EVALUACIÓN DE RESIDUOS LEÑOSOS AGRÍCOLAS PARA UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN
DISTRITAL EN LA CIUDAD DE TALCA, REGIÓN DEL MAULE
Harald Fernández- Puratich
Universidad de Talca, hfernandezp@utalca.cl
Recibido: 14/09/2018 y Aceptado: 13/11/2018
ENERLAC. Volumen II. Número 2. Diciembre, 2018. (126-139).
Harald Fernández- Puratich
Universidad de Talca, hfernandezp@utalca.cl
Recibido: 14/09/2018 y Aceptado: 13/11/2018
ENERLAC. Volumen II. Número 2. Diciembre, 2018. (126-139).
RESUMEN
Vitis vinífera y Olea Europaea corresponden al 67% de la superficie de árboles frutales de la Región del Maule, siendo sus residuos leñosos de podas materias primas válidas para el abastecimiento a un sistema de calefacción distrital de cinco edificios públicos en la ciudad de Talca, con una inversión de US$ 552.000. Se cuantificó en 16,985 t disponibles de poda anual en un radio de 15 km a la planta, se caracterizó la astilla cumpliendo en sus parámetros energéticos con la normativa ISO. Además, se realizó una evaluación social sin y con proyecto con el método costo-eficiencia determinando la situación con proyecto como la más adecuada.
Palabras claves: Calefacción Distrital, Frutales, Poda, Vitis vinífera, Olea Europaea, Energía.
ABSTRACT
Vitis vinifera and Olea Europaea correspond to 67% of the surface of fruit trees of the Maule Region, being its woody waste pruning raw materials valid for the supply to a district heating system of five public buildings in the city of Talca, with an investment of US $ 552,000. It was quantified in 16,985 available t of annual pruning in a radius of 15 km to the plant, the chip was characterized fulfilling in its energetic parameters with the norm ISO. Also included a social evaluation without and with project with the method cost determining the situation with project as the most appropriate.
Keywords: District Heating, Fruit Trees, Prunning, Vitis Vinífera, Olea Europaea, Energy.
Vitis vinífera y Olea Europaea corresponden al 67% de la superficie de árboles frutales de la Región del Maule, siendo sus residuos leñosos de podas materias primas válidas para el abastecimiento a un sistema de calefacción distrital de cinco edificios públicos en la ciudad de Talca, con una inversión de US$ 552.000. Se cuantificó en 16,985 t disponibles de poda anual en un radio de 15 km a la planta, se caracterizó la astilla cumpliendo en sus parámetros energéticos con la normativa ISO. Además, se realizó una evaluación social sin y con proyecto con el método costo-eficiencia determinando la situación con proyecto como la más adecuada.
Palabras claves: Calefacción Distrital, Frutales, Poda, Vitis vinífera, Olea Europaea, Energía.
ABSTRACT
Vitis vinifera and Olea Europaea correspond to 67% of the surface of fruit trees of the Maule Region, being its woody waste pruning raw materials valid for the supply to a district heating system of five public buildings in the city of Talca, with an investment of US $ 552,000. It was quantified in 16,985 available t of annual pruning in a radius of 15 km to the plant, the chip was characterized fulfilling in its energetic parameters with the norm ISO. Also included a social evaluation without and with project with the method cost determining the situation with project as the most appropriate.
Keywords: District Heating, Fruit Trees, Prunning, Vitis Vinífera, Olea Europaea, Energy.
INTRODUCCIÓN
Una de las prioridades del desarrollo local de la ciudad de Talca es una mejor utilización de las fuentes de energía disponible para calefacción. La ciudad cuenta con un Plan de Descontaminación Ambiental, ya que presenta alto material particulado producto de la calefacción con artefactos unifamiliares a leña húmeda (contenido de humedad mayor al 25%).
La poda de frutales genera biomasa leñosa dispersa en el terreno que hasta ahora, esta no se retira del sitio, por lo que es combustible disponible para futuros incendios forestales y según algunos estudios (Sullivanet al., 2011 y Blanco, 2012) la eliminación de las podas tradicionalmente dejada en terreno podría tener impactos negativos en la fauna y flora. Por otra parte, su uso como fuente de calefacción urbana reduce las emisiones de CO2. Además, el uso de calefactores a leña unifamiliares de baja tecnología, mala calidad de leña y desconocimiento en el correcto uso para una adecuada calefacción también han colaborado en el aumento del material particulado en las ciudades. Al concentrarse en fuentes alternativas de calor de bajo carbono, estas comunidades pueden reducir su dependencia de los combustibles fósiles para la calefacción.
En conjunto, estas cuestiones constituyen un cuadro complejo al que este estudio pretende contribuir a través de un análisis para la evaluación del aprovechamiento de biomasa residual leñosa proveniente de frutales a escala local que ayudará a evaluar la realización de un proyecto de calefacción distrital combinando la producción de biomasa para bioenergía, reducción de emisiones de C02 y material particulado, y el control de riesgos de incendios.
Esto se lograría con el establecimiento de una planta de calefacción distrital de 2 MW para cinco edificios públicos (20.000 m2 construidos). Así, la determinación del potencial de biomasa leñosa y la evaluación económica de una planta para Talca debería servir como base para el desarrollo de proyectos de sistemas de calefacción distrital con biomasa en la ciudad.
Una de las prioridades del desarrollo local de la ciudad de Talca es una mejor utilización de las fuentes de energía disponible para calefacción. La ciudad cuenta con un Plan de Descontaminación Ambiental, ya que presenta alto material particulado producto de la calefacción con artefactos unifamiliares a leña húmeda (contenido de humedad mayor al 25%).
La poda de frutales genera biomasa leñosa dispersa en el terreno que hasta ahora, esta no se retira del sitio, por lo que es combustible disponible para futuros incendios forestales y según algunos estudios (Sullivanet al., 2011 y Blanco, 2012) la eliminación de las podas tradicionalmente dejada en terreno podría tener impactos negativos en la fauna y flora. Por otra parte, su uso como fuente de calefacción urbana reduce las emisiones de CO2. Además, el uso de calefactores a leña unifamiliares de baja tecnología, mala calidad de leña y desconocimiento en el correcto uso para una adecuada calefacción también han colaborado en el aumento del material particulado en las ciudades. Al concentrarse en fuentes alternativas de calor de bajo carbono, estas comunidades pueden reducir su dependencia de los combustibles fósiles para la calefacción.
En conjunto, estas cuestiones constituyen un cuadro complejo al que este estudio pretende contribuir a través de un análisis para la evaluación del aprovechamiento de biomasa residual leñosa proveniente de frutales a escala local que ayudará a evaluar la realización de un proyecto de calefacción distrital combinando la producción de biomasa para bioenergía, reducción de emisiones de C02 y material particulado, y el control de riesgos de incendios.
Esto se lograría con el establecimiento de una planta de calefacción distrital de 2 MW para cinco edificios públicos (20.000 m2 construidos). Así, la determinación del potencial de biomasa leñosa y la evaluación económica de una planta para Talca debería servir como base para el desarrollo de proyectos de sistemas de calefacción distrital con biomasa en la ciudad.
METODOLOGÍA
Área de Estudio
El estudio se ubica en la Zona Centro Sur de Chile, en la Región del Maule, Ciudad de Talca (35°25′59″S; 71°40′00″O), cubriendo un área de 25 km de radio, que incluye a las comunas de Talca, San Javier, Pencahue, Maule, y San Rafael.
Área de Estudio
El estudio se ubica en la Zona Centro Sur de Chile, en la Región del Maule, Ciudad de Talca (35°25′59″S; 71°40′00″O), cubriendo un área de 25 km de radio, que incluye a las comunas de Talca, San Javier, Pencahue, Maule, y San Rafael.
Figura 1. Comunas del área de estudio en la Región del Maule.
Fuente: Elaboración propia
La distancia propuesta en literatura (Martí, 2011; Monllor, 2012; Fernández-Puratich, 2013) para aprovechamiento de biomasa con fines energéticos, indica que se trata de una distancia óptima de abastecimiento para un sistema de estas características, debido a que al tratarse de biomasa dispersa en el territorio y piezas de baja envergadura el costo de recolección y transporte comienza a ser más alto sobre esta distancia establecida.
Con respecto a las estimaciones de residuos leñosos agrícolas para uso potencial como combustible, el cálculo considerará distintos porcentajes de aprovechamiento por comuna, ya que él área de estudio abarca distintos porcentajes de estas, la comuna de Talca y San Javier están un 100% del área de estudio, la comuna de Pencahue en 80%, San Rafael y Pelarco en 90% (Figura 1). La cantidad de hectáreas de plantaciones de las especies seleccionadas dentro de los 25 km se determinará a través de los datos obtenidos del Censo Agropecuario 2007 (INE 2007).
Recopilación de Información
A pesar de que no existe un mercado desarrollado de residuos leñosos agrícolas con fines energéticos en la Región, cabe señalar que existen varias empresas agrícolas que operan en el área de estudio, identificadas como posibles proveedores de la futura planta, por lo que se determinó como base de estudio la superficie de los dos cultivos más frecuente en la Región.
Tabla 1. Superficie (ha) cultivada de frutales seleccionados en el área
de estudio
Fuente: INE (2017).
La especie frutal más importante que se cultiva en el área de estudio
es Vitis vinífera (12,093 ha). También hay cantidades representativas
de Olea Europaea (2,932 ha), según los datos entregados por INE (2012).
De esta manera existen 16,985 ha de las especies Vitis vinífera y Olea
Europaea en las comunas que integran el radio propuesto para suministro.
Descripción del Sistema de calefacción Distrital
Se ha decidido diseñar el Proyecto en una Asociación Público-Privada y comprar energía de calefacción del Socio Privado para abastecer a cinco edificios públicos de la Ciudad.
El proyecto será administrado por una ESCO que gestionará el sistema por medio de un contrato por un periodo de tiempo establecido y generará empleo local debido al abastecimiento constante que necesita este tipo de sistemas y a su operación y mantención de los equipos, estará a cargo de la producción y distribución de la energía de calefacción en 20.000 m² construidos (cinco edificios públicos). Por lo que para satisfacer la demanda de calefacción la planta tiene una potencia instalada de 2 MW (1 caldera) con 11 horas/día de funcionamiento. La red de tuberías que abastece al sistema desde la planta es de 600 m y se estima un empleo directo e indirecto de 30 personas. El suministro energético es constante, excepto para mantenimiento de la planta que ocurre en verano. Además se contempla una caldera a gas de respaldo de 0,7 MW.
Descripción del Sistema de calefacción Distrital
Se ha decidido diseñar el Proyecto en una Asociación Público-Privada y comprar energía de calefacción del Socio Privado para abastecer a cinco edificios públicos de la Ciudad.
El proyecto será administrado por una ESCO que gestionará el sistema por medio de un contrato por un periodo de tiempo establecido y generará empleo local debido al abastecimiento constante que necesita este tipo de sistemas y a su operación y mantención de los equipos, estará a cargo de la producción y distribución de la energía de calefacción en 20.000 m² construidos (cinco edificios públicos). Por lo que para satisfacer la demanda de calefacción la planta tiene una potencia instalada de 2 MW (1 caldera) con 11 horas/día de funcionamiento. La red de tuberías que abastece al sistema desde la planta es de 600 m y se estima un empleo directo e indirecto de 30 personas. El suministro energético es constante, excepto para mantenimiento de la planta que ocurre en verano. Además se contempla una caldera a gas de respaldo de 0,7 MW.
Figura 2. Distribución de edificios y ubicación de la planta de
calefacción distrital
Fuente: Elaboración propia.
La cantidad de biomasa leñosa agrícola necesaria para el funcionamiento
de la planta es de 1,000 t año-1, esto considerando un
sobredimensionamiento de la demanda la materia prima de 15%. La planta
almacena la materia prima utilizada como combustible en un silo de 120
m3 de capacidad.
Los meses de mayor demanda son de Abril a Octubre (meses de invierno), siendo la red de calor de autoconsumo orientada a suministrar agua caliente y calefacción a los edificios en estudio.
Demanda de biomasa para la planta de calefacción distrital de Talca
Como ya se ha señalado, el potencial de biomasa para la futura planta de calefacción de Talca a una distancia de 15 km es 16,985 t. Los criterios para la estimación de la demanda de combustible para la planta de calefacción distrital con capacidad de 2 MW son las siguientes:
• La temporada de calefacción comienza el 15 de abril y dura hasta el 15 de octubre;
• Residuos leñosos en fardos o paquetes se utiliza como combustible, siendo el valor calorífico de estos residuos en MJ kg-1 a determinar;
• La eficiencia de la caldera del 85%.
Dependiendo de la tecnología aplicada la eficiencia de la caldera puede llegar a ser más alta, pero para los efectos de este estudio y en un enfoque conservador, se adopta una menor eficiencia de la caldera, de esta misma manera la demanda de combustible está sobreestimada en un 10%.
En base a lo anterior, la cantidad de demanda de biomasa agrícola para la planta de calefacción distrital de Talca es de 1,000 t, lo que es una cifra realista en la zona de la ciudad de Talca.
Determinación de biomasa de podas de frutales
Se determinará en terreno la cantidad promedio de podas por hectárea en toneladas (t), para esto se realizarán 30 parcelas de 2.000 m2 por especie frutal, y en distintas zonas del área de estudio determinadas al azar. Se registrará por parcela: especie, marco de plantación, edad de la plantación.
En cada parcela se dispondrá a orilla de camino el material podado por hilera, el cual será pesado y extrapolado a la hectárea obteniendo un promedio de toneladas por hectárea potencialmente aprovechable según cultivo. Cabe señalar que Vitis vinífera se poda fuertemente anualmente y Olea Europaea sufren una poda anual suave y cada dos años se realiza la poda más severa. Por tanto el residuo de la poda de frutales es un recurso asegurado cada año.
Valoración energética de la materia prima recolectada
Se caracterizó energéticamente el material de las tres especies en estudio para establecer su capacidad como biocombustible sólido. La caracterización energética se determinó en materia seca al 0% de humedad. Se pretende conocer el poder calorífico y porcentaje de cenizas.
Poder calorífico: El poder calorífico se define como el calor desprendido por kilogramo de combustible en combustión completa a la presión y temperatura atmosférica normal (Kollman 1959 y Moglia et al. 2007). Su determinación es por norma ISO 18125. Biocombustibles sólidos. Determinación del poder calorífico. Las muestras analizadas son llevadas directamente a laboratorio para su análisis el mismo día de recogida, por lo que no han logrado su secado natural.
Para poder efectuar las pruebas es necesario que las muestras se transformen en fragmentos menores a 5 mm para lo que se usó un molino obteniendo el aserrín.
Cenizas: El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. En los procesos térmicos de aprovechamiento de la biomasa que incluyen la combustión, es importante conocer el porcentaje contenido de ceniza en la biomasa, ya que en algunos procesos puede causar un deterioro de los equipos por formación de escorias. Su determinación es por norma ISO 18122. Biocombustibles sólidos. Determinación del contenido en cenizas. Se llevaron a cabo un mínimo de tres determinaciones sobre cada muestra de ensayo.
Luego, tras determinar un periodo de tiempo, la muestra se acondiciona a temperatura ambiente y se vuelve a pesar. El proceso se debe repetir hasta alcanzar peso constante.
Los meses de mayor demanda son de Abril a Octubre (meses de invierno), siendo la red de calor de autoconsumo orientada a suministrar agua caliente y calefacción a los edificios en estudio.
Demanda de biomasa para la planta de calefacción distrital de Talca
Como ya se ha señalado, el potencial de biomasa para la futura planta de calefacción de Talca a una distancia de 15 km es 16,985 t. Los criterios para la estimación de la demanda de combustible para la planta de calefacción distrital con capacidad de 2 MW son las siguientes:
• La temporada de calefacción comienza el 15 de abril y dura hasta el 15 de octubre;
• Residuos leñosos en fardos o paquetes se utiliza como combustible, siendo el valor calorífico de estos residuos en MJ kg-1 a determinar;
• La eficiencia de la caldera del 85%.
Dependiendo de la tecnología aplicada la eficiencia de la caldera puede llegar a ser más alta, pero para los efectos de este estudio y en un enfoque conservador, se adopta una menor eficiencia de la caldera, de esta misma manera la demanda de combustible está sobreestimada en un 10%.
En base a lo anterior, la cantidad de demanda de biomasa agrícola para la planta de calefacción distrital de Talca es de 1,000 t, lo que es una cifra realista en la zona de la ciudad de Talca.
Determinación de biomasa de podas de frutales
Se determinará en terreno la cantidad promedio de podas por hectárea en toneladas (t), para esto se realizarán 30 parcelas de 2.000 m2 por especie frutal, y en distintas zonas del área de estudio determinadas al azar. Se registrará por parcela: especie, marco de plantación, edad de la plantación.
En cada parcela se dispondrá a orilla de camino el material podado por hilera, el cual será pesado y extrapolado a la hectárea obteniendo un promedio de toneladas por hectárea potencialmente aprovechable según cultivo. Cabe señalar que Vitis vinífera se poda fuertemente anualmente y Olea Europaea sufren una poda anual suave y cada dos años se realiza la poda más severa. Por tanto el residuo de la poda de frutales es un recurso asegurado cada año.
Valoración energética de la materia prima recolectada
Se caracterizó energéticamente el material de las tres especies en estudio para establecer su capacidad como biocombustible sólido. La caracterización energética se determinó en materia seca al 0% de humedad. Se pretende conocer el poder calorífico y porcentaje de cenizas.
Poder calorífico: El poder calorífico se define como el calor desprendido por kilogramo de combustible en combustión completa a la presión y temperatura atmosférica normal (Kollman 1959 y Moglia et al. 2007). Su determinación es por norma ISO 18125. Biocombustibles sólidos. Determinación del poder calorífico. Las muestras analizadas son llevadas directamente a laboratorio para su análisis el mismo día de recogida, por lo que no han logrado su secado natural.
Para poder efectuar las pruebas es necesario que las muestras se transformen en fragmentos menores a 5 mm para lo que se usó un molino obteniendo el aserrín.
Cenizas: El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. En los procesos térmicos de aprovechamiento de la biomasa que incluyen la combustión, es importante conocer el porcentaje contenido de ceniza en la biomasa, ya que en algunos procesos puede causar un deterioro de los equipos por formación de escorias. Su determinación es por norma ISO 18122. Biocombustibles sólidos. Determinación del contenido en cenizas. Se llevaron a cabo un mínimo de tres determinaciones sobre cada muestra de ensayo.
Luego, tras determinar un periodo de tiempo, la muestra se acondiciona a temperatura ambiente y se vuelve a pesar. El proceso se debe repetir hasta alcanzar peso constante.
EVALUACIÓN SOCIAL DEL PROYECTO
Valor Actual de Costos (VAC): El VAC permitirá comparar alternativas de igual vida útil. Se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:
La evaluación social se de este proyecto de calefacción distrital se
realizó a través del enfoque costo-eficiencia con el fin de identificar
la alternativa de solución que presente el mínimo costo para los mismos
beneficios. Cabe señalar que se evaluará la situación sin proyecto y la
situación con proyecto, de tal forma de poder evaluar cuál de ellas es
más conveniente desde el punto de vista técnico-económico, ya que es
difícil cuantificar y/o valorar los beneficios de este tipo de
proyectos. Por lo tanto, se valorarán los costos involucrados para
determinar su factibilidad, tomando en cuenta los indicadores de Valor
Actual de Costos (VAC) y Costo Anual Equivalente (CAE) con precios
sociales calculados a partir del factor de corrección establecido
(Ministerio de Desarrollo Social de Chile 2013), ya que la aplicación
de estos indicadores en la evaluación social a menudo es más apropiada,
y en la práctica, más empleado (Ander y Aguilar, 2005).
Valor Actual de Costos (VAC): El VAC permitirá comparar alternativas de igual vida útil. Se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:
En que Io es Inversión; y Ct es Costos al final del periodo t.
Criterio de Anualidad Equivalente (CAE): El CAE es una expresión uniforme del comportamiento de ingresos y gastos que ocurren de manera desigual o diversa durante un periodo determinado, esto es, permite comparar alternativas de distinta vida útil. Se calcula mediante la siguiente fórmula:
Criterio de Anualidad Equivalente (CAE): El CAE es una expresión uniforme del comportamiento de ingresos y gastos que ocurren de manera desigual o diversa durante un periodo determinado, esto es, permite comparar alternativas de distinta vida útil. Se calcula mediante la siguiente fórmula:
En que VAC es Valor Actual de los Costos, incluyendo inversión inicial;
i es interés; y n es periodo.
Cabe señalar que los costos de operación involucran todos aquellos costos que se incurren hasta la generación de energía (compra de combustible, mano de obra, insumos, transporte, etc). Se debe tener en cuenta que la situación sin proyecto los edificios presentan diferentes formas de alimentación de sus calderas, esto es, leña, gas y petróleo. Los costos de mantención corresponden a los costos de mantener el sistema de calefacción actual en la situación sin proyecto y del sistema de calefacción distrital en la situación con proyecto.
Cabe señalar que los costos de operación involucran todos aquellos costos que se incurren hasta la generación de energía (compra de combustible, mano de obra, insumos, transporte, etc). Se debe tener en cuenta que la situación sin proyecto los edificios presentan diferentes formas de alimentación de sus calderas, esto es, leña, gas y petróleo. Los costos de mantención corresponden a los costos de mantener el sistema de calefacción actual en la situación sin proyecto y del sistema de calefacción distrital en la situación con proyecto.
DISCUSIÓN Y RESULTADOS
Cuantificación de biomasa de podas de frutales
Se muestrearon 450 individuos por especie en las parcelas muestreadas.
Cuantificación de biomasa de podas de frutales
Se muestrearon 450 individuos por especie en las parcelas muestreadas.
Tabla 2. Toneladas totales disponibles al año por especie
Fuente: Elaboración propia.
La tabla 2 muestra que Vitis vinifera entrega una mayor cantidad de
poda por hectárea que Olea Europaea con 2.2 t ha-1 y 1.3 t ha-1
respectivamente. Además, al haber dentro del área de estudio mayor
superficie cultivada de Vitis vinífera la biomasa residual es mayor con
26,605.3 t disponibles al año y 3,810.6 t disponibles al año de Olea
Europaea, sin embargo en un cálculo conservador se estimó un
aprovechamiento del 25% del total disponible, lo que da un total real
de biomasa disponible al año de 6,651.3 t para Vitis vinífera y 952.6 t
para Olea Europaea.
La cantidad de poda determinada en este estudio para Olea Europaea, es similar a la obtenida por Fernández-Puratich (2013) que obtuvo 1.1 t ha-1 y por Di Blasi et al. (1997) y Jiménez et al. (1990) quienes obtienen 1,7 t/ha, sin embargo, Sánchez et al. (2002), obtiene 3,0 t/ha y Voivontas et al. (2001) 2,8 t/ha. Esta diferencia se puede deber a una mayor densidad de plantación por hectárea por estos últimos autores. Se debe tener en cuenta que, antes de comparar resultados de literatura, los autores no especifican, entre otras cosas, si el follaje está incluido en el peso, a diferencia de este estudio que no lo incluye y que sólo toma ramas lignificadas mayores a 1cm de diámetro. De todas maneras, la diferencia obtenida en los resultados entre estudios obedecerá a las características de cada cultivo frutal (Fernández-Puratich 2013).
Demanda de biomasa para la planta de calefacción distrital de Talca
Según lo mostrado en la tabla 3 la materia prima determinada como aprovechable supera en más de seis veces la biomasa necesitada para alimentar la planta de calefacción distrital, por lo que se estima que el radio de abastecimiento de 25 km inicial puede ser reducido a por lo menos 15 km quedando el área de intervención como muestra la siguiente figura:
La cantidad de poda determinada en este estudio para Olea Europaea, es similar a la obtenida por Fernández-Puratich (2013) que obtuvo 1.1 t ha-1 y por Di Blasi et al. (1997) y Jiménez et al. (1990) quienes obtienen 1,7 t/ha, sin embargo, Sánchez et al. (2002), obtiene 3,0 t/ha y Voivontas et al. (2001) 2,8 t/ha. Esta diferencia se puede deber a una mayor densidad de plantación por hectárea por estos últimos autores. Se debe tener en cuenta que, antes de comparar resultados de literatura, los autores no especifican, entre otras cosas, si el follaje está incluido en el peso, a diferencia de este estudio que no lo incluye y que sólo toma ramas lignificadas mayores a 1cm de diámetro. De todas maneras, la diferencia obtenida en los resultados entre estudios obedecerá a las características de cada cultivo frutal (Fernández-Puratich 2013).
Demanda de biomasa para la planta de calefacción distrital de Talca
Según lo mostrado en la tabla 3 la materia prima determinada como aprovechable supera en más de seis veces la biomasa necesitada para alimentar la planta de calefacción distrital, por lo que se estima que el radio de abastecimiento de 25 km inicial puede ser reducido a por lo menos 15 km quedando el área de intervención como muestra la siguiente figura:
Figura 3. Área de abastecimiento para planta de calefacción distrital
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 3. Toneladas totales disponibles al año por especie
Fuente: Elaboración propia.
Según la tabla 3 el potencial de biomasa para la futura planta de
calefacción de Talca, a una distancia de 15 km a la redonda, es de
1,128.7 t. Así, la cantidad estimada de demanda de biomasa agrícola
para la planta de calefacción distrital de Talca es de 1,000 t para una
caldera de 2 MW, lo que es una cifra realista de abastecimiento para la
ciudad de Talca. Así, las comunas de Talca, San Rafael y Pencahue son
las que más aportan en superficie de frutales al radio determinado de
abastecimiento de la planta.
Siendo el total aprovechable de Vitis vinífera y Olea Europaea de 1,128.7 t, cifra que cubre la demanda de materia prima para alimentar la planta de calefacción distrital de 2 MW.
Valoración energética de la materia prima recolectada
Poder calorífico: A continuación se muestran los datos obtenidos en laboratorio.
Siendo el total aprovechable de Vitis vinífera y Olea Europaea de 1,128.7 t, cifra que cubre la demanda de materia prima para alimentar la planta de calefacción distrital de 2 MW.
Valoración energética de la materia prima recolectada
Poder calorífico: A continuación se muestran los datos obtenidos en laboratorio.
Tabla 4. Determinación del PCS y PCI de la madera según especie
Fuente: Elaboración propia.
En la tabla 4 se aprecia que Vitis vinífera posee el mayor PCS con 18.7
MJ Kg-1 a diferencia de Olea Europaea con 17.8 MJ Kg-1. Sin embargo la
diferencia es de 0.9 MJ Kg-1, lo que no es una diferencia relevante en
el potencial energético que presenta una especie con respecto a otra.
Refiriéndose al PCI de Vitis vinífera y Olea Europaea con 18.7 MJ Kg-1 y 17.8 MJ Kg-1 poseen un PCI aceptable para la norma internacional (ISO 18125) con valores mayores a 16,5 MJ Kg-1.
Se han determinado tanto valores de PCS como de PCI. Sin embargo, en literatura sólo fue posible encontrar valores de PCS. Los valores promedios obtenidos para Vitis vinífera el PCS coincide con lo obtenido por García et al (2012) quienes obtienen un promedio de 17.8 MJ Kg-1 y se encuentra dentro del rango de los valores obtenidos por Bilandzija et al (2012), Spinelli et al (2012), Mendívil et al (2013) que van de 17.1 a 19.2 MJ Kg-1, y Fernández-Puratich et al (2015) valores que van desde 16.5 a 18.7 MJ Kg-1. Así para Olea Europaea los resultados obtenidos también son semejantes a los obtenidos por Sánchez et al. (2002) obtuvieron 17.9 MJ Kg-1 y Fernández-Puratich (2013) obtuvo 17.4 MJ Kg-1.
El menor PCI encontrado en Olea Europaea (16.4 MJ Kg-1) se puede deber a que las muestras tomadas presentan una corteza más gruesa que Vitis vinifera (17.3 MJ Kg-1), lo que puede deberse a que está más expuesta a la humedad que el interior, por lo que Vignote y Martínez (2006) señalan que cuando la madera tiene agua su poder calorífico se reduce, por el propio contenido de agua, y porque parte de la energía calorífica de la madera se invierte en evaporar el agua libre o ligada a la pared celular de la madera. En resumen, el poder calorífico se incrementa gradualmente a medida que el contenido de humedad va disminuyendo.
Porcentaje de cenizas: A continuación se muestran los resultados obtenidos en laboratorio:
Refiriéndose al PCI de Vitis vinífera y Olea Europaea con 18.7 MJ Kg-1 y 17.8 MJ Kg-1 poseen un PCI aceptable para la norma internacional (ISO 18125) con valores mayores a 16,5 MJ Kg-1.
Se han determinado tanto valores de PCS como de PCI. Sin embargo, en literatura sólo fue posible encontrar valores de PCS. Los valores promedios obtenidos para Vitis vinífera el PCS coincide con lo obtenido por García et al (2012) quienes obtienen un promedio de 17.8 MJ Kg-1 y se encuentra dentro del rango de los valores obtenidos por Bilandzija et al (2012), Spinelli et al (2012), Mendívil et al (2013) que van de 17.1 a 19.2 MJ Kg-1, y Fernández-Puratich et al (2015) valores que van desde 16.5 a 18.7 MJ Kg-1. Así para Olea Europaea los resultados obtenidos también son semejantes a los obtenidos por Sánchez et al. (2002) obtuvieron 17.9 MJ Kg-1 y Fernández-Puratich (2013) obtuvo 17.4 MJ Kg-1.
El menor PCI encontrado en Olea Europaea (16.4 MJ Kg-1) se puede deber a que las muestras tomadas presentan una corteza más gruesa que Vitis vinifera (17.3 MJ Kg-1), lo que puede deberse a que está más expuesta a la humedad que el interior, por lo que Vignote y Martínez (2006) señalan que cuando la madera tiene agua su poder calorífico se reduce, por el propio contenido de agua, y porque parte de la energía calorífica de la madera se invierte en evaporar el agua libre o ligada a la pared celular de la madera. En resumen, el poder calorífico se incrementa gradualmente a medida que el contenido de humedad va disminuyendo.
Porcentaje de cenizas: A continuación se muestran los resultados obtenidos en laboratorio:
Tabla 5. Determinación de cenizas (%) de la madera según especie
Fuente: Elaboración propia.
Los valores obtenidos en la tabla 5 indican que el promedio general de
cenizas para Vitis vinífera es de 2.2% y Olea Europaea es de 2.8%.
Existen autores que han realizado estudios de cenizas de los residuos de podas de estas especies. Así para Vitis vinífera, García et al (2012), Spinelli et al (2012) y Mendívil et al (2013) obtuvieron valores promedios en el rango de 2.4% a 5.3% que son valores que concuerdan con los valores registrados en este estudio. En tanto, en Olea Europaea Sánchez et al. (2002) obtuvo un 1,5% y Fernández-Puratich (2013) obtuvo 2.4%. Si bien las cifras del estudio son similares a las obtenidas en la literatura, existe una diferencia entre estudios de hasta 1.3%, lo que se debería a que cada especie se muestreó ya sea en distinto clima, época del año, tipo de suelo, o parte de la planta, y también por la presencia de otros contaminantes adicionales como tierra y arena que contribuyen a aumentar el contenido de ceniza (Knigge y Schulz 1966). Para evitar este aumento del porcentaje de cenizas, se recomienda que en la fase de la entrega de la materia prima en planta los camiones de suministro de biomasa cumplan ciertos requisitos mínimos que aseguren una adecuada humedad a su entrega (Marutzky y Seeger 1999), así como que incluyan equipamientos que permitan el pesado del combustible suministrado (IDAE 2009).
Evaluación Social de factibilidad de la planta
El modelo de evaluación planificado para establecer la planta corresponde a una evaluación social por el método costo-eficiencia, evaluándose estos proyectos a 20 años.
Existen autores que han realizado estudios de cenizas de los residuos de podas de estas especies. Así para Vitis vinífera, García et al (2012), Spinelli et al (2012) y Mendívil et al (2013) obtuvieron valores promedios en el rango de 2.4% a 5.3% que son valores que concuerdan con los valores registrados en este estudio. En tanto, en Olea Europaea Sánchez et al. (2002) obtuvo un 1,5% y Fernández-Puratich (2013) obtuvo 2.4%. Si bien las cifras del estudio son similares a las obtenidas en la literatura, existe una diferencia entre estudios de hasta 1.3%, lo que se debería a que cada especie se muestreó ya sea en distinto clima, época del año, tipo de suelo, o parte de la planta, y también por la presencia de otros contaminantes adicionales como tierra y arena que contribuyen a aumentar el contenido de ceniza (Knigge y Schulz 1966). Para evitar este aumento del porcentaje de cenizas, se recomienda que en la fase de la entrega de la materia prima en planta los camiones de suministro de biomasa cumplan ciertos requisitos mínimos que aseguren una adecuada humedad a su entrega (Marutzky y Seeger 1999), así como que incluyan equipamientos que permitan el pesado del combustible suministrado (IDAE 2009).
Evaluación Social de factibilidad de la planta
El modelo de evaluación planificado para establecer la planta corresponde a una evaluación social por el método costo-eficiencia, evaluándose estos proyectos a 20 años.
Tabla 6. Evaluación social por el método Costo-Eficiencia sin proyecto
Fuente: Elaboración propia.
La tabla 6 corresponde a la situación sin proyecto, por lo que presenta
reinversiones por mejoras en los sistemas actuales de calefacción de
los edificios en estudio. El valor de desecho es de US$ 20,000 que
corresponde a la venta de los equipos al año 20. Se consideró un
aumento constante de 3% para cada año tanto en costos de operación como
en costos de mantención de los sistemas de calefacción actuales como en
la situación con proyecto que se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 7. Evaluación social por el método Costo-Eficiencia con proyecto
Fuente: Elaboración propia.
En el año 4 se considera una nueva inversión de US$ 32,500 por una
ampliación la red de calefacción distrital a otro edificio público
aledaño a la zona del proyecto, existiendo reinversiones para el
mejoramiento de la red, por concepto de nuevos acondicionamientos de la
planta y nuevas conexiones por US$ 16,350 durante los 20 años de la
planta. El valor de desecho es mucho más alto (US$110,500) en la
situación sin proyecto, ya que en la situación sin proyecto los equipos
de calefacción de gran parte de los edificios ya han cumplido su vida
útil. De esta manera por medio del método de costo – eficiencia, en la
tabla 8 se desprende que la alternativa con proyecto presenta a pesar
de una mayor inversión, presenta menores costos de mantención.
Tabla 8. Indicadores de decisión de la realización del proyecto
Fuente: Elaboración propia.
Para la selección de la alternativa sin proyecto o con proyecto se debe
tener presente criterios técnicos y económicos. En este sentido, de la
tabla 8, se desprende que la alternativa con proyecto presenta menor
VAC y menor el CAE. Además, resultan relevantes las diferencias en
costos de mantención asociados a la inversión inicial en la ejecución
del proyecto. Técnicamente la alternativa con proyecto resulta más
conveniente al concentrar la fuente energética (caldera) en un solo
equipo, en un solo lugar, a diferencia de la situación sin proyecto que
en cada edificio cuenta con un equipo de calefacción lo que afecta
principalmente en costos de mantención y de combustible, así el ahorro
de costos de la alternativa con proyecto viene dado por una mejor
tecnología, más eficiente y por economía de escala por una sola compra
de materia prima y no por edificio como lo que ocurre en la situación
sin proyecto.
CONCLUSIONES
La biomasa leñosa de Vitis vinífera y Olea Europaea cumple con la normativa internacional en cuanto a calidad por sus propiedades energéticas y su producción sobrepasa con creces la demanda del proyecto, por lo que existe suficiente cantidad de residuos agrícolas leñosos en el área circundante a la ciudad de Talca a 15 km de radio para una planta de calefacción distrital utilizando biomasa como combustible.
La situación con proyecto es más favorable desde una perspectiva de evaluación social del proyecto por lo que se puede concluir que el proyecto de establecimiento de la planta de calefacción distrital en la ciudad de Talca es factible.
Se recomienda realizar un estudio para agregar a la oferta de materia prima con fines energéticos los residuos leñosos de la mantención de las áreas verdes de la ciudad de Talca, lo que podría dar pie a mayor número de proyectos de calefacción distrital con material combustible de bajo costo.
CONCLUSIONES
La biomasa leñosa de Vitis vinífera y Olea Europaea cumple con la normativa internacional en cuanto a calidad por sus propiedades energéticas y su producción sobrepasa con creces la demanda del proyecto, por lo que existe suficiente cantidad de residuos agrícolas leñosos en el área circundante a la ciudad de Talca a 15 km de radio para una planta de calefacción distrital utilizando biomasa como combustible.
La situación con proyecto es más favorable desde una perspectiva de evaluación social del proyecto por lo que se puede concluir que el proyecto de establecimiento de la planta de calefacción distrital en la ciudad de Talca es factible.
Se recomienda realizar un estudio para agregar a la oferta de materia prima con fines energéticos los residuos leñosos de la mantención de las áreas verdes de la ciudad de Talca, lo que podría dar pie a mayor número de proyectos de calefacción distrital con material combustible de bajo costo.
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