UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELCTRICA

ANLISIS TCNICO-ECONMICO DE UNA PLANTA DE GENERACIN ELCTRICA EN BASE A BIOGS

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

OSCAR AUGUSTO GARAY GARCA

SANTIAGO DE CHILE MAYO 2011

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELCTRICA

ANLISIS TCNICO-ECONMICO DE UNA PLANTA DE GENERACIN ELCTRICA EN BASE A BIOGS

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

OSCAR AUGUSTO GARAY GARCA

PROFESOR GUA: LUIS VARGAS DAZ MIEMBROS DE LA COMISION: ARIEL VALDENEGRO ESPINOZA FRANCISCO GRACIA CAROCA

SANTIAGO DE CHILE MAYO 2011

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: OSCAR GARAY GARCA FECHA: 20 DE ABRIL DE 2011 PROF. GUA: SR. LUIS VARGAS DAZ

ANLISIS TCNICO-ECONMICO DE UNA PLANTA DE GENERACIN ELCTRICA EN BASE A BIOGS La biomasa ha sido una fuente muy importante de recursos energticos a lo largo de la historia. Principalmente se ha usado con fines trmicos mediante su incineracin directa de modo de extraer calor; sin embargo, la tecnologa actual ha permitido que la biomasa se use de distintas maneras alternativas, como por ejemplo, la extraccin de metano producto de la descomposicin anaerbica de sta, en lo que se conoce como biogs. En el pas existe un gran potencial de generacin de energa elctrica en base a biogs. En trminos netos, a lo largo de Chile se podran generan alrededor de 1.800 GWh/ao, lo cual se traducira en una potencia instalada de 247 MW. De ese potencial de generacin, casi un 50% proviene de la descomposicin anaerbica del estircol avcola. Este alto porcentaje se debe a la gran concentracin de recursos avcolas en el pas, que se concentra en un 90% entre las regiones de Valparaso y del Libertador Bernardo OHiggins. De este modo, se hace altamente atractiva la recoleccin del estircol avcola para fines energticos. A su vez, dentro de la misma industria avcola existen aproximadamente 7 empresas productoras de aves, siendo Agrosuper la que maneja cerca del 50% del mercado. En la actualidad, estas empresas venden su biomasa a productores de fertilizantes y abono para la agricultura. Por esta razn es poco probable que se destine la totalidad de la biomasa avcola hacia fines energticos, debido a que ser ms conveniente un cambio paulatino en la destinacin de la biomasa. As, la central diseada usa slo una porcin de la biomasa producida para su transformacin en biogs, y posteriormente, mediante un generador a gas natural adaptado, su respectiva transformacin en energa elctrica. Dado estos supuestos, la central diseada alcanzara cerca de los 9 MW de potencia instalada en el ao 2030, debido a la cantidad creciente de recursos de biomasa disponibles ao a ao. En cuanto al factor de planta que tendr la central se estima que alcanzar un valor igual a un 69%. Sobre la potencia firme se estim que alcanza aproximadamente a un 70% de la potencia instalada. Para realizar una evaluacin econmica de la central diseada, se supone que toda la energa producida es vendida en el mercado Spot a precio marginal en su barra de conexin, y que no se firma ningn tipo de contrato bilateral que incluso podra hacer subir los ingresos de la empresa. Considerando una inversin de aproximadamente 25 millones de dlares y un perodo de evaluacin de 20 aos, el valor actual neto del proyecto alcanza los 7,3 millones de dlares y una tasa interna de retorno igual a un 13,8%, dada una tasa de descuento del 10%. As, estos resultados concluyen que en Chile es bastante factible instalar una central a biogs, y que econmicamente es rentable. Sin embargo, un inversionista siempre buscar proyectos con tasas internas de retorno ms altas, por lo cual el gobierno tiene un rol fundamental: el de proponer incentivos econmicos claros para que los inversionistas decidan invertir en este tipo de proyectos energticos.

AgradecimientosPrimero que todo quiero agradecer a mis padres (Esperanza y Patricio) por creer en m. Gracias por todo el apoyo que he recibido de parte de ustedes en estos 25 aos, apoyo sin el cual no estara logrando esto que se los debo ntegramente a ustedes. Gracias infinitas por todo el nimo en los momentos ms difciles en los cuales uno pierde el norte y no sabe para donde va. Sin duda todo hubiera sido muy difcil si ustedes no hubieran estado siempre conmigo. Dems est decir que yo siempre estar ah cuando me necesiten Tambin quiero agradecer a mis hermanas (Diana y Jimena) y cuados (Kamal y Rodrigo) por siempre estar ah cuando los necesit. Siempre hubo de cada uno de ustedes palabras especiales de apoyo que sin duda recordar por mucho tiempo. Gracias por acompaarme en los momentos ms complicados, sin duda me hicieron el camino ms liviano. Tambin quiero que sepan que estoy con ustedes en todo y que pueden confiar en m para lo que sea. A mis amigos, por acompaarme durante todo este perodo. Gracias por depositar toda su confianza en m, as como yo tambin deposit mi confianza en ustedes. Me han ayudado mucho no slo en asuntos acadmicos, sino que tambin (y es lo que ms valoro) me han ayudado en la vida misma. En general agradezco a todos mis amigos que me han acompaado y apoyado, pero quiero nombrar en forma especial a Eduardo, Sebastin y Patricio por todo ese apoyo que me dieron cuando ms los necesitaba. Aqu ustedes tambin tienen a un gran amigo en el cual pueden confiar y apoyarse cuando lo necesiten. Tambin quiero agradecer a Javiera por ensearme tantas cosas, acompaarme y valorarme durante prcticamente toda mi vida universitaria. No siempre las cosas son como uno quiere, pero no por eso uno debe dejar de reconocer a las grandes personas que han pasado por nuestra vida. Por ltimo quiero agradecer en forma a especial a mi sobrina y ahijada (Valentina). Aunque an no sepas hablar y apenas camines, te doy las gracias por regalarme todos los das una sonrisa sana y desinteresada. Sin duda todas tus risas, llantos y maldades me han mostrado que la vida si tiene un sentido y que siempre hay algo porque alegrarse aunque muchas veces no las podamos o queramos ver. Gracias gordita por mostrarme las cosas lindas de la vida cuando se me perdieron.

ndice1. Introduccin _________________________________________________________ 11.1. 1.2.1.2.1. 1.2.2.

Motivacin ____________________________________________________________ 1 Objetivos _____________________________________________________________ 2Objetivos generales ____________________________________________________________2 Objetivos especficos ___________________________________________________________2

1.3.

Alcances ______________________________________________________________ 3

2.

Antecedentes ________________________________________________________ 52.1.2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.1.5. 2.1.6. 2.1.7. 2.1.8.

Sobre la bioenerga _____________________________________________________ 5Fuentes de biomasa ___________________________________________________________6 Caractersticas de la biomasa ____________________________________________________8 Procesos de conversin energtica de la biomasa __________________________________ 10 Ventajas y desventajas en el uso de Biomasa _____________________________________ 12 Experiencia Internacional _____________________________________________________ 13 Experiencia en Chile _________________________________________________________ 18 Marco Regulatorio de biocombustibles __________________________________________ 22 Barreras de Entrada __________________________________________________________ 24

2.2.2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5.

Produccin de biogs y generacin elctrica ________________________________ 26Etapas de la degradacin anaerbica ____________________________________________ Parmetros operacionales ____________________________________________________ Tecnologas aplicadas ________________________________________________________ Potencial energtico del biogs ________________________________________________ Produccin de biogs en Chile _________________________________________________ 26 26 29 31 34

3.

Evaluacin Tcnica ___________________________________________________ 363.1.3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6.

Potencial de biogs en Chile _____________________________________________ 36Identificacin de fuentes de biomasa para la produccin de biogs ___________________ Cuantificacin de las fuentes de biomasa ________________________________________ Clculo de la cantidad de biogs y metano producido ______________________________ Disponibilidad de las fuentes de biomasa ________________________________________ Energa elctrica generada ____________________________________________________ Potencia elctrica generada ___________________________________________________ 36 37 37 38 39 41

3.2.3.2.1. 3.2.2.

Fuente de biomasa a utilizar _____________________________________________ 44Eleccin del tipo de biomasa a utilizar ___________________________________________ 44 Lugar geogrfico de extraccin de la biomasa _____________________________________ 44

3.3.

Diseo de la central elctrica_____________________________________________ 4646 49 52 53 53 55 55 56 57

3.3.1. Ubicacin geogrfica _________________________________________________________ 3.3.2. Operacin en rgimen permanente _____________________________________________ 3.3.3. Potencia nominal ____________________________________________________________ 3.3.4. Caractersticas tcnicas del generador ___________________________________________ 3.3.5. Conexin a la red ____________________________________________________________ 3.3.6. Caractersticas elctricas de la central ___________________________________________ 3.3.6.1. Factor de planta ________________________________________________________ 3.3.6.2. Potencia firme _________________________________________________________ 3.3.6.3. Regulacin de frecuencia ________________________________________________ i

3.3.7. 3.3.8.

Sobre el sistema de eliminacin de H2S __________________________________________ 58 Emisiones contaminantes _____________________________________________________ 60

4.

Evaluacin Econmica ________________________________________________ 624.1. 4.2. Escenarios de precios energa ____________________________________________ 62 Flujo de caja __________________________________________________________ 6363 65 65 65 66 67 67 67 68 68 69 69 69

4.2.1. Inversin __________________________________________________________________ 4.2.2. Ingresos ___________________________________________________________________ 4.2.2.1. Venta de energa _______________________________________________________ 4.2.2.2. Venta de potencia ______________________________________________________ 4.2.2.3. Venta de bonos de carbono ______________________________________________ 4.2.3. Costos_____________________________________________________________________ 4.2.3.1. Costos de la biomasa ____________________________________________________ 4.2.3.2. Costos de operacin ____________________________________________________ 4.2.3.3. Costos de mantenimiento ________________________________________________ 4.2.3.4. Pago de peajes _________________________________________________________ 4.2.4. Depreciaciones _____________________________________________________________ 4.2.5. Capital de trabajo ___________________________________________________________ 4.2.6. Resultados _________________________________________________________________

4.3.4.3.1. 4.3.2. 4.3.3.

Anlisis de sensibilidad _________________________________________________ 70Precio bono de carbono ______________________________________________________ 71 Precio nudo de potencia ______________________________________________________ 72 Tasa de descuento ___________________________________________________________ 73

5. 6.

Conclusiones ________________________________________________________ 75 Anexos ____________________________________________________________ 796.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. Sobre las fuentes de biomasa analizadas ___________________________________ 79 Cuantificacin fuentes de biomasa, biogs y metano _________________________ 83 Sobre la disponibilidad de la biomasa ______________________________________ 94 Valores de energa y potencia por tipo de biomasa ___________________________ 97 Sobre la produccin avcola en Chile ______________________________________ 105 Flujos de caja ________________________________________________________ 106

7.

Bibliografa ________________________________________________________ 110

ii

Introduccin Motivacin

1. IntroduccinEl presente trabajo corresponde a la memoria de ttulo para optar al grado de Ingeniero Civil Electricista en la Universidad de Chile. El tema que engloba esta memoria corresponde a un anlisis tcnico-econmico de una planta de generacin elctrica en base a biogs. Para lograr dichos anlisis se realizar una evaluacin exhaustiva sobre el potencial existente en Chile en cuanto a la produccin de biogs. Adems, se estudiarn aspectos netamente tcnicos sobre la central mencionada, como su potencia, su comportamiento en rgimen permanente, su punto de conexin al SIC, etc. Finalmente, se har un completo anlisis econmico de modo de establecer cun viable sera llevar a cabo la central diseada.

1.1. Motivacin

Chile, histricamente, ha tenido serios problemas energticos que han mermado no slo su desarrollo econmico, sino que tambin su desarrollo social. Dado a que en la actualidad Chile no posee una matriz energtica muy diversificada, se encuentra expuesto a la gran dependencia de ciertos tipos de energa que en el futuro pueden escasear por diversos motivos. Es por dicha razn por la cual uno de los grandes desafos energticos de la mayora de los pases es lograr diversificar lo ms posible su matriz energtica, de modo de disminuir la dependencia de uno o unos pocos tipos de energa. Por lo anterior es que en el mundo se ha desarrollado una bsqueda importante de nuevas fuentes energticas que puedan reemplazar a los combustibles fsiles. As, las energas renovables son una gran solucin no slo para diversificar la matriz energtica de los pases, sino que tambin para que los pases produzcan combustibles propios y eliminar su dependencia de los voltiles mercados del petrleo o del gas. As, en un afn de independizarse energticamente del resto de los pases, es que Chile ha buscado nuevas fuentes de energa. Un claro ejemplo de ello son los parques elicos que se han instalado en el pas; que a pesar de no ser de mucha potencia, buscan insertar lentamente las energas renovables en la matriz energtica.1

Introduccin ObjetivosEn general, todas las energas renovables son las indicadas para lograr el objetivo de la diversificacin energtica, sobre todo en pases como Chile, en el cual una parte importante de su energa proviene del gas. Una forma de energa renovable que ha empezado de a poco a tomar fuerza es la proveniente de la biomasa. De sta, es posible extraer diversas formas secundarias de energa, como por ejemplo, el biogs. El biogs proviene de la descomposicin en ausencia de oxgeno, y por medio de bacterias, de la biomasa. Este gas es principalmente metano, el cual es, en definitiva, el que le da sus propiedades energticas. As, en la presente memoria se buscar evaluar cun factible sera que en Chile se instalar una central que use biogs como energtico primario. Para lograrlo, se evaluarn tanto aspectos netamente tcnicos como aspectos econmicos.

1.2. Objetivos A continuacin se indican los objetivos generales y especficos que se lograron identificar para esta memoria de ttulo.

1.2.1.Objetivos generales Como objetivos generales de esta memoria se pueden listar los siguientes:

Realizar un anlisis tcnico de una central de generacin de energa elctrica en base a biogs, considerando desde aspectos constructivos hasta aspectos relacionados con la produccin de energa durante el perodo de evaluacin.

Realizar un anlisis econmico de una central de generacin de energa elctrica en base a biogs, abarcando desde el modelo de negocios hasta un anlisis de sensibilidad de las variables que controlan el flujo de caja del proyecto.

1.2.2.Objetivos especficos Como objetivos especficos de esta memoria se pueden listar los siguientes:2

Introduccin Alcances

Estudiar la bioenerga, en particular el biogs, de modo de obtener una base terica que se pueda aplicar a la hora de caracterizar la central elctrica a disear.

Analizar la experiencia mundial y chilena en torno a la bioenerga, y en particular del biogs, de modo de adoptar ideas innovadoras en el diseo de la central.

Establecer la localizacin y el punto de conexin de la central a la red. Analizar el comportamiento de la central en rgimen permanente. Realizar el flujo de caja del proyecto propuesto, de modo de definir cun interesante podra llegar a ser este tipo de proyectos para distintos inversionistas.

1.3. Alcances En la presente memoria se analizarn las distintas fuentes de biomasa disponibles en Chile con el fin de elegir la ms conveniente para poder disear una central elctrica. Este anlisis se har identificando las fuentes de biomasa separadas por regin del pas, de manera de definir claramente el recurso disponible y su concentracin geogrfica dentro de Chile. De esta forma, la idea es elegir un recurso de biomasa y un lugar de extraccin de sta para definir la ubicacin ptima de la central en base a una minimizacin de distancias entre la central y los centros de acopio de biomasa en la regin escogida. Paso siguiente ser definir el punto de conexin a la red elctrica de la central, es decir, definir claramente la barra y el voltaje a la cual se conectar. Para esto se deber estimar la potencia que se generar en base a distintos supuestos que en su momento se darn. Sin embargo, dado que la evaluacin del proyecto de har para 20 aos, se tomarn en cuenta los crecimientos naturales de la cantidad de biomasa disponible con el curso de los aos, en el caso de que se identifique esta tendencia. Es por esta razn que la central se someter a una ampliacin de capacidad de modo de aprovechar dicha cantidad creciente de recursos de biomasa. Junto con esta posible ampliacin se deber analizar el rgimen permanente de sta, de modo de cuantificar claramente en trminos energticos las ampliaciones en la generacin elctrica. Es muy importante destacar que dentro de los alcances de esta memoria no est considerado el diseo del biodigestor, puesto que esto podra ser otro tema de memoria. As, se considerar que ste es una caja negra cuya entrada es biomasa y cuya salida es biogs.3

Introduccin AlcancesRepetimos que el diseo mismo del biodigestor escapa a los objetivos principales de esta memoria, por lo cual se ha omitido su diseo. Una vez concluido el anlisis tcnico de la central se realizar la evaluacin econmica del proyecto con el flujo de caja respectivo. ste incluir aspectos que considerar la inversin total en equipos elctricos y de biodigestin, as como tambin se incluirn los costos asociados al pago de peajes por el uso del sistema de transmisin y/o subtransmisin. En cuanto a la venta de energa, se tomarn tres escenarios de precios distintos proyectados en los aos futuros, de modo de considerar las fluctuaciones en los precios que se pagar por la energa producida. Mediante los valores obtenidos del Valor Actual Neto (VAN), la Tasa Interna de Retorno (TIR) y el perodo de recuperacin de capital (PRC) se lograr definir cun atractivo es el proyecto para un posible inversionista. As, con estos aspectos tcnicos y econmicos, se tendr una visin clara de las implicancias de instalar una central que use biogs como energtico. La idea es definir bases para el anlisis y diseo de este tipo de centrales que se puedan llevar a cabo en el futuro.

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Antecedentes Sobre la bioenerga

2. AntecedentesEsta seccin tendr como objetivo introducir al lector en materia bioenergtica, para posteriormente estudiar a fondo el biogs. A modo de comparacin, se analizar lo que ocurre en otros pases en cuanto a la bioenerga, de modo de establecer patrones que se puedan adaptar a la realidad chilena.

2.1. Sobre la bioenerga En trminos generales, la bioenerga es todo aquel tipo de energa proveniente de la biomasa. La biomasa, a su vez, se refiere a toda la materia orgnica que proviene de rboles, plantas y desechos de animales que pueden ser convertidos en energa; o las provenientes de la agricultura (residuos de maz, caf, arroz), del aserradero (podas, ramas, aserrn, cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgnica y otros)[1]. Existen diferentes tipos de biomasa que pueden ser utilizados con fines energticos, entre ellos los que se indican a continuacin[2]:

Biomasa natural: corresponde a la que se encuentra en la naturaleza sin ningn tipo de intervencin humana, como por ejemplo, los desechos naturales de un bosque.

Biomasa residual seca: se incluyen en este grupo todos los productos slidos que no son utilizados en las actividades agrcolas, ganaderas y forestales, como por ejemplo, el estircol, la paja, la madera de podas, el aserrn, etc.

Biomasa residual hmeda: son los vertidos denominados biodegradables, como las aguas residuales urbanas industriales y los residuos ganaderos principalmente purines.

Cultivos energticos: corresponden a los cultivos realizados con la finalidad de producir biomasa transformable en biocombustibles. Entre ellos se encuentran el maz, raps, girasol, etc. En la Figura 2.1 es posible observar un esquema que resume los distintos tipos de biomasa

potencialmente disponibles en Chile: biomasa seca y biomasa hmeda.

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Antecedentes Sobre la bioenerga

Figura 2.1. Clasifica . Clasificacin de los distintos tipos de biomasa disponibles [3].

iomasa 2.1.1.Fuentes de biomasa

Las fuentes de biomasa pueden ser bastante variadas y de diferentes tipos. Entre stas se pueden mencionar las provenientes de la industria forestal y agrcola, los desechos urbanos y , plantaciones energticas. A continuacin se nombran dichas fuentes principales con una breve explicacin de cada una de ellas [1]:

Plantaciones energticas: como se dijo anteriormente, estas corresponden a grandes ijo plantaciones de rboles o plantas cultivadas con el fin de producir energa. Para este fin se suelen seleccionar plantas o rboles de crecimiento rpido y bajo mantenimiento, las cuales se cultivan en tierras de bajo valor productivo. Uno de los grandes incentivos para los agricultores a la hora de decidir entrar al negocio elctrico es que pueden tener un ingreso extra y permanente, suavizando de alguna manera la volatilidad existente en el negocio agrcola propiamente tal, debido a las fluctuaciones del mercado, al aumento del ropiamente costo de los insumos o a variaciones climticas.

Residuos forestales: Estos son una importante fuente de biomasa, los cuales en el caso de iomasa, Chile poco a poco van ganando importancia. Se considera que de cada rbol extrado para la produccin maderera o forestal slo se aprovecha comercialmente un 20% de ste. Segn estimaciones, un 40% de cada rbol extrado es dejado en el lugar de extraccin en forma de ramas y races, y el restante 40% es dejado en el aserradero, en forma de astillas,6

Antecedentes Sobre la bioenergacorteza y aserrn. En la Figura 2.2 se muestra la distribucin energtica de un rbol en cada e una de sus partes.

Distribucin Energtica de un rbol19% 1% 5% Hojas 3% Ramas Tronco Corteza Races

72%Figura 2.2. Distribucin energtica de un rbol [3].

Desechos agrcolas: Al igual que en la industria forestal, los desechos agrcolas son una parte importante de lo que se aprovecha comercialmente. Se estima que los desechos de campo son aproximadamente un 60% de los productos aprovechables, mientras que los desechos de proceso llegan a ser entre un 20% y un 40% de dichos productos aprovechables. Si bien gran parte de los residuos hmedos (principalmente el estircol de ables. los animales) son aprovechado para aumentar el valor nutritivo de la tierra, est prctica esta produce una sobre-fertilizacin de los suelos, hacindose necesarias otras tcnicas de fertilizacin aprovechamiento del estircol.

Desechos industriales: La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos, los cuales pueden ser usados como fuente de energa debido a que poseen usados un alto contenido de azcares y carbohidratos, los que a su vez, pueden ser convertidos en combustibles gaseosos. Dichos residuos significan un problema para las industrias debido industrias, a que su tratamiento como desechos representa un costo considerable. De este modo, el desechos aprovechamiento de dichos residuos como fuente de energa genera un doble estmulo para la industria.

Desechos urbanos: Las ciudades generan una gran cantidad de Biomasa en forma de residuos alimenticios, papeles, maderas y aguas negras. Por otro lado, la basura orgnica cios,7

Antecedentes Sobre la bioenergaen descomposicin genera un alto contenido de compuestos voltiles, como metano o dixido de carbono, los cuales tienen un alto valor energtico. Tambin es importante destacar que cerca de un 80% del total de la basura urbana producida es potencialmente convertible en energa, con lo cual su aprovechamiento energtico tiene un doble propsito: evitar emanaciones de efecto invernadero producto de su descomposicin y aprovechar estas emanaciones de modo de producir energa limpia.

2.1.2.Caractersticas de la biomasa

A la hora de evaluar tcnica y econmicamente un determinado proyecto de conversin de biomasa en bioenerga, ser necesario considerar ciertos aspectos caractersticos de sta, tanto aspectos fsico-qumicos como logsticos. A continuacin se detallan estas caractersticas a considerar en cualquier proyecto de bioenerga[1]:

Tipo de biomasa: Primero que todo es imprescindible definir el tipo de biomasa que se usar, debido a que cada una posee caractersticas completamente distintas. As, segn dicho tipo se elegir el proceso de conversin energtica que ms se acomode a las caractersticas de sta. De esta forma, en el caso de los desechos forestales se hace uso de combustin directa o procesos termo-qumicos, y en el de los residuos de animales se recomienda el uso de procesos anaerbicos, etc.

Composicin qumica y fsica: Las caractersticas fsicas y qumicas de la biomasa son muy importantes en el combustible o subproducto energtico que se espera generar; por ejemplo, los desechos de animales producen altas cantidades de metano mientras que la madera produce una mezcla con alto contenido de monxido de carbono. Por otro lado, las caractersticas fsicas influyen en el tratamiento previo que se le requiera aplicar a la biomasa.

Contenido de humedad: El contenido de humedad se define como la cantidad de agua presente en la biomasa, expresada como un porcentaje del peso. Para combustibles de biomasa, este es el factor ms crtico, ya que indica la energa que se puede obtener por medio de la combustin. Esto se debe a que en el proceso de quema de esta, primero se debe evaporar el agua antes de que el calor est disponible para su uso. Dado que es

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Antecedentes Sobre la bioenergaimposible obtener un porcentaje de humedad igual a cero, se considera como aceptable un contenido de humedad menor a un 30%.

Porcentaje de cenizas: El porcentaje de cenizas da cuenta de la cantidad de materia slida no combustible, expresada como un porcentaje del peso. Es muy importante conocer este porcentaje, ya que, en algunos casos estas cenizas pueden utilizarse en otros subproductos, como es el caso de la ceniza de la cascarilla de arroz, el cual es un excelente aditivo en la mezcla de concreto o para la fabricacin de filtros de carbn.

Poder calrico: El contenido calrico por unidad de masa es el parmetro que determina la energa disponible en la biomasa. Este indica la cantidad de energa liberada cuando se quema una unidad de masa. Tal como se mencion anteriormente, este parmetro disminuye cuanto ms contenido de humedad tenga la biomasa. A modo de ejemplo, la madera posee un poder calorfico promedio de 20 MJ/kg, mientras que los subproductos agrcolas tienen un poder calrico promedio de 17 MJ/kg.

Densidad aparente: Esta indica una relacin entre el peso y el volumen del material en el estado fsico que se presenta. As, una alta densidad aparente favorece la relacin de energa por unidad de volumen, requirindose menores tamaos de los equipos. Del mismo modo, biomasas con bajas densidades aparentes necesitarn un mayor volumen de almacenamiento y transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir por gravedad, con lo cual se complica el proceso de combustin, produciendo una elevacin de los costos del proceso.

Recoleccin, transporte y manejo: Las condiciones de recoleccin, transporte y el manejo en planta de la Biomasa constituyen factores determinantes en la estructura de costos de inversin y operacin del proceso de conversin energtica. As, la ubicacin del material respecto a la planta de tratamiento y la distancia al punto de utilizacin, debern analizarse de forma exhaustiva de modo de asegurar una operacin eficiente en trminos econmicos y logsticos.

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Antecedentes Sobre la bioenerga2.1.3.Procesos de conversin energtica de la biomasa

Antes de que la biomasa pueda ser transformada en energa, ser necesario convertirla en una forma ms conveniente para su transporte y utilizacin. Por lo general, la biomasa es convertida en carbn vegetal, briquetas, gas, etanol y electricidad. Los procesos tradicionales de conversin de Biomasa se pueden clasificar en tres categoras principales [1][2] [4]:

Procesos de combustin directa: Corresponde a la quema directa de la biomasa en una caldera u horno. Mediante este tipo de procesos se suele generar calor, el cual puede ser utilizado directamente (para coccin de alimentos o para el secado de productos agrcolas) o indirectamente (para producir electricidad a travs de turbinas, previa evaporacin de agua por medio del calor producido en la combustin). Los procesos de combustin directa son, por lo general, muy ineficientes, debido a que gran parte de la energa liberada se desperdicia en forma de contaminacin cuando no se realiza el proceso bajo condiciones controladas. Por ltimo, en la Figura 2.3 es posible observar el esquema de una planta combustin de biomasa para generacin de energa elctrica con sus principales componentes, desde el lugar de almacenamiento de esta hasta el punto de conexin al sistema elctrico respectivo.

Procesos termo-qumicos: Cuando la biomasa no se quema completamente, su estructura se rompe en compuestos gaseosos, lquidos y slidos, que pueden usarse como combustible. Este proceso bsico se denomina pirlisis, e incluye la produccin de carbn vegetal y la gasificacin de la biomasa. A travs de la gasificacin, se quema parcialmente la materia orgnica y se transforma en monxido de carbono (18% a 20%), hidrgeno (20% a 24%), metano y dixido de carbono. As, el gas producido mediante gasificacin se filtra para ser usado en la produccin de calor. Lo interesante y llamativo de los procesos termo-qumicos, es el hecho de que la biomasa se transforma en un producto de mayor valor, con una densidad y un poder calorfico ms alto.

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Antecedentes Sobre la bioenerga

Figura 2.3. Esquema simple de combustin de Biomasa slida para generacin de energa elctrica[2].

Procesos bio-qumicos: En este tipo de procesos se utilizan las caractersticas bio-qumicas de la Biomasa y la accin metablica de organismos microbiales para producir combustibles gaseosos y lquidos. Dentro de estos procesos se encuentra la produccin de combustibles alcohlicos (como etanol y metanol, producidos por la fermentacin de azcares), biodiesel (que se compone de cidos grados y steres, obtenidos de aceites vegetales, grasa animal y grasas recicladas), el gas producido en rellenos sanitarios (que contiene metano y dixido de carbono, el cual se obtiene a travs de la fermentacin de los desechos slidos urbanos) y la digestin anaerbica (el cual es un proceso de descomposicin en ausencia de oxgeno por efecto de bacterias y hongos, en el que se produce entre 50% y 80% de metano y entre un 20% y 50% de dixido de carbono). El biogs es precisamente el gas rico en metano que se obtiene por alguno de estos procesos bio-qumicos.

Actualmente, el mtodo ms aplicado para usos energticos es la combustin directa de la Biomasa. Procesos ms avanzados como la gasificacin y la digestin anaerbica fueron desarrollados como alternativas ms eficientes y convenientes. Sin embargo, la aplicacin de estos ltimos no es tan comn por tener un alto costo [1].

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Antecedentes Sobre la bioenergaPara concluir, en la Figura 2.4 se muestra un esquema resumen de los procesos de conversin mencionados con las formas de energa posibles.

Combustin directa BIOMASA Conversin termo-qumica Conversin Bio-qumica

Calor y vapor

Electricidad Combustibles de biomasa Fuerza motriz

Figura 2.4. Procesos de conversin y formas de energa[1].

2.1.4.Ventajas y desventajas en el uso de Biomasa

El uso de la Biomasa como fuente de energa no slo presenta grandes beneficios ambientales y socioeconmicos, sino que tambin tiene una serie de problemas o desventajas en comparacin con los combustibles fsiles, que hacen que cualquier proyecto relacionado con bioenerga pueda resultar infactible. A continuacin de listan las ventajas y desventajas generales que puede tener un proyecto en bioenerga [5].

Ventajas ambientales: o Debido a que la bioenerga se considera un tipo de energa renovable, esta no aumenta el contenido neta de dixido de carbono presente en la tierra, por lo cual no contribuye al aumento del efecto invernadero. o La utilizacin de Biomasa no produce grandes emisiones de dixido de azufre, que junto con las emisiones de xidos de nitrgeno, son las causantes de la lluvia cida. o El proceso de digestin anaerbica para tratar la Biomasa residual hmeda reduce fuentes de olores molestos y elimina los microorganismos patgenos que esta pueda tener. Tambin, el producto digerido final puede ser usado como fertilizante en la agricultura.

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Antecedentes Sobre la bioenerga

Ventajas socioeconmicas: o La utilizacin de Biomasa como fuente de energa contribuye a la diversificacin energtica, objetivo ampliamente buscado por la mayora de los pases con el fin de disminuir el riesgo de depender de slo algunas pocas fuentes de energa. o La plantacin de cultivos energticos en tierras abandonadas evita la erosin y degradacin del suelo. o El aprovechamiento de algunos tipos de Biomasa, como los residuos forestales o los cultivos energticos, ayuda a crear puestos de trabajo en zonas rurales y apartadas.

Desventajas: o El rendimiento de las calderas de Biomasa son inferiores a los de las que usan combustibles fsiles. o La Biomasa posee menor capacidad energtica, lo cual se traduce en que los sistemas de almacenamiento sean mayores, y por ende, ms costosos. o Por lo general, muchos tipos de Biomasa tiene elevados contenidos de humedad, lo que hace que en determinadas aplicaciones sea necesario un proceso previo de secado. o Los sistemas de de alimentacin de combustible y eliminacin de cenizas son ms complejos y requieren mayores costos de operacin y mantenimiento (respecto a los que usan combustible fsiles).

2.1.5.Experiencia Internacional

Si bien el uso de la biomasa como medio para producir energa data desde las civilizaciones primitivas, el gran auge de sta se remonta a partir de la crisis del petrleo ocurrida en el ao 1970 [6]. A partir de ese ao se produjeron desarrollos paulatinos en pequeos digestores anaerbicos dentro de granjas y campos. As, producto de la crisis del petrleo y la concientizacin general por el medio ambiente, es que han tomado auge en muchos pases no slo los biocombustibles, sino que las energas renovables en general.

13

Antecedentes Sobre la bioenergaA nivel mundial, los grandes productores de biocombustibles (aquellos pases que poseen un gran porcentaje de uso de biocombustibles en su matriz energtica) son los pases escandinavos (Finlandia, Noruega y Suecia), Canad y Brasil. A su vez, estos pases son uno de los que poseen mayor produccin de energa en base a fuentes renovables en trminos porcentuales netos (incluyendo en esta categora a Alemania, Austria, Francia, Estonia, Letonia, entre otros). Letonia Tambin es interesante nombrar a pases como Blgica, Holanda y Gran Bretaa, los cuales poseen una matriz energtica con muy bajo porcentaje de energas renovables (menos del 2% del total de la energa consumida); sin embargo de dicho porcentaje, la bioenerga contribuye cerca del 85sumida); embargo, 85 95%. La mayora de los pases nombrados anteriormente forman parte de la IEA (International Energy Agency), organismo que se encarga de estudiar y llevar estadsticas en aspectos asp energticos de cada uno de sus pases integrantes, con la misin de proponer mejoras a los procesos energticos individuales de cada uno de sus miembros. As, la IEA ha reconocido a los pases mencionados su trabajo desarrollado en materia de bioener bioenerga. En la Figura 2.5 es posible observar la contribucin de energas renovables y de biomasa en trminos porcentuales del consumo total de energa primaria de los pases reconocidos por la IEA.

Uso de Energas Renovables y Biomasa% del consumo total de energa primaria50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Blgica Brasil Canad Finlandia Noruega Renovables Biomasa Holanda Suecia Gran Bretaa

Figura 2.5. Uso de Energas Renovables y Biomasa al ao 2004, en algunos pases miembros de la IEA [7]. .

14

Antecedentes Sobre la bioenergaSe observa que la contribucin de Biomasa a la matriz energtica primaria es particularmente alta en Brasil (26%), Finlandia (19%) y Suecia (16%). En el caso de Brasil, este fenmeno se produce principalmente debido al alto consumo de bio etanol en el transporte; bio-etanol transporte mientras que en el caso de Finlandia y Suecia se debe al alto uso de combustibles provenientes de la madera en la industria forestal. Las diferencias vistas en el grfico se producen debido a las distintas caractersticas de los pases analizados. Por ejemplo, Brasil y Canad son pases muy grandes con su poblacin esparci esparcida por todo el territorio, adems de poseer grandes potenciales hdricos y biomsicos. Los pases Escandinavos se caracterizan por grandes reas de bosques y una amplia industria forestal. Noruega, en cambio, posee no slo un gran recurso hdrico, sino que adems posee grandes reservas de combustibles fsiles. En el otro lado se encuentra Gran Bretaa, Blgica y Holanda, pases densamente poblados con un potencial hdrico y biomsico limitado, aunque con algunas reservas de combustibles fsiles ( (gas y petrleo en Gran Bretaa y Holanda). Es importante tambin analizar lo que ocurre con las energas renovables, y en particular con la biomasa, cuando sta es usada directamente a la produccin de energa elctrica. En la Figura 2.6 se puede observar el aporte porcentual de las energas renovables y de la biomasa a la generacin neta de energa elctrica en los pases ana analizados anteriormente.

Uso de Energas Renovables y Biomasa% total de energa elctrica generada100

10

1

0.1 Blgica Brasil Canad Finlandia Noruega Holanda Suecia Gran Bretaa

Renovables

Biomasa

Figura 2.6. Uso de Energas Renovables y Biomasa en la produccin de energa elctrica al ao 2004, en algunos pases . miembros de la IEA [7].

15

Antecedentes Sobre la bioenergaEl grfico anterior fue diseado en escala logartmica a modo de facilitar el anlisis, debido a la gran dispersin de los datos. El caso ms extremo es el que se observa con Noruega, en el cual casi el 100% del total de la energa elctrica producida proviene de fuentes hdricas y slo un 0,4% fuentes proviene de la biomasa. Comportamientos similares son los que se pueden observar en Canad y en Suecia. Dado que la bioenerga puede sustituir perfectamente a los combustibles fsiles, es natural que se genere un mercado de b biocombustibles, en el cual se transen no slo los en combustibles ya procesados, sino que tambin los insumos necesarios para su produccin (tal como ha estado ocurriendo en el caso de Brasil, el cual est exportando caa de azcar para fines energticos). Es precisamente Brasil el pas que ms exporta biocombustibles en el mundo, alcanzando exportaciones equivalentes a 35 PJ1, siendo tan slo un 2% de la produccin total de xportaciones biomasa del pas. A su vez, los pases que ms importan biocombustibles son Finlandia (60 PJ, combustibles siendo un 21% del total de la biomasa consumida y Suecia (90 PJ, alcanzando un 26% del total de consumida) do la biomasa consumida). En la Figura 2.7 se observan las cantidades importadas y exportadas por los distintos pases bajo anlisis, de modo de aclarar los datos recin entregados respecto al mercado internacional de biocombustibles.

Volumen de Bioenerga transada [PJ]

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Blgica

Importaciones y Exportaciones de Biocumbustibles

Brasil

Canad Finlandia Noruega Holanda Importacin Exportacin

Suecia

Gran Bretaa

Figura 2.7. Importaciones y Exportaciones de biocombustibles al ao 2004, en algunos pases miembros de la IEA [7].1

Unidad de medicin de energa llamada Petajoule, que corresponde a 10 Joules. 16

15

Antecedentes Sobre la bioenergaSi bien hasta el momento slo se ha analizado la produccin de biocombu biocombustibles en trminos porcentuales dentro de cada pas, no se ha hablado de la produccin neta que cada uno de ellos tiene. Al hacer este tipo de anlisis se debe incluir en los pases analizados a Alemania, . debido a que su produccin neta de biocombustibles es alta, a pesar de que por su alto nivel productivo no sea comparable en trminos porcentuales con Finlandia o Brasil. As, en la Figura 2.8 ctivo es posible observar los consumos netos de energa primaria proveniente de biocombustibles en los pases analizados, incluyendo entre estos a Alemania.

Consumos Netos de Energa PrimariaEnerga primaria consumida [PJ]16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Blgica Total Brasil Canad Finlandia Noruega Holanda Suecia Gran Alemania Bretaa Proveniente de Biomasa

Proveniente de Energas Renovables

Figura 2.8. Consumos netos de energa primaria provenientes de energas renovables y de biocombustibles [7] [8] [9]. .

Al analizar valores netos de consumo de energa primaria por pas, es posible observar que Alemania es el pas de los analizados que ms energa primaria consume. Aproximadamente un . 10% de su consumo de energa primaria proviene desde fuentes renovables (destacando la bioenerga y la energa elica), y cerca de un 7% del total del consumo proviene de la biomasa. Si se considera slo el consumo de energa elctrica, Alemania genera el 16,1% de su electricidad en base a fuentes renovables, siendo un 6,5% provenientes de la energa del viento y u 5,2% un proveniente de la biomasa; el 4,4% restante la genera la energa hidrulica en conjunto con la ; solar. Siguiendo en el caso de Alemania, es interesante destacar del grfico anterior la gran porcin de energa primaria que proviene de la biomasa, muy por sobre el aporte de la energa muy17

Antecedentes Sobre la bioenergaelica, cuestin que a priori podra generar confusin dada la gran fama del pas Alemn de ser los ms grandes recolectores de energa elica del mundo. Estos datos se explican debido al gran aporte que la biomasa tiene en aplicaciones de calor y calefaccin, siendo prcticamente la nica energa renovable que contribuye a procesos trmicos. Por el contrario, la energa elica contribuye solamente en la generacin de electricidad, haciendo bajar sus porcentajes netos de aporte por debajo de los aportes de la biomasa. As, se concluye que en Alemania la biomasa es la energa renovable que ms contribuye en la matriz energtica primaria de dicho pas incluso superando el aporte de la energa elica.

2.1.6.Experiencia en Chile

Para contextualizar lo que ha ocurrido en Chile en avances bioenergticos, se mencionar brevemente lo que ocurre con las energas renovables no convencionales (ERNC) en general. Hay que mencionar que dentro de las ERNC no estn incluidas las grandes centrales hidrulicas de embalse, sino que slo pequeas centrales hidrulicas de pasada y que no superan los 20 MW de potencia instalada. As, al ao 2008 la capacidad instalada total de Chile (incluyendo sus 4 sistemas interconectados) alcanz los 13.138 MW, de los cuales 349 MW correspondieron a ERNC, representando el 2,7% del total [10]. En la Tabla 2.1 es posible ver un desglose de las capacidades instaladas en energas convencionales y no convencionales en cada sistema interconectado del pas.

Tabla 2.1. Distribucin de las capacidades instaladas de unidades de generacin convencionales y no convencionales al ao 2008 (todos los datos se encuentran en MW) [10].

FuenteHidrulica > 20 MW Combustibles Fsiles

SIC4.781 4.292

SING0 3.589

Magallanes0 99

Aysn0 28

Total4.781 8.008

Total ConvencionalHidrulica < 20 MW Biomasa Elica

9.073129 166 18

3.58913 0 0

990 0 0

2821 0 2

12.789163 166 20

Total ERNC Total Nacional ERNC %

313 9.386 3,3%

13 3.602 0,4%18

0 99 0,0%

23 51 45,1%

349 13.138 2,7%

Antecedentes Sobre la bioenergaA su vez, la Figura 2.9 muestra claramente la distribucin energtica en el sector elctrico chileno al ao 2008. En esta se puede observar claramente que el gas natural y la energa natural hidrulica dominan la produccin energtica. A su vez, hay que destacar el hecho de que la generacin elctrica en base a b biomasa alcanz en dicho ao un 1,3% de la produccin total, dato n a tener en cuenta para contextualizar la realidad bioenergtica en el pas.

Distribucin Energtica en el Sector Elctrico al ao 20081.3% 1.2% 0.1% 25.8% 36.1% 9.3% 10.6% 15.6%Elica Pequea Hidro Biomasa Petrleos Hidro Pasada Carbn Hidro Embalse Gas Natural o GN/diesel

Figura 2.9. Distribucin Energtica del Sector Elctrico chileno al ao 2008 [10]. .

En trminos generales, la biomasa en Chile ha tenido una fuerte presencia dentro de la matriz energtica, principalmente en forma de lea llegando el ao 2006 a representar cerca del c 16% del consumo bruto de energas primarias y el 17,5% de las energas secundarias [11]. Con estos nmeros, es posible concluir que la biomasa en Chile no se ha usado principalmente en la produccin de energa elctrica, sino que por el contrario, se ha usado principalmente para uccin sino calefaccin y cocina, especialmente en el sur del pas, destacndose su gran impacto ambiental debido a la mala combustin a la cual se ve sometida (alto porcentaje de humedad). As, es imperativo el uso de nuevas tecnologas de combustin de biomasa (lea principalmente) para mitigar el alto impacto ambiental que sta produce. En Chile, la generacin elctrica a partir de biomasa es realizada principalmente por la industria del papel y celulosa, la cual aprovecha los distintos residuos de sus materias primas y procesos para aprovecharlos como combustibles. El combustible producido por este tipo de industrias se denomina licor negro, el cual se usa como energtico para centrales a vapor. La negro,19

Antecedentes Sobre la bioenergaempresa Arauco, productora de celulosa, aprovecha el licor negro de sus procesos para generar energa elctrica, mientras que la empresa Energa Verde (del grupo AES Gener) aprovecha los desechos de la industria forestal. En la Tabla 2.2 se observan las plantas de generacin elctrica que se encuentran instaladas y operando en el SIC que usan biomasa a Diciembre del 2007. En sta se puede observar claramente que son 3 empresas las que producen energa en base a este energtico natural, y que en conjunto producen 190,9 MW de potencia. Es justamente en las regiones VIII, IX y X en las que se ubican estas centrales, precisamente las regiones del pas que ms actividad forestal poseen. Hay que aadir adems que a finales del mes de Junio del 2010 se inaugur la primera central trmica cuyo combustible es el biogs producido por la descomposicin de los desechos urbanos almacenados en el relleno sanitario Loma Los Colorados (ubicado en la comuna de Tiltil, Regin Metropolitana), de la empresa KDM. Esta central en base a biogs posee una capacidad instalada de 2 MW (con proyecciones de que al ao 2024 produzca 28 MW de potencia), que se conecta a las redes de distribucin de la Empresa Elctrica de Tiltil [12].

Tabla 2.2. Capacidad instalada de generacin elctrica del SIC para centrales en base a biomasa a Diciembre del 2007 [10].

Empresa

CentralArauco Celco Cholgan Licantn Nueva Aldea I Nueva Aldea III Valdivia Laja Constitucin FPC

En servicio desde1996 1996 2003 2004 2005 2006 2004 1995 1995 2007

Combustiblesvapor-licor negro vapor-licor negro vapor-des.forest. vapor-des.forest. vapor-des.forest. vapor-licor negro vapor-des.forest. vapor-des.forest. vapor-des.forest. vapor-des.forest.

Potencia Instalada [MW]33 20 9 5,5 13 20 61 8,7 8,7 12

Arauco Generacin S.A.

Energa Verde S.A. Forestal y Pap. Concepcin

Potencia Total Instalada en el SIC en base a Biomasa

190,9

Respecto a potenciales centrales que en un futuro puedan ponerse en operacin, el Sistema de Evaluacin de Impacto Ambiental (SEIA) debe dar su aprobacin o rechazo a cada proyecto al evaluar el impacto ambiental que este provocara en su zona de emplazamiento. Entre20

Antecedentes Sobre la bioenergael 2003 y el 2008 el SEIA recibi distintos proyectos de generacin en base a biomasa con la misin de evaluarlos, sumando en total una potencia instalada de 35 MW. A su vez, se ha confeccionado un listado de proyectos de biomasa pertenecientes a InvestChile, el cual es un programa de atraccin de inversiones creado por la Corporacin de Fomento de la Produccin en el ao 2000. Estos proyectos utilizaran la biomasa proveniente de la industria forestal y maderera, de desechos agroindustriales y lodos, de residuos industriales y urbanos y, finalmente, de plantaciones energticas. Todos estos proyectos elaborados por el programa InvestChile sumaran 51 MW y estaran proyectados hasta el ao 2015. Adicionalmente, si se considera que en los archivos del SEIA existen proyectos relacionados con biomasa de los cuales no se tiene mayor informacin, se podra estimar en aproximadamente 24 MW la potencia instalada pertenecientes otros proyectos sin informacin disponible. Teniendo estos datos es posible elaborar la Tabla 2.3, la cual resume las potencias instaladas de las centrales a biomasa que se proyectan.

Tabla 2.3. Resumen de capacidad instalada en el SIC de centrales a biomasa al ao 2015 [10].

Potencia Instalada [MW] Instalado en el SIC al 2007Proyectos en el SEIA Programa InvestChile, CORFO Otros Proyectos

19135 51 24

Proyectada entre 2008-2015 Total Instalado al 2015

110 301

Al analizar la Tabla 2.3, se observa que al ao 2015 se podra tener una capacidad instalada en base a biomasa de 301 MW, con lo cual se mantendra el bajo porcentaje de la utilizacin de la biomasa en la produccin de energa elctrica, dado el crecimiento natural del sistema elctrico chileno. As, es posible concluir que para que la biomasa logre una participacin importante en la generacin de energa elctrica, se debern efectuar ms proyectos e incentivar las inversiones en este tipo de energa, tal como lo hace el programa InvestChile.

21

Antecedentes Sobre la bioenerga2.1.7.Marco Regulatorio de biocombustibles

Para poder optar al desarrollo de biocombustibles, se requiere como etapa previa la elaboracin de un conjunto de normas jurdicas que regulen toda la cadena productiva y entregue reglas claras para los actores que participarn en ella. Es justamente en esta materia en la cual Chile se encuentra muy atrasado a nivel mundial, ya que no cuenta con ninguna normativa que regule e incentive la produccin de biocombustibles. En la Figura 2.10 es posible ver un mapa de Sudamrica con los pases que poseen y los que no poseen una legislacin en torno al tema. Se destaca el hecho de que Chile es uno de los 5 pases sudamericanos que no posee ningn tipo de legislacin al respecto. Dado este hecho, se torna casi imprescindible identificar aquellos elementos que permitieron promover y desarrollar un programa de biocombustibles sostenible en el tiempo en otras naciones.

Figura 2.10. Legislacin sobre biocombustibles en pases de Amrica del Sur [13].

Para poder analizar las legislaciones sobre biocombustibles en distintos pases, la Oficina de Estudios y Polticas Agrarias (ODEPA), en convenio con la Organizacin para la Agricultura y la Alimentacin de las Naciones Unidas (FAO), hizo un estudio de las legislaciones vigentes en pases latinoamericanos como Argentina, Brasil y Per, y en pases desarrollados, como Estados Unidos y Alemania. En este estudio (que se encuentra en la referencia [13]) se concluy que una legislacin22

Antecedentes Sobre la bioenergasobre biocombustibles deber tener tres pilares fundamentales: primero, el objetivo poltico, es decir, que se quiere como sociedad cuando se promueve un programa de este tipo; en segundo lugar, la definicin de la institucionalidad encargada de su aplicacin; y en tercer lugar, los instrumentos que dan cuenta de esta poltica. Respecto a los objetivos polticos (que responde a la pregunta qu se quiere como sociedad?) existe una clara coincidencia en sus elementos esenciales: independencia energtica, diversificacin de la matriz energtica y proteccin del medio ambiente. A pesar de esta coincidencia, existen algunos otros objetivos que dependen de la realidad econmica y social de cada pas. En Per, por ejemplo, se incluyen elementos distintivos como favorecer el desarrollo agropecuario, preservar las culturas tnicas y la vinculacin al programa de lucha contra las drogas. Por su parte, en Brasil se da mucho nfasis en el proceso de inclusin social (o como se bautiz en dicho pas, combustible social), debido a que su desarrollo en materia de biocombustibles ya dej de ser una novedad y actualmente conforma gran parte de la matriz energtica primaria. Al analizar la institucionalidad (que responde a la pregunta quin y de que manera se ejecutar la poltica?) se da un elemento comn en el cual las institucionalidades se asignan al sector silvoagropecuario como sostenedor del sistema, en la medida que asegura la oferta estable de las materias primas bases para la produccin de biocombustibles. Efectivamente, en Argentina se coordina a travs de la Secretaria de Agricultura, en Estados Unidos se estableci una instancia de coordinacin entre el Departamento de Agricultura y el Departamento de Energa, y en Per la institucionalidad recae en parte en la Comisin Nacional para el Desarrollo y Vida sin Drogas. Los instrumentos (que responde a la pregunta cmo se materializa la poltica?) que sustentan las polticas antes mencionadas, se suelen elaborar a partir de definir cada uno de los biocombustibles y sus componentes, de tal manera que eso permite establecer el origen de la materia prima (quin la producir, las cantidades y normas de elaboracin, entre otros aspectos). Adems, los instrumentos suelen contener franquicias o apoyos tributarios, y la fijacin del porcentaje de mezcla de combustibles fsiles con biocombustibles que se aplicar en forma obligatoria en cada pas. Sobre esto ltimo, en Estados Unidos se fijaron estndares crecientes de mezclas, siendo de un 5% al 2006 y del 7,5% al 2012.

23

Antecedentes Sobre la bioenergaDe acuerdo a [13], para que Chile pueda optar a tener una legislacin permitente sobre biocombustibles, se debern establecer los puntos mostrados en la Tabla 2.4 sobre los objetivos polticos, sobre la institucionalidad y sobre los instrumentos.

Tabla 2.4. Recomendaciones sobre objetivos polticos, institucionalidad e instrumentos a incorporar en una posible legislacin sobre biocombustibles en Chile [13].

Objetivos PolticosCoordinar las diversas polticas sectoriales relativas a los biocombustibles Ampliar y diversificar la matriz energtica Garantizar regional el desarrollo

InstitucionalidadEstablecer normas de calidad o estndares de biocombustibles, adems de normas de comercializacin de stos Establecer cuotas de mezcla entre biocombustibles y combustibles fsiles a utilizar en el transporte Permitir reducciones tributarias para las actividades asociadas a la cadena de produccin y uso de los biocombustibles La propuesta normativa deber orientarse a lograr el desarrollo de una industria competitiva, sostenible e inclusiva

InstrumentosEstablecer un fondo especial para la investigacin, desarrollo e innovacin tecnolgica de los biocombustibles en Chile Priorizacin de los cultivos que permitan nuevas rotaciones, desincentivando los monocultivos Establecimiento de polticas diferenciadas para las regiones Apoyo financiero reembolsable y no reembolsable, en especial a los pequeos productores

Contribuir al cumplimiento de los objetivos del Protocolo de Kyoto

Para concluir, se destaca que para que Chile pueda tener un despegue en lo referente a biocombustibles, no slo es importante ayudar a los grandes productores de estos, es necesario dar beneficios a los pequeos agricultores, los cuales debern tener los incentivos necesarios para lograr un autoabastecimiento energtico, de modo de aumentar el uso de biocombustibles en el pas y de bajar el consumo de energa elctrica, con lo cual se logra un doble beneficio para el pas.

2.1.8.Barreras de Entrada

Hasta el momento, las ERNC han tenido que lidiar con muchos problemas para que, poco a poco, vayan entrando en la matriz energtica. Estas barreras son distintas para cada una de las ERNC; sin embargo, el factor comn que se repite en todas ellas es la gran diferencia de costos con las tecnologas en base a combustibles fsiles. En lo que refiere a biocombustibles, se han identificado diferentes barreras de entrada que se listan a continuacin [11]:

Geogrficas: La geografa longitudinal del pas y la estructura del SIC no favorece la incorporacin de centrales en base a biomasa al SIC, ya que en general, los recursos24

Antecedentes Sobre la bioenergaenergticos estn ubicados lejos de los centros de consumo y la infraestructura del sistema troncal de transmisin tiene limitaciones.

Financieras y fiscales: Tal como se mencion en un captulo anterior, la ausencia de un sistema regulatorio y legislativo en Chile en el mbito de los biocombustibles no slo ha desincentivado posibles inversiones en el rea, sino que adems no ha controlado la gran diferencia en costos de inversin entre biocombustibles y combustibles fsiles.

Culturales: La poca cultura, experiencia e inmadurez de las ERNC en el mercado chileno ha hecho que se prefieran tecnologas, infraestructura y capital humano extranjero para desarrollar este tipo proyectos, con lo cual se encarece y retrasa el desarrollo de las ERNC en Chile.

Escasa evaluacin de recursos: A pesar de Chile que posee un gran potencial de biomasa no explotada, el hecho de que no estn cuantificadas ni identificadas hace que cualquier estrategia de desarrollo de este tipo de proyectos deba ser acompaado de estudios exhaustivos del potencial disponible. Esto produce un aumento de los costos y de los plazos del proyectos, desincentivando las inversiones.

Poca capacidad de gestin tecnolgica y negociacin: La provisin de equipos y sistemas compite con la alta demanda de otros pases y usuarios, lo cual plantea tiempos largos de espera y costos mayores.

25

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctrica2.2. Produccin de biogs y generacin elctrica

Hasta el momento slo se ha hablado de los biocombustibles y bioenerga en trminos generales, pero no se ha hablado especficamente sobre el biogs. ste es el gas generado (principalmente metano) producto de la descomposicin anaerbica (sin oxgeno) de la materia orgnica en un biodigestor. La capacidad energtica del metano le da al biogs las caractersticas especiales que hace que su uso en reas energticas sea factible. A continuacin se abordar con ms detalle las caractersticas de este gas.

2.2.1.Etapas de la degradacin anaerbica

La degradacin anaerbica de la Biomasa se produce dentro de un equipo llamado digestor, en el cual transcurren varias fases qumicas que se resumen a continuacin[2] [4]:

Hidrlisis: Los microorganismos anaerbicos excretan enzimas hidrolticas que rompen los enlaces de los polisacridos que forman la biomasa, produciendo unidades simples de azcares, grasas y aminocidos.

Acidognesis: Los compuestos son asimilados por algunos microorganismos y/o fermentados, produciendo una gran cantidad de cidos orgnicos.

Acetognesis: Bacterias acetognicas metabolizan los alcoholes, el cido lctico y los cidos grasos voltiles, produciendo cido actico e hidrgeno.

Metanognesis: Las bacterias metanognicas combinan el acetato, hidrgeno y dixido de carbono con el fin de producir metano y agua.

2.2.2.Parmetros operacionales

Es muy importante analizar los parmetros operacionales que indican las condiciones de trabajo ptimas a las cuales se debe hacer trabajar un digestor anaerbico a la hora de producir biogs. Dichos parmetros son los que se indican a continuacin[14] [15]:

Temperatura: Podr operarse un digestor a entre los 35C y los 55C, dependiendo de las caractersticas de ste y/o del tipo de biomasa. Para graficar la importancia de un buen26

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctricacontrol de temperatura en el digestor, se comprueba que cada 6,6C de disminucin de los rangos anteriormente sealados, la produccin de biogs disminuye a la mitad.

Rango de pH: En el proceso de digestin, el pH debe mantenerse cercano a rangos neutros (entre 7 y 7,5), debido a que los microorganismos anaerbicos necesitan neutralidad en el pH ambiente para su normal desarrollo. De modo ilustrativo, se muestra en la Figura 2.11 la variacin en el porcentaje de metano y dixido de carbono en el biogs producido por la descomposicin de tunas, en funcin del pH de la biomasa.

Composicin del biogs en funcin del pH de la biomasa80

% del total de biogs

60 40 20 0 4.8 5.3 5.8 6.3 6.8 7.3 7.8

pHMetano Dixido de Carbono

Figura 2.11. Porcentaje de metano y dixido de carbono en el biogs producido a partir de la descomposicin anaerbica de la tuna [16].

Tiempo de retencin: Es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, indica el tiempo medio de permanencia de la biomasa en el digestor. En la Figura 2.12 se observa una tendencia general de los ndices de eliminacin de materia orgnica, expresada en un porcentaje de los slidos voltiles, y la produccin especfica de gas por unidad de volumen del digestor para distintas cargas de este (So: expresado en kg de slidos voltiles por m3 del digestor), ambos en funcin del tiempo de retencin.

27

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctrica

Figura 2.12. Eliminacin de slidos voltiles (SV) y produccin volumtrica de gas (Pv) en un digestor anaerbico, en 2 funcin del tiempo de retencin [14] .

Es importante notar en el grfico anterior, que existe un tiempo mnimo de retencin (de aproximadamente 5 das) por debajo del cual el digestor no presenta actividad, por ende, no existe produccin de biogs. Adems, la eliminacin de materia orgnica sigue una tendencia asinttica, con una eliminacin completa (igual al 100%) para un tiempo de retencin infinito. Por ltimo, la produccin de biogs por unidad de volumen del digestor alcanza un mximo para un tiempo de retencin de aproximadamente 10 das (correspondiente a una eliminacin de materia orgnica de entre 40% y 60%).

Velocidad de carga orgnica: OLR, por su sigla en ingls, indica la cantidad de materia orgnica introducida al digestor, por unidad de volumen y tiempo. As, valores bajos de velocidad de carga orgnica implican una baja concentracin en la biomasa dentro del digestor y/o un elevado tiempo de retencin. En la Figura 2.13 se muestra como vara la produccin de biogs en funcin de la velocidad de carga, para distintas cargas netas del digestor (So). Se puede concluir que a menor velocidad de carga mayor ser la produccin de biogs, debido a que se estar aprovechando gran parte de la biomasa en producir biogs, y no se estar extrayendo antes de que se haya producido una cantidad suficiente de metano.

2

SV: Slidos Voltiles. Es la cantidad de materia capaz de volatilizarse por el efecto de la calcinacin a 550C en un tiempo de 15 a 20 minutos [32]. 28

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctrica

Figura 2.13. Produccin de gas por unidad de carga en funcin de la velocidad de carga orgnica (OLR). [14].

2.2.3.Tecnologas aplicadas

A la hora de disear un digestor anaerbico, se debern tener en consideracin cada uno de los factores expuestos anteriormente, y en base a ellos, se deber elegir el digestor acorde a las caractersticas de la biomasa y al producto final que se quiera obtener. En general, los digestores se pueden clasificar en funcin de su capacidad para mantener altas concentraciones de microorganismos en su interior. De este modo, se analizarn a continuacin las 4 principales tecnologas existentes en los digestores y que se usan en la actualidad [14]:

Digestor de mezcla completa sin recirculacin: Consiste en un reactor en el que se mantiene una distribucin uniforme de concentraciones, tanto de substrato como de microorganismos. Esto se logra mediante un sistema de agitacin, el cual puede ser mecnico o neumtico. Este tipo de digestor anaerbico por lo general no tiene problemas de diseo y es el ms utilizado para digerir residuos. En la Figura 2.14 se muestra un esquema simple de este tipo de digestor.

29

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctrica

Figura 2.14. Esquema de digestor de mezcla completa sin recirculacin [14].

Digestor de mezcla completa con recirculacin: Este tipo de digestor se basa en el hecho de que regulando la recirculacin de microorganismos es posible conseguir tiempos de retencin hidrulica ms bajos que en un reactor como el mostrado anteriormente. Debido a que se necesita separar los microorganismos en el decantador para hacer efectiva su recirculacin, este sistema slo es aplicable a aguas residuales de alta carga orgnica (tales como las provenientes de azucareras, cerveceras, etc.). Por ltimo, hay que mencionar que previo a la etapa de decantacin, se necesita un desgasificador, sin el cual la decantacin puede verse impedida. En la Figura 2.15 se muestra un esquema de este tipo de digestor.

Figura 2.15. Esquema de digestor de mezcla completa con recirculacin [14].

Digestor con retencin de biomasa sin recirculacin: El esquema bsico de funcionamiento es el de retener bacterias en el interior del digestor, con el fin de reducir el tiempo de retencin por debajo de los digestores de mezcla completa. Se usan dos tipos30

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctricaprincipales de retencin dentro del digestor, uno de los cuales inmoviliza la biomasa sobre un soporte y la confina dentro del digestor, y otro a travs del cual se agregan sustancias que ayudan que la biomasa se aglutine y caiga por gravedad. Mediante cualquiera de ambos mtodos se consigue retener la biomasa dentro del digestor, y por ende, retener las bacterias que realizan la descomposicin.

Sistemas discontinuos: En un sistema discontinuo la curva de evolucin temporal de la produccin de biogs sigue la misma tendencia que el crecimiento de microorganismos (latencia, crecimiento exponencial, estacionalidad y decrecimiento). En un digestor discontinuo el tiempo de retencin no tiene sentido y se habla nicamente de tiempo de digestin. Tpicamente, para conseguir una produccin de biogs importante, se suelen combinar varios digestores discontinuos, debido a que estos son aplicados a residuos con alta concentracin de slidos (como residuos de ganado) que dificultan la incorporacin de sistemas de bombeo.

2.2.4.Potencial energtico del biogs

Dependiendo de las caractersticas de la biomasa original, el biogs puede tener una composicin de entre 50% y 70% de metano [14], el cual posee una capacidad energtica de aproximadamente 5.000 kcal/m3. A modo de referencia, 1 m3 de metano se traduce en una energa de 9,97 kWh, con lo cual se obtienen aproximadamente 6 kWh por cada m3 de biogas (considerando un contenido de metano en el biogas del 60%)[2]. A modo de comparacin, se muestra en la Figura 2.16 un grfico que ilustra el poder calorfico (medido en kWh/m3) de los distintos tipos de combustibles que son usados en la actualidad.

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Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctrica

Potencial energtico de combustiblesPoder calorfico [KWh/m3]12 10 8 6 4 2 0 Diesel Gas Gasolina Butano Propano Alcohol Biogs natural etlico

Figura 2.16. Potencial energtico de distintos combustibles [15]. .

El valor de 6 kWh generados por cada m3 de biogs fue obtenido suponiendo un contendido de metano del 60%. Sin embargo, esto puede variar de forma considerable al usar distintos tipos de biomasa. Por ejemplo, es posible generar biogs con residuos ganaderos, residuos agrcolas o residuos urbanos, entre otros, obtenindose distintas concentracion de concentraciones metano en cada uno de dichos procesos. As, al momento de elegir la fuente de biomasa a utilizar para generar biogs, deber tenerse en cuenta el contenido de metano que contendr el biogs resultante, como tambin la disponibilidad de dicho recurso de biomasa en el lugar en el cual se pretende desarrollar la central. A modo de ejemplo, en la Figura 2.17 se muestra un grfico que contiene los slidos voltiles y el contenido de metano potencialmente extrable, cuando se dos someten a digestin anaerbica distintas especies de fruta. De esta forma, es posible observar las fuentes de biomasa que producirn un biogs ms rico en metano, y por ende, que harn que la central genere mayor energa.

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Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctrica

Produccin de Metano en residuos de frutas y vegetales100 600 500 400 300 85 80 75 Naranja Uva Papa Mango Pltano Nabo Pia Mandarina Tomate Berenjena Rbano Limn Cebolla Coliflor 200 100 0

% de los slidos totales

95 90

Slidos voltiles

Produccin de Metano

Figura 2.17. Slidos voltiles y produccin de metano para residuos de frutas y vegetales [17]. .

Como se mencion anteriormente, para analizar un posible proyecto de extraccin de biogs se necesita conocer la produccin neta de metano de cierto tipo de biomasa y la cantidad de sta con la que se cuenta para someterla al proceso de digestin. As, para completar el anlisis para se requerirn datos como los de la Figura 2.18, que muestra la cantidad de materia orgnica disponible en la industria del vin vino.

Producin de vino y residuos slidos de uva por regin40 35 30 25 20 15 10 5 0 RM IV V VIOrujo

300 250 200 150 100 50 0 VII VIIIProduccin de vino

Miles de Ton por ao

Materia orgnica disponible

Figura 2.18. Generacin de residuos slidos a partir de la produccin de vinos y licores destilados de uva . uva[3].

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Miles de m3 por ao

Metano [m3/ton_SV]

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctricaEn definitiva, un proyecto de extraccin de biogs ser atractivo cuando converjan tanto los recursos disponibles como las capacidades de producir metano de dichos recursos. Tal como lo mostraron las figuras anteriores, la uva no es precisamente el producto vegetal que produce ms metano en una eventual digestin; a pesar de esto, los grandes recursos de uva existentes en la VII regin hacen probable que la extraccin de biogs pueda ser factible y rentable.

2.2.5. Produccin de biogs en Chile En Chile existe en la actualidad slo una central trmica conectada al SIC que usa biogs como energtico primario. Esta central de nombre Loma Los Colorados pertenece a la empresa KDM dedicada al tratamiento y disposicin de residuos slidos urbanos. Esta central se encuentra a 65 km al norte de Santiago y recibe aproximadamente 6000 ton/da de residuos para la produccin de 8000 m3/h de biogs, el cual contiene un 48,5% de CH4, 40,22% de CO2, 2,3% de O2 y un 9% de N2. En la Figura 2.19 se observa una fotografa area del proyecto que muestra la ubicacin tanto de la central, lnea de transmisin y red de captacin de biogs.

Figura 2.19. Fotografa area del proyecto central Loma Los Colorados de la empresa KDM [18].

La central Loma Los Colorados (que se conecta al SIC en la barra Punta Peuco 110 kV a travs de una lnea de circuito simple de 20 km) considera una primera etapa de 2 MW de potencia instalada cuya puesta en marcha fue en Noviembre de 2009, y una segunda etapa que34

Antecedentes Produccin de biogs y generacin elctricaconsidera una potencia instalada de 14 MW al 2011 y de 28 MW al 2025. En la Figura 2.20 se muestra la evolucin de la energa generada y potencia instalada en esta segunda etapa del proyecto que va desde el 2011 hasta el 2025.

Figura 2.20. Energa generada y potencia instalada en la Central Loma Los Colorados II [18].

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Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en Chile

3. Evaluacin TcnicaLa evaluacin tcnica de este proyecto consistir en evaluar energticamente las posibles fuentes de biomasa disponibles en Chile y disear una central de generacin elctrica que use algn tipo de biomasa previamente definido. Para caracterizar la central elctrica, se har un anlisis de sta en rgimen permanente, junto con definir su ubicacin geogrfica y punto de conexin al sistema interconectado respectivo. 3.1. Potencial de biogs en Chile Durante este apartado, se analizar el potencial existente en Chile para la produccin de energa elctrica a partir del biogs obtenido de diferentes fuentes de biomasa que se encuentran disponibles en el pas. A continuacin se mostrarn los distintos pasos realizados, de modo de que el lector pueda tener una gua de tareas sucesivas para enfrentar estudios futuros.

3.1.1.Identificacin de fuentes de biomasa para la produccin de biogs El paso previo de cualquier estudio de potencial energtico, corresponde a la identificacin de las fuentes de energa primaria, a partir de las cuales se efectuar la conversin energtica. En Chile existen muchas fuentes de biomasa de las cuales es posible extraer metano mediante la descomposicin anaerbica de sta en biodigestores. En trminos generales, cualquier desecho (ya sea industrial, urbano o rural) que contenga materia orgnica es una fuente de biomasa de la cual se puede extraer metano. A continuacin se mencionarn estas fuentes identificadas en el pas:

Desechos forestales. Desechos de la industria vitivincola. Procesamiento de los residuos del vino. Desechos de la produccin de cerveza. Desechos lcteos. Desechos de frutas y verduras. Desechos del procesamiento de bebidas de infusin.36

Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en Chile

Desechos de los cultivos de temporada. Desechos de poda de rboles. Residuos de mataderos. Grasas y aceites. Lodos de plantas de tratamiento de agua (PTA). Residuos slidos urbanos (RSU). Estircol avcola. Residuos industriales lquidos (RILES). Estircol vacuno. Estircol porcino.

En el anexo 6.1 se har un breve anlisis sobre las implicancias de cada uno de estos tipos de desechos considerados. Se analizarn desde aspectos productivos hasta aspectos sobre los usos que se da en la actualidad a este tipo de desechos.

3.1.2.Cuantificacin de las fuentes de biomasa Posterior a la identificacin de las fuentes de biomasa, corresponde una cuantificacin clara de estos recursos. Esta cuantificacin debe realizarse en base a distintos tipos de datos sobre la fuente de la biomasa analizada. Por ejemplo, en el caso del estircol vacuno se debern cuantificar el nmero de cabezas de ganado disponibles en el pas junto con la produccin de desechos por animal. Del mismo modo, en el caso de los lodos en las PTA se deber cuantificar los caudales diarios que son tratados en dichas plantas de modo de obtener la cantidad de materia orgnica disponible para su descomposicin.

3.1.3.Clculo de la cantidad de biogs y metano producido Una vez concluida la cuantificacin de las fuentes de biomasa, se deber establecer claramente cuanto biogs y/o metano es posible producir con la cantidad de biomasa disponible. Esto se realiza mediante un factor que indica la productividad de la biomasa, es decir, indica la cantidad de m3 de biogs que es posible obtener con una unidad de desechos (por lo general la cantidad de desechos se mide en toneladas de materia orgnica).37

Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en ChileObteniendo la cantidad de m3 de biogs producido con la biomasa cuantificada anteriormente, se procede a obtener la cantidad de m3 de metano contenido en l. Esto se obtiene con un factor que indica el porcentaje de metano en el biogs producido. Este porcentaje, tal cual como se mencion en la seccin de antecedentes, depende del tipo de biomasa utilizada, pero a grandes rasgos vara entre un 50% y un 80%.

3.1.4.Disponibilidad de las fuentes de biomasa Antes de empezar con este punto, es muy importante destacar el hecho de que los valores que se calcularon anteriormente sobre la cantidad de biogs y de metano producidos, corresponden a valores mximos tericos. Estos valores tericos suponen que en el proceso de produccin de biogs se utilizaron todos los recursos de biomasa disponibles en el pas. Esta situacin en la prctica no ocurre, debido a las dificultades de recoleccin de biomasa, usos alternativos de sta y a la dispersin geogrfica de los desechos. Por esta razn, se han propuesto una serie de factores de disponibilidad que indican la porcin de biomasa que es factible de extraer y/o recolectar, incluyendo elementos como los mencionados anteriormente (facilidad de recoleccin, usos alternativos, etc). Para ilustrar esta situacin, se pone como ejemplo el caso de la produccin de biogs con los desechos de poda de rboles y con el estircol avcola. En el caso de la poda de rboles, la recoleccin a gran escala de los desechos es muy difcil y costosa producto de la gran dispersin que stos tienen en las ciudades (a modo de ejemplo, tan slo en la provincia de Santiago existen 32 comunas, con lo cual la recoleccin coordinada de los desechos de la poda de rboles es bastante difcil). En el caso del estircol avcola, la recoleccin de los desechos es bastante ms sencilla debido a que estos se producen solamente en las regiones V, Metropolitana y VI, sumado al hecho de que el mercado de aves lo controlan solamente 7 empresas. Este hecho hace que su recoleccin sea mucho ms centralizada y sencilla gracias a la alta concentracin geogrfica de los recursos de biomasa. Estos elementos son los que dan las bases para proponer un factor de disponibilidad muy bajo para el caso de la poda de rboles, y de un factor cercano a 1 en el caso del estircol avcola.

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Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en ChileEn definitiva, el producto entre los valores mximos tericos por los factores de disponibilidad, indicarn cual es la cantidad de biogs y metano que es factible de obtener con las fuentes de biomasa analizadas. Dado que la disponibilidad de la biomasa puede ir cambiando de acuerdo vaya evolucionando el mercado, se consideraron dos tipos de factores de disponibilidad: un factor mnimo y un factor mximo. Estos dos factores indican cual es la disponibilidad mnima y mxima que pueden alcanzar las fuentes de biomasa analizadas. En el anexo 6.3 se incluye una tabla con los factores de disponibilidad mnimos y mximos utilizados para analizar los potenciales factibles de generacin de biogs. Adems se incluye una pequea explicacin que indica las razones que motivaron a la eleccin de dichos factores (disponibilidad, competencia, concentracin geogrfica, etc).

3.1.5.Energa elctrica generada Una vez encontrados los valores mximos y mnimos disponibles del biogs y metano producidos, se procede a hacer los clculos respectivos de modo de encontrar la cantidad de energa elctrica que es posible generar usando el biogs producido. Para realizar estos clculos se consider que el metano posee una capacidad energtica de 8.569 kcal/m3 y que 1 kcal equivale a 0,001163 kWh. A su vez, se supuso que la conversin de metano en energa elctrica se realizara en un generador a gas natural (el cual puede operar perfectamente con biogs), cuya eficiencia elctrica es de 31,5%. Multiplicando cada uno de los valores dados en el prrafo anterior, se obtiene que por cada m3 de metano contenido en el biogs es posible generar 3,14 kWh de energa elctrica. Ahora bien, multiplicando este factor por la cantidad de metano producido en la descomposicin anaerbica se obtiene el total de energa elctrica generada. Recordar que en el apartado anterior se obtuvo un mnimo y un mximo disponible (tanto para la cantidad de metano como para la cantidad de biogs), el cual daba cuenta de la disponibilidad real de las fuentes de biomasa. Por lo tanto, es posible obtener la cantidad de energa elctrica mnima disponible y la cantidad de energa elctrica mxima disponible. Tambin es posible obtener, a modo de referencia, la energa elctrica terica mxima que es posible generar, usando el valor bruto del metano producido, sin considerar factores de disponibilidad real.39

Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en ChileUna vez hechas las conversiones energticas respectivas, se confeccion el grfico de la Figura 3.1, el cual indica la cantidad de energa elctrica anual que es posible generar con cada uno , de los distintos tipos de biomasa analizados.

Energa elctrica disponible por tipo de biomasa1,200 Energa [GWh/ao] 1,000 800 600 400 200 0

Mximo Terico

Mnimo Disponible

Mximo Disponible

Figura 3.1. Energa elctrica anual generada por tipo de biomasa. .

Es posible observar que el tipo de biomasa con mayor potencial energtico en Chile corresponde al estircol avcola, el cual posee un mnimo disponible de generacin e elctrica de 1.024 GWh/ao, y un mximo disponible de generacin elctrica de 1. , 1.104 GWh/ao, alcanzando GWh/ao cerca de un 50% de los recursos energticos de biomasa totales del pas. Es importante tambin la pas. contribucin de los lodos en PTA y los RSU, cada uno de los cuales alcanzan valores mnimos disponibles de aproximadamente 130 GWh/ao, equivalentes a un 10% de la energa total que se , podra generar en Chile. Para ahondar an ms en el anlisis, se confeccion el grfico de la Figura 3.2, el cual s muestra la cantidad de energa que se puede generar por regin del pas, sumando todas las fuentes de biomasa disponibles en cada una de ellas.

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Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en Chile

Energa elctrica disponible por regin1,200 1,000 Energa [GWh/ao] 800 600 400 200 0 I II III IV V RM VI VII VIII IX X XI XII

Mximo Terico

Mnimo Disponible

Mximo Disponible

Figura 3 Energa elctrica anual generada por regin. 3.2.

Se puede observar claramente que es en la zona central en donde existe el mayor potencial de biomasa para la generacin elctrica. De hecho, slo sumando los resultados de la Regin Metropolitana y del Libertador Bernardo OHiggins se obtiene cerca del 60% del total de l OHiggins, 60 energa elctrica producida con biogs en todo el pas. En el anexo 6.2 se incluyen las tablas que resumen todos los clculos realizados para la obtencin de la cantidad de metano generado por tipo de biomasa. A partir de dichas tablas, se confeccionaron las tablas del anexo 6.4, que son las que resumen los datos utilizados para la elaboracin de los grficos anteriores.

3.1.6.Potencia elctrica generada Posterior al clculo de la energa elctrica que se puede generar con los recursos de biomasa disponibles, se puede calcular cual es la potencia elctrica instalable para generar dicha energa. Esto se hace simplemente dividiendo la energa obtenida en la cantidad de horas al ao que estara en operacin la central. Si se considera una utilizacin de la central de un 80% (es41

Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en Chiledecir, estar en operacin 7008 horas al ao, de un total de 8760 horas), se puede obtener sin , dificultad la potencia instalable para el aprovechamiento de los recursos de biomasa analizados. De esta forma, se confeccion el grfico de la Figura 3.3, en la cual se muestra la potencia , potenci instalable por tipo de biomasa. Al igual que en los grficos anteriores, se muestran los datos para el mximo terico, mnimo disponible y mximo disponible.

Potencia elctrica disponible por tipo de biomasa180 160 140 Potencia [MW] 120 100 80 60 40 20 0

Mximo Terico

Mnimo Disponible

Mximo Disponible

Figura 3.3 Potencia elctrica instalable por tipo de biomasa. 3.

Se observan resultados bastante impresionantes, sobre todo en lo referente al estircol avcola, con el cual es posible instalar aproximadamente 1 MW de potencia. El estircol porcino 146 no deja de ser interesante, ya que su uso podra significar la instalacin de casi 30 MW. Por ltimo, 0 MW y tal como se mencion anteriormente, las PTA y los RSU podran aportar con casi 20 MW de potencia cada uno, valor para nada despreciable considerando que seran generados con energa renovable. Igual como se hizo anteriormente, es interesante observar que es lo que ocurre individualmente en cada regin del pas. Es as como se confeccion el grfico de la Figura 3.4, el

42

Evaluacin Tcnica Potencial de biogs en Chilecual resume la potencia instalable separada por regin, considerando todos los tipos de biomasa para la produccin de biogs.

Potencia elctrica disponible por regin160 140 120 Potencia [MW] 100 80 60 40 20 0 I II III IV V RM VI VII VIII IX X XI XII

Mximo Terico

Mnimo Disponible

Mximo Disponible

Figura 3.4. Potencia elctrica instalable por regin.

Una vez ms se confirma lo mencionado anteriormente, que es en la zona central del pas en la cual se concentra la mayor parte del potencial de generacin elctrica en el pa en base a pas biogs. Si se suma la potencia instalable en la Regin Metropolitana y del Libertador Bernardo OHiggins se logran aproximadamente 174 MW de potencia. A modo de resumen, el potencial nacional para generacin de energa elctrica en base a biogs alcanza los 514 MW como valor mximo terico, 2 MW como valor mnimo disponible y 247 334 MW como valor mximo disponible. De este modo, en el peor de los escenarios, actualmente en Chile existe un potencial de 2 MW de generacin elctrica mediante la utilizacin del biogs 247 producido por la descomposicin anaerbica de biomasa. En el anexo 6.4 se incluyen las tablas sobre los valores de potencia que se usaron para la los elaboracin de los grficos anteriores.

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Evaluacin Tcnica Fuente de biomasa a utilizar3.2. Fuente de biomasa a utilizar En el presente apartado se definir cual ser la fuente de biomasa que se utilizar para la generacin de energa elctrica en la central a disear. Se darn a conocer las razones de dicha eleccin, y se decidir desde que lugar geogrfico especfico se extraer sta, de modo de definir claramente los recursos energticos primarios que estarn disponibles para la generacin elctrica.

3.2.1.Eleccin del tipo de biomasa a utilizar La fuente de biomasa elegida para su digestin anaerbica es el estircol avcola, debido a su alto potencial en Chile (aproximadamente 145 MW de potencia instalada, cerca de un 60% del potencial total en el pas) y a su alta concentracin geogrfica. Este ltimo punto se ve reflejado en los altos factores de disponibilidad para este tipo de biomasa, los cuales son de 0,9 (en el caso del mnimo disponible) y de 0,97 (en el caso del mximo disponible). Tal como se dijo en un punto anterior, la produccin avcola en Chile se concentra en un 91% entre las regiones de Valparaso y del Libertador Bernardo OHiggins, validndose de este modo la eleccin de altos factores de disponibilidad.

3.2.2.Lugar geogrfico de extraccin de la biomasa El modo de decidir en qu lugar se recolectar el estircol avcola para la produccin de biogs se har en funcin de su disponibilidad relativa en cada una de las regiones del pas. En la Tabla 3.1 se muestra la distribucin de la produccin avcola en el pas. Se observa que la mayor concentracin de recursos avcolas se produce en la Regin del Libertador Bernardo OHiggins alcanzando un 41%, superando a la Regin Metropolitana y a la de Valparaso, con 39,4% y 11% respectivamente. De este modo, se opt por utilizar el estircol avcola de los planteles de produccin de aves ubicados en la VI regin, de modo de aprovechar el gran potencial existente.

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Evaluacin Tcnica Fuente de biomasa a utilizar

Tabla 3.1. Distribucin por regin de los recursos avcolas en Chile

ReginI II III IV V RM VI VII VIII IX X XI XII

Porcentaje del total de recursos avcolas del pas3,94% 0% 0% 1,28% 10,96% 39,4% 41,31% 1,34% 1,78% 0% 0% 0% 0%

Como se mencion en un punto anterior, la concentracin geogrfica de los recursos de biomasa es un factor crtico en el anlisis y evaluacin tcnica. Adems, el tema logstico adquiere importancia transcendental debido a que la recoleccin de los desechos debe hacerse de forma coordinada y oportuna. As, de modo de facilitar la recoleccin estos y centralizar el tema logstico que el proceso implique,