6.1. Historial de las instalaciones de los gasificadores
6.2. Suministro y preparación del combustible de madera
6.3. Descripción de los amplificadores de tiro invertido
6.4. Producción de electricidad con grupos de motor de gas y alternador
6.5. Experiencias de funcionamiento
6.6. Rentabilidad del empleo de gas de madera en loma plata
En Loma Plata, en la región del Chaco de Paraguay, la Compañía
Alemana Imbert instaló en 1983 un grupo electrógeno de 1,4 MW
de potencia, alimentado con gas de madera. Originalmente, la planta consistía
en dos gasificadores de tiro invertido, con una capacidad teórica de
producción de gas de 1 800 m³/h cada uno, pero en octubre de 1985
se equipó con un tercer gasificador de diseño y fabricación
local. Los gasificadores alimentan tres conjuntos Waukesha L7042 G
de gas-motor-alternador, con una capacidad de producción de 420 kVA cada
uno. El grupo electrógeno suministra electricidad a una cooperativa agrícola
privada de industrias de pequeña dimensión, panaderías,
lecherías, escuelas y unas 1 500 familias.
Hasta febrero de 1986 los dos primeros gasificadores habían estado funcionando durante más de dos años y el tercero más de tres meses. El grupo electrógeno estuvo trabajando sin problemas importantes, lo que permitió a la cooperativa desarrollar y mejorar su economía mediante unos menores costes de energía, el aumento del suministro electrice y la creación de nuevos puestos de trabajo.
El consumo medio de combustible madera por kWh de electricidad producida fue de 1,9 kg/kWh, con un coste de combustible de 2,9 G/kg, en comparación con el coste del gasoil que subió de 72 G/l en enero de 1984 a 127 G/l en diciembre del mismo año.
En las secciones que siguen se ofrece una descripción más detallada del grupo electrógeno, la preparación del combustible de madera y los costes de producción de electricidad, de acuerdo con la información proporcionada por Sonnenberg et al. (37) y Cañete (9).
En la Figura 6.1. se muestra un diseño esquemático del grupo electrógeno de Loma Plata.
En 1981 el Departamento de Desarrollo del BNF (Banco Nacional de Fomento de Paraguay) en cooperación con la división técnica y administrativa del Comité Cooperativo Chortitzer, de la región del Chaco, realizó un estudio de viabilidad para el establecimiento de un grupo electrógeno, que utilizase gas de madera como combustible. El estudio incluía muchas alternativas de combustibles y llegó a la conclusión de que el uso de gas de madera sería la solución más factible y beneficiosa de la región del Chaco.
Las conclusiones se basaban en los siguientes hechos:
1) la posibilidad de evitar el empleo de combustibles fósiles para la producción de electricidad;2) creación de nuevos puestos de trabajo en la recogida, transporte y preparación de leña;
3) utilización de residuos forestales inapropiados para elaboración industrial;
4) reducción de los costes de los agricultores que preparan nuevas tierras agrícolas, al tener la posibilidad de vender la madera cortada como combustible;
5) los recursos de leña de la zona cubrirán las necesidades de la central termoeléctrica durante mucho tiempo;
6) no se necesita agua de buena calidad para la refrigeración ni para la caldera;
7) se evita el transporte de gasoil a largas distancias con unos costes que crecen continuamente;
8) costes considerablemente menores, por kWh de electricidad producido, con gas de madera respecto al gasoil;
9) ahorro de moneda extranjera tanto a nivel nacional como regional, disminuyendo la necesidad de petróleo importado;
10) desarrollo de una autosuficiencia regional en la zona, sin depender del clima ni del suministro de petróleo (las carreteras están cerradas con frecuencia debido a la lluvia) y mejora de la economía, al disminuir el importe de las facturas de petróleo para la central eléctrica y de las facturas de electricidad para las industrias de la zona.
Basándose en los resultados del estudio de viabilidad, la Cooperativa Chortitzer decidió solicitar un préstamo para realizar el proyecto de gas de madera, con un coste total estimado de 320 millones de G. Esta seria en Sudamérica, la primera central eléctrica de esta dimensión que produce electricidad con combustible a base de biomasa.
Los dos primeros años de funcionamiento despertaron un gran interés entre representantes del gobierno, instituciones técnicas, y ejecutivos nacionales y extranjeros, y personas responsables de la toma de decisiones, que han hecho frecuentes visitas a la central eléctrica de Loma Plata.
El combustible forestal para la central se abastece de una gran zona de bosque de 274 000 ha, con un volumen total estimado de 57 millones de toneladas de leña y un crecimiento natural de 2 a 3 m³/ha/año. Dentro de la zona de influencia el empleo de la leña como combustible ha subido de 3 300 toneladas en 1981 a 10 500 toneladas en 1984. Con la puesta en marcha del tercer gasificador, la central eléctrica de Loma Plata está previsto que emplee aproximadamente 15 000 toneladas de leña al año. Los otros grandes consumidores de leña de la zona son las industrias de aceite de cacahuete y de algodón, los productores de ladrillos y de carbón vegetal, las panaderías y los fabricantes de muebles, que consumen anualmente entre 600 y 1 100 toneladas cada uno. De este modo, el suministro de leña a la central eléctrica estará libre de peligros, con toda probabilidad, en un futuro próximo. Se estima que los recursos de leña de la región del Chaco cubren las necesidades de la central eléctrica y de las industrias para más de 3 000 anos. La leña se trae a la central de una zona de 45 km de radio.
La leña que se entrega en Loma Plata procede principalmente del Quebracho blanco. El diámetro de los pies está entre los 50 y 250 milímetros. Es necesario utilizar para el gasificador combustible de madera limpio y bastante seco, sin piedras, arcilla o materias minerales; en caso contrario, la ceniza del gasificador se convierte en escoria y perturba el proceso de gasificación. Por lo tanto, se prepara una superficie de suelo duro, para la preparación del material de alimentación, cerca de la planta del gasificador. Se recomienda cortar primero los troncos de madera en longitudes de 1,5 a 2,5 metros, para facilitar la preparación y manipulación del sistema de troceado del combustible. Para acelerar el proceso de secado es conveniente partir los troncos al aire libre. Se emplea para ello un partidor hidráulico sencillo. Antes del astillado el contenido de humedad de la leña, es como promedio del 40 al 42%, secándose durante 60 días al aire libre, hasta llegar al 28% y cubierta bajo tejado se llega aproximadamente al 25% (véase el Cuadro 6.1.). Por razones prácticas y de seguridad la central almacena leña para unos tres meses de consumo, en su propio lugar.
Cuadro 6.1. Propiedades de secado de la leña (9)
|
tiempo de secado (días) |
al aire libre C.H. seco (%) |
bajo cubierta C.H. seco (%) |
|
0 |
40,7 |
40,7 |
|
15 |
34,2 |
30,7 |
|
30 |
32,3 |
29,5 |
|
45 |
29,9 |
27,2 |
|
60 |
27,2 |
25,2 |
El combustible del gasificador debe ser preferentemente menor de 70 a 90 milímetros de longitud y 300 cm³ de volumen. Se emplea para este fin una astilladora de tambor, con una capacidad aproximada de 20 m³/h accionada por un motor de gas de madera (Mercedes-Benz, con potencia de 110 kW). La astilladora tiene un diámetro de 1 000 mm y gira a 1 000 rpm. Funcionando durante 4 a 5 horas diarias, se puede producir la cantidad de combustible necesaria para 24 horas de funcionamiento. El Cuadro 6.2. muestra la distribución normal por tamaños de las partículas de las astillas de madera producidas.
Cuadro 6.2. Distribución por tamaño de las partículas del combustible del gasificador
|
Tamaño de la criba (mm) |
Retención (%) |
|
150 x 150 |
4,8 |
|
100 x 100 |
56,0 |
|
50 x 50 |
29,2 |
|
25 x 25 |
9,9 |
|
pérdida de cribado |
0,1 |
La densidad aparente de las astillas de madera es aproximadamente de 400 kg/m³ con un contenido de humedad del 25%. Desde la astilladora, las astillas de madera se transportan a un almacén intermedio mediante una cinta transportadora. La capacidad de este almacén cubierto es aproximadamente de 300 m³ y su superficie de 200 m². Las astillas de madera se cargan desde el almacén intermedio a las tolbas de alimentación de los gasificadores con ayuda de cintas transportadoras. Las tolbas de alimentación están equipadas para emplear los gases de escape de los motores, para reducir aún más el contenido de humedad del combustible de madera. El contenido de humedad de las astillas disminuye de un 5 a un 10% después de su contacto con los gases de escape, a una temperatura aproximada de 150° C, durante 12 a 15 minutos. Un análisis de 15 muestras de astillas de madera dio un contenido medio de humedad del 19,2% con una variación entre 10,2 y 28,7%. El tamaño de una tolba alimentadora es de 8 m³, lo que es suficiente para tres horas de funcionamiento con el gasificador a plena carga.
La central eléctrica de Loma Plata está equipada con tres gasificadores de tiro invertido -dos de diseño Imbert y uno local- con una capacidad teórica de producción de gas de 1 800 m³/h, cada uno de ellos. Los gasificadores se alimentan por medio de cintas transportadoras que parten de tolbas instaladas en la parte delantera de los gasificadores en un foso subterráneo (véase la Figura 6.2.). El combustible de madera se carga automáticamente desde la tolba de alimentación al gasificador, para atender el consumo de los gasificadores y equilibrar las necesidades de los motores de gas de madera.
Los gasificadores funcionan con presión negativa, que es el resultado de la succión, ya sea del motor de gas o de un ventilador de gas. La altura total del gasificador Imbert es de 7,5 metros y el diámetro exterior de 2,1 metros. El tercer gasificador, que es de diseño y fabricación local tiene una zona de reducción más alta lo que permite que el gasificador funcione con temperaturas más bajes sin arrastre de alquitrán en el gas producido.
La madera desciende por el gasificador mediante gravedad. Al arrancar se carga carbón vegetal en la zona del hogar y por debajo de ella, y se coloca madera en la parte superior. El encendido se realiza con algo de paja o un trozo de papel. Después del arranque, sólo tarda unos cinco minutos el comienzo de la producción de gas, porque el carbón vegetal reacciona muy rápidamente con el aire en la zona del hogar. Se necesita un tiempo total de unos 40 minutos para conseguir la plena capacidad de producción de gas. La toma de aire está dotada de un sistema de tuberías y toberas, con un calentamiento previo del aire mediante intercambio de calor con el gas producido. La conservación del calor se ve ayudada por el aislamiento de la envoltura exterior. La Figura 6.3. muestra un dispositivo adicional de toma de aire que se instaló para garantizar un "cracking" completo de los componentes hidrocarbonados más pesados. Los gasificadores están diseñados para funcionar hasta un 25% de su capacidad total de carga. Unas temperaturas suficientemente altas en la zona de oxidación, dan lugar a un gas prácticamente libre de alquitrán.
Si la operación de los gasificadores se interrumpe o se termina, hay que parar los motores. Pero si se ha desarrollado una temperatura apropiada en el interior del gasificador, la gasificación vuelve a comenzar inmediatamente, al encender el ventilador de succión, incluso después de largas paradas.
El contenido de cenizas de la madera es aproximadamente del uno por ciento en peso. Gran parte de las cenizas y también algunas partículas finas de carbón vegetal, caen a la cámara de recolección de las cenizas, a través de la parrilla inferior del gasificador. Normalmente, la parrilla se mueve de vez en cuando por medios mecánicos. La ceniza se extrae mediante una apertura de servicio hermética al gas, con un sistema automático de extracción de las cenizas. Esto se realiza con intervalos de dos a tres días.
Desde los gasificadores el gas se pasa en primer término a través de los multiciclones (uno por gasificador) que separan la mayor parte del polvo y las cenizas volantes arrastradas por el gas. La cantidad separada ha sido, como promedio, el 0,1% del combustible madera seco introducido en los gasificadores.
Después de los ciclones, se pasa el gas a través de depuradores de agua, refrigeradores y filtros, hasta un filtro secundario de carbón vegetal, donde se separan las ultimas impurezas y el contenido de humedad del gas. Antes de introducir en los motores el gas de madera limpio y seco, se comprime ligeramente con ayuda de un compresor accionado eléctricamente y se almacena en un tanque intermedio.
La Figura 6.4. muestra una instalación comercial típica gasificador-motor, tipo Imbert. Las de Loma Plata están ligeramente modificadas.
Los gasificadores alimentan tres grupos de motor-alternador Waukesha L 7042 G, con los siguientes datos técnicos: motores con 12 cilindros en V, con un volumen de cilindros de 115,4 dm³, diámetro interior/pistón de 238/216 mm, e índice de compresión de 10:1. La potencia teórica disponible de los motores cuando funcionan con diesel es 859 kW cada uno a 1 200 rpm.
Los motores se han adaptado para funcionar con gas pobre en la forma normal, mediante instalación de bujías especiales, mezcladores gas/aire, dispositivos de control, etc. Funcionando con gas de madera, la potencia teórica disponible es de 525 kW a 1 000 rpm. Con cos (fil) = 0,8 para el alternador 400/230 V, de 50 Hz, cada equipo puede generar 420 kVA de electricidad.
Durante el primer año y medio de funcionamiento, en 1983-84 la central eléctrica produjo 4 703 MWh de electricidad, con un consumo total de combustible de madera de 8 890 toneladas. Esto significa que el consumo medio de combustible por kWh producido fue de 1,89 kg de astillas de madera, con un contenido de humedad del 20 al 25%. Durante el mismo período, los motores en funcionamiento consumieron 9 640 litros de aceite lubricante.
Calculando con un factor medio de carga del 68%, durante 24 horas al día y 300 días al año, cada unidad gasificador-motor genera aproximadamente 2 060 MWh de electricidad al año. En el Cuadro 6.3. se expone la demanda estimada de electricidad de la comunidad de Loma Plata.
Cuadro 6.3. Demanda de Electricidad de Loma Plata (9)
|
Consumidor/año (MWh/a) |
1983 1/ |
1984 1/ |
1985 2/ |
1986 2/ |
|
Industria |
|
2 958 |
4 048 |
5 200 |
|
Edificios publicas |
|
1 015 |
1 117 |
1 335 |
|
Varios (panaderías, lecherías, carpinterías, etc.) |
|
256 |
316 |
410 |
|
Otros |
|
185 |
258 |
515 |
|
Total |
3 089 |
4 414 |
5 739 |
7 460 |
1/Real
2/Proyectada
Figura 6.3. Dispositivo adicional de inyección de aire instalado en los gasificadores
Figura 6.4. Diagrama esquemático de un grupo característico Imbert gasificador-motor-generador
Después de la instalación y funcionamiento de prueba de los dos primeros gasificadores, se presentaron algunos problemas con la aparición de alquitrán en los depuradores, filtros y motores. Se registraron también unas temperaturas muy elevadas en los gasificadores. Estas anormalidades o dificultades no se observaron cuando se ensayó el equipo en Alemania, antes de enviarlo a Paraguay. Se pensó que los motivos obedecían al hecho de que en los funcionamientos de ensayo en Alemania el combustible empleado fue madera de pino local mientras que el combustible del Chaco fue madera de Quebracho blanco.
Como primera medida se analizaron con más detalle los dos combustibles de madera en cuestión y los resultados indicaron los hechos siguientes:
1. Los contenidos de alquitrán y cenizas de la madera de Quebracho eran el doble de los valores respectivos para el pino alemán.2. El valor calorífico de la madera de Quebracho era también superior.
Para resolver los problemas antes mencionados de la contaminación de alquitrán, se instaló en el gasificador un dispositivo adicional de inyección de aire, como se muestra en la Figura 6.3., y se empleó también un filtro adicional secundario de carbón vegetal. Para poder reducir las temperaturas en el reactor hubo que disminuir el volumen de gas en un 30%. Esto tuvo naturalmente una influencia negativa en la capacidad del gasificador. En el diseño del tercer gasificador se tuvieron en cuenta estas experiencias lo que se tradujo en un equipo algo modificado, como se mencionó en la Sección 6.3. En 1985 los gasificadores trabajaron más o menos sin problemas y los costes de mantenimiento y reparación disminuyeron aproximadamente en un 40%. (9).
La producción de electricidad con gas de madera en Loma Plata se ha convertido en una operación acertada y rentable, en comparación con la alternativa de emplear gasoil como combustible. El precio del gasoil subió de 72 G/l en junio de 1983 a 127 G/l en diciembre de 1984. Durante ese período el coste de las astillas de madera fue como promedio de 2,9 G/kg, que es más de seis veces el precio del combustible de madera en el aserradero de Sapire (véase el Capítulo 4), pero es todavía un coste muy favorable en comparación con el precio del gasoil.
La producción de un 1 kWh de electricidad consume 1,89 kg de combustible-madera a un coste de 5,48 G, mientras que la cifra correspondiente para el gasoil sería de 0,34 l y 34 G, calculados con un precio medio del petróleo de 100 G/l.
Cuadro 6.4. Costes de Producción de Electricidad empleando Gas de Madera en Loma Plata (9)
|
Ano |
Combustible-madera |
Lubricantes |
Funcionamiento |
Mantenisiento |
Total |
|
|
|
|
|
||
|
1983 |
4 212 365 |
897 000 |
1 581 216 |
916 850 |
7 657 431 |
|
1984 |
21 542 100 |
3 923 000 |
4 671 000 |
18 337 000 |
48 473 100 |
|
Total |
25 814 465 |
4 820 000 |
6 252 216 |
19 253 850 |
56 140 531 |
Durante este periodo la producción total de electricidad fue de 4 703 650 kWh, lo que da un coste promedio por unidad de 11,93 G/kWh. La participación del aceite lubricante en los costes finales fue de 1,02 G/kWh, y la de los costes de mantenimiento de 4,09 G/kWh. Los costes totales de inversión de la central eléctrica (excluyendo el tercer gasificador) fue de 319 millones de G y la participación de los costes de los equipos fue de 208 millones de G.
Calculando con una tasa de interés real del 10% y un tiempo de depreciación de ocho años, los costes anuales de capital de las instalaciones son 59,3 M G o equivalentes a 11,9 G/kWh, con una producción media estimada de electricidad de 5 000 MWh al año. Esto representa unos costes totales de producción de electricidad de 23,8 G/kWh, que es sólo la mitad del precio real de la electricidad en 1984, de 46 G/kWh.
El tiempo de reintegro para el proyecto completo se ha calculado en unos 6,5 años. Los ahorros anuales netos en costes de combustible, por utilización de madera en lugar de gasoil, para el año 1984, fueron superiores a 100 millones de G.
Todas las cifras económicas antes calculadas, indican claramente la rentabilidad de utilizar gas de madera para la producción de electricidad en la central eléctrica de Loma Plata. Los otros efectos socioeconómicos positivos del empleo de la producción de energía basada en la biomasa, para actividades agrícolas e industriales dentro de la cooperativa de Chortitzer, son difíciles de expresar en cifras, pero son innegables.
Tasas de cambio
|
Junio 1983 |
1 US$ = 160 |
|
Junio 1984 |
1 US$ = 360 |
|
Septiembre 1984 |
1 US$ = 445 |
|
Enero 1985 |
1 US$ = 377 |
|
Abril 1985 |
1 US$ = 455 |
|
Julio 1985 |
1 US$ = 625 |
|
Enero 1986 |
1 US$ = 635 |
