.– Precio electricidad
• Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
MODELO TÉCNICO - FINANCIERO
EntradasSalidas
bmsf
netaee LHVm
N⋅
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yearopeeA tN
AC,
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( )
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⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−+
+⋅⋅=
11
1
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cCA
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CC
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yearope
aLabeLab tN
CC
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yearope
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eMeLabefeAref CCCCCOE ,,,, +++=
2.3 Descripción del modelo técnico-económico 2.M
etod
ología
• Prestaciones:• Potencia• Eficiencia
• Biomasa:• LHV (base seca)• $ USD / Ton
• Costos:• Inversión
(compra)• Operación• Mantenimiento• Obra civil
• Costo específico de generación ($/kWe).
• Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a:
– Horas anuales de trabajo.
– Inversión específica.– Costo de la biomasa.– Precio electricidad
• Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
MODELO TÉCNICO - FINANCIERO
EntradasSalidas
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2.3 Descripción del modelo técnico-económico 2.M
etod
ología
• Prestaciones:• Potencia• Eficiencia
• Biomasa:• LHV (base seca)• $ USD / Ton
• Costos:• Inversión
(compra)• Operación• Mantenimiento• Obra civil
• Costo específico de generación ($/kWe).
• Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a:
– Horas anuales de trabajo.
– Inversión específica.– Costo de la biomasa.– Precio electricidad
• Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
MODELO TÉCNICO - FINANCIERO
EntradasSalidas
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2.3 Descripción del modelo técnico-económico 2.M
etod
ología
• Prestaciones:• Potencia• Eficiencia
• Biomasa:• LHV (base seca)• $ USD / Ton
• Costos:• Inversión
(compra)• Operación• Mantenimiento• Obra civil
• Costo específico de generación ($/kWe).
• Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a:
– Horas anuales de trabajo.
– Inversión específica.– Costo de la biomasa.– Precio electricidad
• Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
MODELO TÉCNICO - FINANCIERO
EntradasSalidas
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2.3 Descripción del modelo técnico-económico 2.M
etod
ología
• Prestaciones:• Potencia• Eficiencia
• Biomasa:• LHV (base seca)• $ USD / Ton
• Costos:• Inversión
(compra)• Operación• Mantenimiento• Obra civil
• Costo específico de generación ($/kWe).
• Análisis de sensibilidad del costo de generación respecto a:
– Horas anuales de trabajo.
– Inversión específica.– Costo de la biomasa.– Precio electricidad
• Análisis Financiero: Tiempo de repago, TIR.
MODELO TÉCNICO - FINANCIERO
EntradasSalidas
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3.1 Proveedores de plantas de potencia 3.Resultado
s
Parámetro Valor utilizado Observaciones Ratio capital cost/equipment costs 2.0 [15][18][42]
Mano de obra año/persona 15500 USD [15, 44]
Costo de la biomasa 30 USD/Ton Transporte y acondicionamiento (secar, astillar, almacenamiento, etc.) de la biomasa [18][42].
Parámeters Proveedoresdeplantasdegasificación(baja–mediapotencia) AFR AME AS1 AS2 AS3 EU1 EU2
Potencianominal(kWe) 500 500 1000 1945 500 1000 1250 2250 500 1000 1000 2000 750 2000 500
PotenciaAutoconsumo(%delanominal)
20(aprox.) Generaciónneta 20(aprox.) 15 15 15(aprox.) 10(aprox.) 10(aprox.)
Precioplantageneración(USDx1000)
1936 11000 17200 26300 1760 3102 3146 6270 1100 2200 3190 6380 6960 16700 4470
Eficiencia(%) 25.9 19.5 19.5 23 23 14.3 24 16.3 ConsumodecombusAble(kg/kWeh)
0.88 1.36 1.3 1.1 1.1 1.6 1 1.3
Tecnologíagasificación Downdraj Updraj Downdraj Fluidizedbed Fluidized
bed Downdraj Downdraj
Tiempodeoperaciónalaño(h/year)
NS 7200(approx.) 7000(max.) 7500(max.) NS 7000(approx.) NS
VidaÚAl(años) 15 25 15 10 15 20 15 Manodeobrarequerida(#operarios)
NS 2 NS NS NS 2 2
3.1 Proveedores de plantas de potencia 3.Resultado
s
Parameters Globalsuppliersofpowergasifica=onplants(low-mediumpowerrange)AFR AME AS1 AS2 AS3 EU1 EU2
Power(kWe) 500 500 1000 1945 500 1000 1250 2250 500 1000 1000 2000 750 2000 500Efficiency(%) 25.9 19.5 19.5 23 23 14.3 24 16.3GasificaAontechnology Downdraj Updraj Downdraj Fluidized
bedFluidized
bed Downdraj Downdraj
AnnualoperaAonAme(h/year)
NS 7200(approx.) 7000(max.) 7500(max.) NS 7000(approx.) NS
LifeAme(years) 15 25 15 10 15 20 15
Parámetro Valor utilizado Observaciones Ratio capital cost/equipment costs 2.0 [15][18][42]
Mano de obra año/persona 15500 USD [15, 44]
Costo de la biomasa 30 USD/Ton Transporte y acondicionamiento (secar, astillar, almacenamiento, etc.) de la biomasa [18][42].
3.2 Costos de la electricidad con plantas de gasificación 3.Resultado
s
Modelo técnico económico: Manufacturer
Nominal power (kWe)
Capital investment
cost (%)
Fuel cost (%)
O&M cost (%)
COEref (cUSD/kWe-h)
AFR 500 54.2 17.7 28.1 16.6
AME 500 67.4 10.0 22.6 40.8 1000 66.0 12.5 21.4 32.5 2000 64.1 15.5 20.4 26.3
AS1
500 46.8 31.1 22.1 15.7 1000 47.0 35.4 17.6 13.8 1250 43.5 40.4 16.2 12.1 2250 45.2 37.9 16.9 12.9
AS2 500 44.8 33.8 21.4 10.8 1000 47.8 36.1 16.0 10.2
AS3 1000 50.1 35.4 14.6 15.1 2000 51.3 36.3 12.4 14.7
EU1 750 64.5 14.5 21.0 23.0 2000 64.7 16.0 19.3 20.9
EU2 500 63.0 17.7 19.2 26.3
No rain: 23-27 cUSD/kWeh
Isolated: 25-52 cUSD/kWeh
3.3 Análisis de sensibilidad: horas de operación de la planta (h/año) 3.Resultado
s
*Las plantas con SIC entre 2000-4000 $US/kWe : ▲ COE 12.5% y 15% por cada 1000 hr de parada toperación. *Las plantas de mayor costo 22000 a 9000 $US/kWe, el efecto incremental por cada 1000 hr de parada es entre 17% y 20%.
3.3 Análisis de sensibilidad: Costo del combustible (USD/ton) 3.Resultado
s
En plantas de bajo SIC se ve más afectado el COE por un incremento en el costo de la biomasa, porque presentan un COEref bajo asociado al menor costo de la tecnología.
*Plantas con eficiencias entre 14 % y 20 %, el COE ▲ entre 1.56 y 1.76 cUSD/kWe-h.
*Plantas con eficiencias entre 20 % y 26 % el COE ▲ entre 1.36 y 0.98 cUSD/kWe-h.
▼ SIC ▲ Eficiencia
4.Con
clusione
s1. El COE asociado con las plantas de energía basadas en gasificación (500 –
2000 kWe) está en el rango de 10 – 40 cUSD/kWeh en función de la potencia nominal y el proveedor de la tecnología.
2. El COE determinado es competitivo para zonas no interconectadas (ZNI) en Colombia (25 - 52 cUSD/kWeh), y para la red eléctrica nacional en tiempos de fenómenos climáticos como sequias donde la energía alcanza valores en mercados de 23 - 27 cUSD/kWeh.
3. Los proyectos de generación de energía con biomasa contribuyen a la metas nacionales de EERR en Colombia.
4. Los cultivos forestales energéticos son una alternativa para la creación de empleo en el post-conflicto Colombiano.
5. Para favorecer la viabilidad para proyectos bioenergéticos en Colombia: *Usar biomasa residual *Instalar la planta cerca de la fuente de biomasa *Desarrollar la tecnología a nivel local para reducir el costo de inversión *Crear incentivos tributarios para reducir el COE
Referencias: 5.Biblio
graT
a
PérezJ.F.,LenisY.,RojasS.,LeónC.DecentralizedpowergeneraAonthroughbiomassgasificaAon:atechnical–economicanalysisandimplicaAonsbyreducAonofCO2emissions.RevistaFacultaddeingeniería.62:91-103,2012
PérezJ.F.,OsorioL.F.BiomasaforestalplantadacomoalternaAvaenergéAca:Basesparaelanálisissilvicultural,energéAcoyfinancierodeproyectosbioenergéAcos.EditorialUniversidaddeAnAoquia-ColeccióninvesAgación.2014
PérezJ.F.,OsorioLF.,AgudeloA.Atechno-economicanalysisofwoodgasificaAonfordecentralizedpowergeneraAoninColombianforestcores.AceptadoenInternaAonalJournalofRenewableEnergyResearch.Octubre,2017
6.Agrad
ecim
ientos
Agradecimientos: CentrodeinvesAgacióneinnovaciónenenergía–CIIENUniversidaddeAnAoquiaColinversiones-Celsia–GrupoARGOSUniversidadNacionaldeColombiasedeMedellín
Juan F. Pérez-Bayer
e-mail: [email protected]
Phone: (+57-4) 219 8552 - 5550
Mobile: (+57) 302 2871691
¡Gracias por su atención!
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Costos de generación de energía eléctrica bajo gasificación
JuanFernandoPérezBayer
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DepartamentodeIngenieríaMecánica
FacultaddeIngeniería-UniversidaddeAnAoquia
CátedradeEnergíasRenovables.ANUIES–UANL,Monterrey,México,2017