Alvaro Maioli, Felipe Mitjans, Jean-Claude Pulfer

Comité Nacional Paraguayo
Unión de Ingenieros de ANDE
IX SEMINARIO DEL SECTOR ELECTRICO PARAGUAYO - CIGRÉ
13, 14 y 15 de Octubre de 2010
Generación de electricidad en horas de punta a partir de la digestión anaeróbica de
camalote
Alvaro Maioli, Felipe Mitjans, Jean-Claude Pulfer
AM Ingeniería
Paraguay
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objeto de presentar una propuesta novedosa y
sustentable para la generación de energía eléctrica en el área metropolitana de
Asunción basada en una fuente renovable de energía. Dicha generación se
realizaría principalmente en horas de punta con el fin de reducir la potencia
contratada por la ANDE en las usinas existentes y de esta forma disminuir
costos y al mismo tiempo estabilizar las redes de transmisión y de distribución
en la zona de Asunción. La electricidad se generaría en una planta térmica a
gas de 300 MW de potencia instalada utilizando como combustible biogás
obtenido por medio de la digestión anaeróbica de plantas cosechadas de
camalote. El camalote (Eichhornia crassipes), también llamado jacinto de agua,
es una planta de la familia de las Pontederiáceas endémica del Amazonas y de
la cuenca del río Paraná. Dicha planta flota sobre la superficie del agua sin
echar raíces en el suelo y es muy común tanto en ríos como en lagunas y
esteros de nuestro país. La principal ventaja para su aprovechamiento es su
elevado índice de crecimiento, que es entre 100 y 500 g por día y por m2, lo
que permite que se duplique su masa vegetal cada 6 a 15 días. Por año se
obtienen entonces por ha entre 400 y 1700 toneladas de materia fresca, de la
cual en promedio el 7% es materia seca.
La relación entre carbono y nitrógeno, que se encuentra en su masa vegetal es
óptima para generar biogás a partir de ella utilizando digestores anaeróbicos. El
biogás es un compuesto combustible de distintas substancias en forma
gaseosa resultando de la digestión anaeróbica de materia orgánica de alto
contenido de agua. Dichas sustancias son principalmente metano y bióxido de
carbono en contenidos normales de 60% y 40% respectivamente. Su poder
calorífico de unos 5,5 MJ/m3 es suficientemente elevado para utilizar el biogás
para generación de calor y por ende también de electricidad en una planta
térmica. Las plantas a gas son ideales para generar electricidad en horas de
punta debido a su rápida respuesta para su puesta en marcha y su apagado. El
camalote necesario para la generación del biogás podría ser cultivado en
piletas ubicadas en la orilla del río Paraguay frente a la ciudad de Asunción.
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PALABRAS CLAVES
Camalote, biogás, energías renovables, generación de electricidad, horas de punta, usina
térmica, estabilización de red eléctrica
CAMALOTE
El camalote (Eichhornia crassipes), también llamado jacinto de agua, es una planta de
la familia de las Pontederiáceas endémica del Amazonas y de la cuenca del río Paraná.
Dicha planta flota sobre la superficie del agua sin echar raíces en el suelo y es muy
común tanto en ríos como en lagunas y esteros de nuestro país, pero que en la actualidad
se encuentra en la mayoría de las regiones tropicales y subtropicales del mundo por
haber sido importada en un principio como planta ornamental. Sin embargo, debido a su
rápido crecimiento y fácil adaptación a todo tipo de ecosistemas acuáticos se convirtió
en muchos países en una plaga difícil de controlar. Prácticamente la única forma de
controlar su propagación es la cosecha periódica, lo que ha llevado a una serie de
formas de aprovechamiento de la planta.
Figura 1: Imagen de un río colonizado por el camalote
El camalote se caracteriza por su muy elevado índice de crecimiento, que es entre 100 y
500 g por día y por m2, lo que permite que se duplique su masa vegetal cada 6 a 15 días
de acuerdo a las condiciones ambientales reinantes (radiación solar, temperatura,
disponibilidad de nutrientes). Por año se obtienen entonces por ha entre 400 y 1700 t de
materia fresca, de la cual en promedio el 7% es materia seca y el resto es agua.
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Las formas de aprovechamiento más difundidas en el mundo son básicamente las
siguientes:
forraje rico en proteínas para ganado
fertilizante orgánico
materia prima para fabricación de papel y cartón
materia prima para fabricación de cestos, muebles tipo mimbre, etc.
combustible sólido
filtro verde para tratamiento de desagües
generación de biogás mediante fermentación anaeróbica
En nuestro país sin embargo no se le da prácticamente ninguna utilidad al camalote. Es
más bien una planta ignorada y a veces considerada molestosa sobre todo para la
navegación en los ríos. Para nuestro trabajo nos interesa especialmente su potencial para
generar biogás, que es bastante importante debido al relativamente elevado contenido de
sustancias proteicas en la estructura vegetal y puede es comparable con el potencial de
estiércol tanto de vacunos como de porcinas. La relación entre carbono y nitrógeno en el
camalote es de 23 a 1, un valor ideal para la digestión anaeróbica.
Como un filtro verde el Jacinto de agua es muy efectivo removiendo un amplio rango de
impurezas del agua, entre esas las siguientes:
Metales como: cobre, zinc, hierro, mercurio, cromo, calcio
Efluentes cloacales
Estiércol de ganado
Productos de refinería de azúcar
Algas, materia suspendida y olores compuestos
Bacterias, levaduras y sustancias virales
Ácidos, alcalinos y sales
Compuestos orgánicos incluyendo fenol
Sustancias toxicas, incluyendo pesticidas
En condiciones ideales una hectárea de Jacinto de agua puede absorber el nitrógeno y el
fósforo que se encuentra en los desagües domésticos producidos por 800 personas.
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DIGESTIÓN ANAERÓBICA
La descomposición anaerobia es una fermentación que se realiza en ausencia de oxigeno
por la acción de varias especies de bacterias específicas teniendo como resultado la
estabilización de la materia orgánica y la producción de un gas combustible denominado
biogás. A parte de la ausencia de oxígeno hay otros factores físicos y químicos que
deben ser respetados, para que la digestión anaeróbica se desarrolle en buenas
condiciones, a saber pH (6,6 a 7,6), relación carbono/nitrógeno (C/N = 15/1 a 45/1),
temperatura (15 a 70°C), ausencia de sustancias tóxicas, cantidad de sólidos (10 a 40%)
y tiempo de retención (hasta 100 días). El biogás contiene principalmente metano (CH4:
50 a 70%) y dióxido de carbono (CO2: 30% a 50%), además de pequeñas cantidades
(<1%) de hidrógeno (H2) y ácido sulfhídrico (H2S). La última es una sustancia corrosiva
que conviene eliminar antes del aprovechamiento del gas para no dañar los
equipamientos metálicos con los cuales entra en contacto. Su poder calorífico inferior es
del orden de 5,5 MJ/m3.
Todo proceso de digestión anaerobia lleva parejo una disminución de la carga orgánica
en el substrato y la producción de este gas. Las instalaciones especialmente diseñadas
para optimizar este proceso se designan como “digestores de metano”, “plantas de
biogás” o simplemente “reactores anaerobios” [2].
Mediante el proceso de digestión anaerobia puede tratarse un gran número de residuos
con alto contenido de agua:
- Residuos agrícolas y ganaderos
- Lodos de depuradoras biológicas
- Residuos industriales orgánicos
- Aguas residuales municipales e industriales
- Fracción orgánica de residuos sólidos urbanos
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Material orgánico particulado (100%)
10%
Inertes 10%
Desintegración
30%
30%
Carbohidratos 30%
30%
Proteínas 30%
Lípidos 30%
Hidrólisis
1%
Monosacáridos 31%
Acidogénesis
29%
Amino ácidos 30%
13%
16%
HPr, HBu, HVal 29%
AGCL 29%
2%
20%
12%
9%
20%
Acetogénesis
6%
9%
12%
Ác. acético 64%
H2
26%
Metanogénesis
CH4
90%
Figura 2: Fases de la fermentación anaerobia y sus subproductos [2]
La materia orgánica es convertida en biogás en cuatro etapas principales, la hidrólisis,
donde actúan bacterias hidrolíticas que trabajan conjuntamente con las bacterias
acidogénicas, luego intervienen las bacterias acetogénicas produciendo ácido acético y
finalmente las metanogénicas, que producen el metano, como se muestra en la Figura 2.
La temperatura es un factor muy importante en el proceso de la digestión anaeróbica.
Comúnmente, se distinguen tres rangos de temperatura, en los cuales se puede operar un
biodigestor. Se diferencian no solo por los valores de la temperatura, sino también por
la flora bacteriana, que es específica para cada rango. Los respectivos rangos son:
Psicrófilo: por debajo de 20ºC
Mesófilo: 20 a 40º C
Termófilo: 40 a 70ºC
El rango más utilizado es el mesófilo, dado que se trata de valores de temperatura
cercanos a la temperatura del ambiente en nuestro clima y. Cada rango tiene una
temperatura óptima, la cual para el rango mesófilo está alrededor de los 37°C. El rango
termófilo requiere generalmente un calentamiento del substrato, lo que consume una
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parte importante de la energía obtenida en forma de biogás. Sin embargo, tiene la
ventaja, que se asegura la destrucción de eventuales agentes patógenos.
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE CAMALOTE
El jacinto de agua tiene una proporción óptima entre carbono y nitrógeno (C/N = 23)
para la digestión anaeróbica. La mayoría de las plantas fibrosas como por ejemplo los
pastos tienen un exceso de carbono. El nitrógeno proviene de sus compuestos proteicos.
Se estima que por cada kg de masa vegetal sobre base seca se pueden obtener unos 300
a 400 l de biogás, un valor similar al del estiércol de vacuno. En el marco del trabajo de
tesis que está llevando a cabo Alvaro Maioli, coautor del presente trabajo en el marco de
sus estudios de maestría en energías renovables ofrecida en forma conjunta por la
Universidad Católica de Asunción y la Universidad Nacional de Asunción, bajo la
tutoría de Jean-Claude Pulfer, también coautor, se investigará el rendimiento del biogás
obtenido a partir del camalote bajo distintas condiciones de digestión.
En la presente propuesta se plantea producir suficiente biogás para hacer funcionar una
usina térmica de 330 MW durante 3 horas por día generando entonces 990 MWh/d de
electricidad. Dicha potencia sería necesaria para poder cubrir la demanda adicional
durante las horas pico en el área metropolitano de Asunción. Considerando un
rendimiento de 400 l de gas/kg de camalote seco, un rendimiento energético de la usina
térmica de 31,5% y un poder calorífico del biogás de 64 kWh/m3 se necesitan unos
49’000 m3 de biogás por día. Considerando una producción de 100 t de camalote seco
por ha y año la superficie necesaria de estanques para poder producir tal cantidad de
camalote sería de unos 450 ha. Cabe mencionar aquí, que el camalote no tiene cubrir
más de un tercio de la superficie de un estanque para que desarrolle su máximo índice
de crecimiento. En las zonas rivereñas frente a Asunción a la altura del Jardín Botánico
existe un territorio inundable que sería suficientemente grande para cultivar el jacinto de
agua. Proponemos la preparación de estanques de 20 metros de ancho y 200 metros de
largo (ver figura 3). En dicho territorio entrarían las 1120 piletas de dichas medidas
necesarias para completar las 448 ha.
USINA TÉRMICA
La Central Térmica propuesta estará conformada por 2 turbinas de 150MW, 4
generadores de 75MVA, además de 6 bancos de transformadores monofasicos de
25MVA cada uno, la generación será en 13,8kV, se dispondrá de un sistema de barras
para este nivel de tensión y se utilizaran transformadores elevadores de 13,8/220Kv
para la Interconexión con el SIN (Sistema de Interconectado Nacional).
Este tipo de centrales presentan un rendimiento térmico bajo pero factible en el orden
de 50%, además se necesita contar con equipos especiales como reductores de velocidad
por que la turbinas a gas son turbinas de alta revolución y además sus generadores son
generadores de pocos par polos en comparación a un generador convencional, en el que
la turbina es puesto en movimiento por energía hidráulica, también se deberá tener en
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cuenta la secuencia de sincronización con la Central Hidroeléctrica Acaray en horario
de Punta.
La Central Térmica propuesta estará instalada en las proximidades de la Estación de
220kV Puerto Botánico la misma se conectara a la barra de 220kV, en la misma se
deberá considerar las adecuaciones que sean necesarias de tal manea a poder
interconectar con el SIN la Central Térmica.
La Central Térmica tendrá una potencia instalada de 300MW estará en funcionamiento
en el horario de punta de 93 hs al mes e ira a disminuir la potencia de contrato en este
horario de punta en la Central Hidroeléctrica Itaipu, además ayudara en el horario de
fuera de punta con la central de Acaray.
La Central Térmica entrara a operar en el 2013 y el estudio de factibilidad se realizara
considerando una tasa de interés anual existente en el mercado, la evaluación
económica se realizara hasta el año 2023. Para la proyección de la demanda de
crecimiento fue tomado un crecimiento anual de 100MW/año, distribuidos
porcentualmente en los distintos horarios del año.
Los datos obtenidos del Plan Maestro de la Ande fueron distribuidos en curvas
monótonas mensuales en la que se pueden visualizar el aumento de carga y demanda en
los horarios de verano y con ello realizado el flujo de caja para un estudio de 10 años y
verificar de esta manera la viabilidad y factibilidad de este tipo de generación eléctrica y
su posterior interconexión en el SIN.
IMPACTO SOBRE EL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL
Tomando en consideración los datos históricos anuales 1648MW diciembre
2008,1810MW noviembre 2009, 1880MW febrero 2010 en el SIN (Sistema
Interconectado Nacional), además la necesidad de contar con una Central de Punta a
mas de la Central de Acaray y la actual modalidad de contrato con la central
hidroeléctrica de Itaipu Binacional, proponemos la incorporación en el SIN (Sistema
Interconectado Nacional) de una Central de punta de generación térmica que pueda
subsanar el inconveniente presente.
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La Central Térmica entrara en funcionamiento en horario de punta con la central
Acaray, totalizando una potencia disponible en horario de punta de 510MW. Se
utilizara como nexo de transmisión la Línea que une a la Estación Puerto Botánico y la
Estación Blindada en SF6 Parque Caballero, circuito doble terna aérea que existe
actualmente esto permitirá entrar al SIN, además de aumentar la capacidad de la
Estacion.Parque Caballero.
Conforme el estudio de factibilidad económica el ahorro que se tendría instalando una
central en el horario de punta seria de aproximadamente U$S 6.000.000 (Seis millones
de dólares americanos), mensuales y variables conforma la demanda a ser cubierta,
además permitirá un alivio de carga en las líneas de transmisión y transformadores de
las estaciones involucradas.
Otra ventaja que presenta la localización de la Central Térmica en el sitio seleccionado
es que siendo la Estación de Parque Caballero blindada en SF6 cualquier aumento de
potencia en la Central Térmica no requerirá ninguna ampliación en la Estación de
Parque Caballero, solo el cambio de terminales en caso de que queramos aumentar la
potencia en la generación y transmitirla hasta la misma.
Otro punto a tener en cuenta es que el ahorro que se tendría en la construcción de una
nueva Línea de Transmisión Aérea de 220Kv, tomando en consideración la línea
existente que podríamos utilizarlo como primera medida y después forzar a la
construcción de una línea subterránea XLPE en 220kV en caso que la demanda lo exija
; desde la generación próximo a la Estación Puerto Botánico a la Estación Parque
Caballero Blindada en SF6.
La instalación de Centrales de Punta es necesaria en el SIN ( Sistema de
Interconectado Nacional) tomando en consideración que el horario de punta es muy
pronunciado la demanda de carga en un corto periodo de tiempo ( 93 horas al mes
tomando 31 días), en comparación con el horario de fuera de punta, lo que hace se
abone un excedente mayor al que se tendría en caso de contar con una central de punta
con lo cual se disminuiría el excedente, esto ocasionado por el modelo de contrato con
la IPU,además es importante mencionar que este tipo de Centrales nos daría además de
más potencia disponible y con eso más energía disponible para el horario de fuera de
punta y con ello abonar un menor excedente con la actual modalidad de contrato
mensual con la IPU.
Es importante recordar que si bien la Línea de Transmisión Aérea de 500kV ItaipuVilla Hayes incrementara el flujo de potencia en el SIN para los distintos niveles de
transmisión y subtransmision y con ello disponer de mas carga para poder cubrir la
demanda de potencia, el desfasaje que existe entre el horario de punta y fuera de punta
para la misma modalidad de contrato de la IPU, exigirá la incorporación en el SIN de
Centrales de punta que tendrán que tendrán como principal objetivo la disminución de
excedente por la modalidad de pago.
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Otro punto a ser destacado es que con la incorporación de una central de punta queda
abierta la posibilidad de estudiar y evaluar nuevos precios en el Pliego de Tarifas de la
Ande sobre todo en el ámbito de las Industrias con categoría diferencial.
El inconveniente que se presenta en nuestro sistema la falta de una central de punta
estaría directamente relacionada con el factor de carga existente y esto solo se
solucionaría con una distribución mas equitativa en el SIN de la demanda lo que quiere
decir que debemos disminuir la punta con una central en ese horario o aumentar la
potencia promedio en horario fuera de punta de tal manera a poder equiparar a la
potencia máxima promedio.
6. CONCLUSIONES
El objetivo del presente trabajo es demostrar que existen nuevos tipos de generación
alternativa para la generación eléctrica y con ello buscar un camino mas viable desde el
punto de vista técnico-económico para los inconvenientes que se podrían tener a fututo
en el Sistema de Interconectado Nacional.
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