Estudio de factibilidad económica de un proyecto de generación eléctrica, a partir de la gasificación de bagazo en un central azucarero cubano

Economic feasibility study of an electric generation project from bagasse gasification in a cuban sugar mill

Alfredo Torres Fernández^1*, Oscar Almazán del Olmo¹ y Bárbara Hernández²

¹ Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA). Vía Blanca 804 Esq. Carretera Central. San Miguel del Padrón. La Habana. Cuba ]]> ² AZCUBA. Calle 23 No.171 entre N y O, La Habana, Cuba, CP 10400

*Autor para la correspondencia: Alfredo Torres, Email: alfredo.torres@icidca.edu.cu

RESUMEN

La gasificación permite transformar combustibles sólidos, de bajo valor y potencialmente contaminantes, en un gas limpio que por su facilidad de transporte, presión, composición y contenido energético presenta múltiples aplicaciones, entre las cuales se encuentra la generación de electricidad, de forma limpia y altamente eficiente, mediante la utilización del gas de síntesis, que sustituye al gas natural en un ciclo combinado (Biomass Integrated Gasification Combined Cycle (BIGCC)).En el trabajo se hace un análisis de factibilidad técnico-económica de un proyecto de implementación de la tecnología BIGCC en un central azucarero de 10000 tc/d, a partir de la gasificación del bagazo con vistas a demostrar la posibilidad, desde el punto de vista económico, de invertir en ese tipo de tecnología en las condiciones actuales del sector azucarero cubano.Posteriormente, se realiza un análisis de sensibilidad, para determinar primero el punto de equilibrio del proyecto y luego las variaciones en los indicadores económicos al cambiar el monto total de las inversión, lo que resulta un elemento muy valioso en la toma de decisiones en el proceso inversionista.

Palabras clave: proyectos de inversión, indicadores financieros, sensibilidad, riesgo.

ABSTRACT

Some solid fuels which are very pollutant and with low value could be transformed into a clean gas that could be used in many industrial applications for its physical properties and for being easy transported. Then, electricity generation is one of the most important applications. In this case, electricity could be generated, cleanly and efficiently, through the use of synthesis gas that replaces the natural gas in a combined cycle (Biomass Integrated Gasification Combined Cycle (BIGCC)).In this paper, we carry out an economic feasibility study of the project about the implementation of Biomass Integrated Gasification Combined Cycle (BIGCC) in a 10000 tc/d sugar mill from bagasse gasification in order to demonstrate, from the economic point of view, the possibility of investment in this kind of technology considering the current conditions of Cuban sugar industry.Later, a sensitivity analysis is presented to show first, the break-even point associated to the project and second, the variations of financial indicators due to changes on the total amount of investments, which is a very helpful element for making right decisions in the project investment process.

 INTRODUCCIÓN

La aplicación típica de BIGCC (Spliethoff, 2001; Bain et al, 2003; Kwant y Knoef, 2004; Coob, 2007) consiste en la combustión del gas de síntesis (syngas) producido a partir de la gasificación de la biomasa, en una turbina de gas para generar electricidad en el ciclo superior. El gas exhausto que sale de dicha turbina es enviado al generador de vapor de recuperación térmica (en inglés HRSG), que produce el vapor que finalmente pasa por la turbina de vapor para generar la electricidad adicional que ocurre en el ciclo inferior y donde el vapor exhausto se envía a proceso para el calentamiento térmico. La primera planta demostrativa que utilizó la tecnología BIGCC, fue construida en 1993 en Varnamo, Suecia, produciendo 6 MW de potencia eléctrica y 9 MW de potencia térmica. El sistema estuvo constituido por: un gasificador presurizado de lecho fluidizado circulante, una turbina de gas y una turbina de vapor. La eficiencia total en cogeneración fue de 83%, mientras que la eficiencia eléctrica fue de 33% según (Ciferno y Marano, 2002). En la actualidad, según (Lora et al, 2013) la tecnología de más perspectiva, dirigida a incrementar la generación de electricidad, es el sistema  BIGCC (Nuttall y Pollitt, 2006), en el cual la tasa de generación eléctrica adicional puede tener valores entre 220 a 380 Kwh/tc. Este sistema es capaz de combinar la potencialidad de generación de dos ciclos termodinámicos con distintos elementos motrices: gas de síntesis y vapor.     

Adicionalmente, el volumen de biomasa que se recoge en un determinado momento, depende de una variedad de factores. Para los residuos agrícolas, estas consideraciones incluyen el tipo y secuencia de la operación de cosecha, la eficiencia del equipo de cosecha, las restricciones ambientales establecidas, etc. El mecanismo de recolección usado para los residuos agrícolas es similar al empleado actualmente en la recogida del heno. Estos sistemas de recolección de los residuos agrícolas tienen diferentes niveles de eficiencia, provocando que el costo de recolección varíe entre 5 a 7 USD/t según (Ciferno y Marano, 2002). El costo de transportación de la biomasa depende de la distancia a que se encuentre, así como del volumen a transportar. En el 2002, según (Ciferno y Marano, 2002), el costo de transportación de los residuos agrícolas en los Estados Unidos estuvo en el rango de 7 a 10 USD/t en base seca, para pacas convencionales.

En las condiciones de una zafra cubana, se tienen las siguientes consideraciones según (Vázquez et al, 2011):

Bagazo sobrante: Se considerara solo en los caso de los ingenios que alcanzan un aprovechamiento de la norma potencial del 85%. Se estima que se dispondrá al final del periodo del 10% de todo el bagazo producido y que tiene un valor de 8,05 USD/t. ]]> Paja (RAC) recogida en el campo: Se considera que el corte mecanizado deja en el campo el 50% de la paja y que es posible recoger por medios mecanizados hasta el 50% de esta, lo que significa un índice de producción de 79 kg/ton de caña molible. El costo de producción en el campo utilizando el equipamiento brasileño para la producción de pacas cilíndricas se considera de 8 USD/t. 

Las principales variantes en las tecnologías de conversión de biomasa para la cogeneración son los sistemas de combustión directa y los sistemas de gasificación. Los sistemas de gasificación de biomasa operan mediante el calentamiento y posterior craqueo térmico de las partículas sólidas, formando un gas combustible denominado gas de síntesis o syngas, que se limpia y filtra, para luego combustionarse en un modo simple o en un ciclo combinado.

En el trabajo se hace un análisis de factibilidad técnico-económica de un proyecto de implementación de la tecnología BIGCC en un central azucarero de 10000 tc/d, a partir de la gasificación del bagazo; empleando dos variantes. En una de las variantes se incluye la posibilidad de reducir el consumo específico de vapor  y por tanto extender el tiempo de generación en un 33 %. Este estudio permite demostrar la posibilidad, desde el punto de vista económico, de invertir en ese tipo de tecnología en las condiciones actuales del sector azucarero cubano.

Posteriormente, se realiza un análisis de sensibilidad, para determinar primero el punto de equilibrio del proyecto y por ende los márgenes de seguridad asociados a cada una de las variantes analizadas. Luego, el impacto que tienen las variaciones en el monto total de la inversión en los valores de los indicadores económicos, lo que resulta un elemento muy valioso en la toma de decisiones en el proceso inversionista.

MATERIALES Y MÉTODOS

Una forma de mejorar la eficiencia de generación de electricidad, desde el punto de vista ambiental, es mediante la producción simultanea de energía eléctrica y calor (Combined Heat and Power = CHP) que se denomina COGENERACION (EPA, 2007) Para la gasificación del bagazo se necesita sólo el 30% del aire estequiométrico.

Según Lesme (2005) las experiencias sobre gasificación de bagazo a escala piloto desarrolladas en Brasil para un amplio rango de condiciones de trabajo, demostraron que el valor calórico del gas de síntesis producido es de 4,5 MJ/Nm³. Sobre la base de estos parámetros, para gasificar 1300 t de bagazo/d (14 kg/s) que se corresponde con el flujo de bagazo para producir el vapor necesario (combustión) en el proceso de fabricación en una zafra de 10 000 t/d, se obtendría un flujo de gases de 38 kg/s, con un calor útil de 220 MW, considerando una eficiencia de la turbina de gas de 35% obtendríamos una potencia de generación de electricidad de 77 MW para la turbina de gas.

En los ciclos combinados, la turbina de vapor genera el 50 % de la del gas por lo que la potencia de generación total de electricidad sería de 114 MW. En resumen, los datos sobre la producción de electricidad para una molida de 10 000 tc/d, comparando la tecnología convencional con BIGCC, aparecen en la tabla 1.

 En la tabla 3 aparece la información básica relacionada con el costo de generación de electricidad en la tecnología BIGCC empleando el gasificador de Alta Presión, que sirve de referencia en la evaluación económica del proyecto bajo estudio.

En la tabla 4 aparecen los valores de los parámetros fundamentales que se emplean en el cálculo de los indicadores financieros: VAN, TIR y período de recuperación y el análisis de sensibilidad. Por otra parte, se considera un costo de generación total en las condiciones cubanas superior al 20 % de lo que reporta la literatura internacional y un costo variable unitario de generación equivalente al 60 % del costo de generación total.

Por último, en la evaluación económica del proyecto se consideran dos variantes (A y B), teniendo en cuenta lo que plantea (Lora et al, 2013): al reducirse el consumo específico de vapor de 500 a 400 kg de vapor/tc se incrementa el bagazo sobrante en 45 kg /tc. Además se toma un horizonte de planificación de 10 años con un período de dos años para la construcción y montaje de la instalación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los valores obtenidos de ganancia total, empleando las variantes A y B en el proyecto, que representan la base para la formulación del flujo de caja para ambas variantes, se muestran en la tabla 5.

El flujo de caja para las variantes A y B junto con los indicadores financieros asociados aparece en la tabla 6.

Se aprecia en la tabla 6 que para las variantes A y B, el Valor Actual Neto (VAN) es positivo y la tasa interna de retorno es superior a la tasa de actualización (12%), lo que indica la factibilidad económica de cada una de ellas. El resultado en materia de periodo de recuperación indica que la inversión se recupera dentro del horizonte de planificación del proyecto, en ambas variantes en un período de recuperación menor de cuatro años.

En la determinación del punto de equilibrio se utiliza la siguiente expresión:

 PE = CFT / (P – CVU)   (1)

Donde: ]]> PE:    Punto de Equilibrio.
CFT: Costo Fijo Total.
P:       Precio Unitario.
CVU: Costo Variable Unitario.

Sustituyendo con los valores asociados al proyecto bajo estudio se obtiene que PE sea igual a 97 645,65 MWh/a. Este valor representa un margen de seguridad para la variante A de 78,3% y para la variante B de 83,73%.

La variación de los indicadores financieros en función del incremento en el monto total de la inversión se muestra en la tabla 7.

En la tabla 7 se aprecia como en la medida en que se incrementa el monto total de la inversión, los indicadores financieros se deterioran. La variante A deja de ser factible económicamente con un incremento del monto de la inversión superior al 45 %.

CONCLUSIONES

En la proyección estratégica del Grupo Azucarero AZCUBA hasta el año 2017 aparecen entre los objetivos fundamentales alcanzar: la mejora de la eficiencia energética de los centrales y la ampliación de la capacidad de molida de algunos centrales (hasta 10 000 tc/d). Por tanto, los supuestos asumidos en el estudio son totalmente válidos.

El estudio demuestra un bajo riesgo operativo en ambas variantes ya que el margen de seguridad no excede el 75%.

El incremento del monto de la inversión total impacta de forma significativa en los valores de los indicadores financieros. Se aprecia, que cuando dicho monto excede el 45%, la variante A deja de ser factible desde el punto de vista económico.

REFERENCIAS

Bain, R.L., Amos, W.A., Downing, M. y Perlack, R.L., Highlights of Biopower Technical Assessment: State of the Industry and the Technology., National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-510-33502, 2003.

Ciferno, J.P.; Marano, J., Benchmarking Biomass Gasification for Fuels., Chemicals and Hydrogen Production, U.S. Department of Energy & National Energy Technology Lab., 2002.

Coob,J. T., Production of synthesis gas by biomass gasification., Proceedings of the 2007 Spring National AIChE Meeting, Houston, Texas (USA), 2007.
EPA Combined Heat and Power Partnership, Biomass CHP Catalog., Energy and Environmental Analysis, Inc., an ICF International Company, and Eastern Research Group, Inc. (ERG), 2007.

Lesme, J., Gasificación de Biomasa., Primera Convención Internacional de Energías Renovables, La Habana, Cuba, 2005.

Lora, E.E.S., Rocha, M.H., Palacio, J.C.E., Venturini, O.J., Renó, M.L.G., y Alamazán, O.A., The sugar and alcohol industry in the biofuels and cogeneration era: a paradigm change., Proc. Int. Soc. Sugar Cane Technol., Vol. 28, XXVIII Congreso ISSCT, http://www.issct.org/Spanish/XXVIIIcongress2013.html, Brasil, 2013.

Nuttall, W.J, Pollitt, M.G., Future Electricity Technologies and Systems., CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, ISBN-13978-0-521-86049-9 hardback, 2006.

Spliethoff, H., Status of Biomass Gasification for Power Production, IFRF Combustion Journal, Artículo No. 200109, 2001.

Vázquez, C. O., Almazán, R., Rodríguez, A., Valdés, A. y Pérez, F.,  Generación de electricidad en los centrales azucareros en el período fuera de zafra., Informe Técnico, MINAZ, 2011.

Recibido: Julio 3,2014 ]]> Revisado: Julio 31, 2014
Aceptado: Agosto 25, 2014