Energía biomasa Problema 01 ∼

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%
3
Densidad (aparente) = ρa =
600 kg/m
Residuo almacenable durante todo el año
Se considera una planta tipo, escalable, con las siguientes características:
Caldera parrilla con sobrecalentador
Horas de funcionamiento:
Humedad requerida = Wr =
Rendimiento caldera = ηc =
Ciclo Rankine turbina de vapor de 1 etapa
Tamaño partícula para combustión
Consumo molienda =
Consumo SSAA =
Rendimiento alternador = ηa =
6.000 hef
5%
90%
< 5mm
50kw por tm/h de biomasa procesada
10% Generación bruta
95%
Los equipos de la planta se dimensionan para los siguientes valores del ciclo Rankine:
1
130,0
340
2.737
P (bar)
T (ºC)
h (kJ/kg)
2
0,1
45,8
1.757
3
0,1
45,8
191,7
Qcald
4
130
46,2
205
1
∼
Qsec
Qturb
2
Biomasa
Secado
Molienda
2
1
3
4
SSAA
La inversión y costes asociados a la planta se indican a continuación:
Inversión =
Costes O&M =
Compra combustible =
Transporte combustible =
Coste administración =
2.200 €/kW
9 €/MWh
25 €/tm
0,2 €/m3 – km
5% costes brutos
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
Energía biomasa
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:
2
S = 32.000 ha = 320.000.000 m
2
S/2 = 160.000.000 m
2
πR = 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
Energía biomasa
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:
Precio Pool (media 2006):
76,588 €/MWh
50,53 €/MWh
Prima:
Incentivo:
GP:
Reactiva:
Total Primas:
30,64 €/MWh
7,66 €/MWh
2,1 €/MWh
4,60
45,00 €/MWh
40% TMR
10% TMR
6% TMR (máx)
Energía biomasa