4.1. Descripción del grupo electrógeno de gas de madera
4.2. Experiencia de servicio
4.3. Evaluación económica
Como resultado de la fuerte elevación de los precios del petróleo durante los años 70, grandes áreas de Paraguay, situadas lejos de la red de fluido eléctrico, se encontraron en situación comprometida. Los precios del transporte aumentaron considerablemente viniendo a añadirse al elevado coste de la electricidad generada por pequeñas plantas alimentadas con gasolina o gasoil.
La industria de aserrío tiene la suerte de disponer de la opción de reducir sus costes mediante una mayor dependencia de la energía basada en la madera. En 1978 los directivos del aserradero Sapire, situado en el sur de Paraguay, decidieron instalar un gasificador de desperdicios de madera para la producción de energía eléctrica. Fue necesario acertar con un gasógeno flexible en cuanto a potencia y adecuado para que lo hiciera funcionar el personal del aserradero y la mano de obra ya empleada.
Las especificaciones para la compra del equipo fueron las siguientes:
1. Un motor muy fuerte, de baja velocidad y de mecánica sencilla.2. Un gasificador que pudiera emplear desperdicios del aserradero de tamaño y contenido de humedad variables pero al mismo tiempo, capaz de producir gas de buena calidad para el motor.
3. Equipo con exceso de capacidad que permitiera una flexibilidad de funcionamiento y la futura expansión de la capacidad de producción de energía.
4. Dotado de regulación del consumo de combustible.
5. Diseño del generador de gas de madera adecuado para su manejo con obreros locales y las reparaciones, en caso necesario, en talleres mecánicos rurales.
6. El equipo debe cumplir las normas de seguridad industrial y no ocasionar problemas de contaminación ambiental.
7. Facilidad de obtención de piezas de repuesto, preferentemente de suministradores locales.
En este capítulo se resumen las experiencias de los cuatro primeros años de funcionamiento (hasta febrero de 1983) del grupo instalado en el aserradero de Sapire.
La experiencia ha sido muy favorable. Después de cuatro anos de funcionamiento, el propietario del aserradero de Sapire ha registrado un rendimiento financiero satisfactorio, ya que los ahorros en productos del petróleo le permitieron recuperar la inversión (equivalente a 16 900 US$) en un año y medio. Según su información, otros aserraderos le han imitado. El manejo del equipo y su mantenimiento no han presentado problemas insuperables.
4.1.1. Suministro de combustible
4.1.2. Gasificador de madera
4.1.3. Instalaciones de refrigeración y depuración del gas de madera
4.1.4. Filtro del gas de madera
4.1.5. Motor y generador electrice
La Figura 4.1. presenta un diagrama esquemático de flujos para el proceso de generación de electricidad. En la Figura 4.2. se presenta un diagrama de flujos más detallado para el sistema del gasificador
El Cuadro 4.1. resume los datos técnicos de la planta.
Cuadro 4.1. Datos técnicos del gasógeno con gasificador de madera de tiro invertido del aserradero de Sapire
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Capacidad del generador eléctrico |
40 kW |
|
Potencia del motor |
90 HP |
|
Horas de trabajo diario del generador eléctrico |
14 |
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Consumo diario de energía del aserradero |
463 kWh |
|
Consumo de desperdicios de madera por kWh |
4,1 kg |
|
Contenido máximo de humedad de los desperdicios de madera |
37% (seco) |
El aserradero está situado en una zona forestal con madera abundante. Las carreteras de esta zona están sin afirmar, por lo que el aserradero mantiene existencias de madera en un patio de trozas, a fin de mantener el suministro de materia prima durante los perlados de lluvia.
El suministro de madera para el gasificador está totalmente cubierto porque procede de los desechos del aserradero. Como promedio, estos desechos representan el 35% del consumo de trozas, cantidad que sobrepasa las necesidades del gasificador de madera (alrededor de 570 t/año). No hay por lo tanto necesidad de economizar combustible y, en realidad, se utiliza el máximo posible a fin de reducir la superficie necesaria para su almacenamiento.
El Cuadro 4.2. muestra las especies de maderas empleadas como combustible del gasificador y las densidades aparentes de las correspondientes astillas de madera.
Figura 4.1. Diagrama de flujos del sistema de gasificador del gasógeno del aserradero de Sapire
Cuadro 4.2. Astillas de madera utilizadas para el gasógeno
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Nombre de la madera |
Densidad aparente (kg/m³) |
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Nombre común |
Nombre botánico |
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Palo rosa |
Aspidosperma peroba |
861 |
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Peterebí |
Cordia mellea |
543 |
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Lapacho |
Tecoma ipe |
993 |
|
Cedro |
Cedrella fissilis |
554 |
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Guacá |
Ocotea puberula |
448 |
|
Guatambú |
Aspidosperma Austr. |
883 |
Las dimensiones máximas del combustible de madera son 40 x 40 x 5 cm es decir, lo máximo que puede introducirse en la entrada de carga del gasificador, y trozos menores, hasta el tamaño de una caja de cerillas, todos ellos son aceptables. En teoría, puede incluirse alrededor del 10% de las virutas y el serrín pero, en la práctica, esto ha dado malos resultados porque el aserradero tiene suelo de tierra y se tiende a recoger el polvo con los desechos de madera.
El máximo contenido de humedad que se registró fue del 37 por ciento, disminuyendo con el tamaño y con el tiempo de almacenamiento de las trozas antes de su transformación. Por ello, el contenido de humedad vería con las operaciones del aserradero y con las estaciones.
Las variaciones del contenido de humedad de la madera por debajo del máximo, no afectan a la calidad del gas combustible porque el material de alimentación se seca en la sección del depósito del gasificador, antes de llegar a la zona de pirólisis.
El generador de gas de madera consiste en un conjunto con paredes de chapa de hierro de 6 mm de espesor, revestidas por el interior con ladrillos que tienen el 50 por ciento de contenido de alumina (Al2O3). Tiene una altura total de 3 600 mm y su diámetro exterior es de 1 400 mm. La entrada para la carga de combustible (madera) tiene un diámetro de 400 mm. El reactor tiene parrillas de hierro fundido, instaladas a 300 mm del fondo. Estas parrillas están colocadas a 20 mm de distancia y tienen un sistema de movimiento con palanca para extraer las cenizas. Bajo las parrillas, a 150 mm de la base, existe un sistema de refrigeración de agua con la triple función siguiente:
1. Aislar hidráulicamente la superficie donde caen las cenizas, para evitar que se salga el gas combustible.2. Refrigerar la zona de las parrillas y palancas.
3. Dar salida a las cenizas con agua.
El gasificador tiene ocho orificios de entrada de aire de dos pulgadas de diámetro. Cuatro de ellos están separados a intervalos iguales de 1 800 mm desde El fondo. Los cuatro restantes están separados de la misma forma pero a 1 320 mm del fondo (véase la Figura 4.2.).
El gasificador, que es más bien grande, puede recibir trozos de madera variables en tamaño y contenido de humedad. La carga de madera forma una columna, en cuya parte inferior tiene lugar la carbonización y el aire de convección seca las piezas de la parte superior. Una carga de combustible dura aproximadamente 14 horas, pudiendo reponerse durante la operación, ya que la cubierta de la entrada siempre se deja medio abierta.
El contenido de humedad del combustible debe ser reducido preferiblemente a menos del 25 por ciento, para que pueda tener lugar una oxidación efectiva de los diversos productos de pirólisis en la zona de oxidación. El resultado es un gas combustible de buena calidad.
El contenido de cenizas es del 0,7 al 0,9 por ciento del peso de la madera seca. Durante la gasificación, la mayor parte de la ceniza llega a la parrilla donde cae a una lámina de agua que corre desde el aparato de refrigeración, disponiendo de un desagüe. Una pequeña parte de cenizas volantes es retenida por el gas y se extrae mediante enfriamiento.
Desde un receptáculo de chapa de hierro, de 600 mm de diámetro por 1 300 mm de altura, un tubo de agua de media pulgada con un disco adosado en el extremo que lleva agujeros, como una ducha ordinaria, rocía agua en forma de lluvia sobre los gases calientes.
continuación el agua se descarga en otro receptáculo donde se atomiza mediante un ventilador eléctrico a 1 500 rpm. La misma agua se descarga seguidamente por gravedad en el fondo del gasificador donde pasa a través de una fila de ladrillos, sirviendo de cierre hidráulico para evitar que se escapen gases combustibles. Por último el agua circula, llevando las cenizas a los desagües. La temperatura final del agua de refrigeración varía entre 75° y 85°C.
Figura 4.2. Diseño del gasificador de madera del aserradero de Sapire
El gasificador tiene un filtro cilíndrico de 2 650 mm de altura por 800 mm de diámetro. El cilindro se llena con trozos de maderas resinosas de 35 x 8 x 7 cm de tamaño, llegando hasta la parte superior de la salida del gas hacia el motor (véase la Figura 4.3.). El gran volumen y la gran superficie del filtro actúan como un sistema eficaz de refrigeración del gas que se introduce en el motor a una temperatura de unos 45°C.
La construcción del filtro es sencilla y práctica y garantiza una vida útil prolongada, cambiándose el material del filtro cada 2 años de funcionamiento.
El grupo de generador y motor consiste en equipo usado que ha sido completamente renovado. El motor es "Deutz" de un cilindro, con una potencia de 90 HP a 150 rpm. Debido a su accionamiento lento y a su extremada robustez, tiene una vida útil estimada en 40 años. El generador, fabricado por AEG, tiene una potencia de 40 kW a una velocidad de 1 500 rpm.
4.2.1. Consumo de combustible
4.2.2. Mano de obra empleada y sistema de funcionamiento
4.2.3. Seguridad
4.2.4. Impacto ambiental
El grupo electrógeno se puso en marcha en 1978 y había funcionado 8 000 horas hasta enero de 1983.
La producción total de energía durante dicho tiempo fue de 160 000 kWh.
El consumo medio de madera del grupo electrógeno es de 4,1 Kg/kWh. Esta es una cifra relativamente elevada pero aceptable -y al mismo tiempo conveniente- debido a la necesidad de mantener el aserradero y sus alrededores, sin desperdicios de madera. Si surgiese la necesidad, el consumo se puede reducir mediante el control del flujo de aire en el gasificador.
El equipo es atendido por un operario a tiempo parcial, no necesitándose una atención permanente. Además, tres empleados preparan los trozos de madera y llenan el gasificador.
Figura 4.3. Filtro del gas (Material del filtro: trozos de madera resinosa)
Las principales operaciones de un día normal son las siguientes:
1. Puesta en marcha de un ventilador impulsor para dar comienzo a la producción de gas. Después de algunos minutos, se comprueba la combustibilidad del gas encendiéndolo con una pequeña llama.2. Encendido del motor del gasógeno para suministrar energía al aserradero.
3. Arranque de la bomba de agua que suministra al aserradero agua de refrigeración para el gasificador/generador y las viviendas.
4. Mantenimiento general, incluyendo lubricación y carga del tanque de aire comprimido para que esté disponible para el próximo arranque del motor.
5. Limpieza del gasificador y preparación del combustible en tamaños apropiados para la entrada de carga. El relleno del gasificador se hace a mediodía, media hora antes de terminar el periodo de trabajo y de nuevo se hace por la tarde antes del final del turno.
6. Durante la tarde los operarios inspeccionan y atienden el equipo -lubricación, acumuladores, agua de refrigeración, descarga de ceniza, descarga del filtro, temperatura del gas.
7. La jornada de trabajo del aserradero termina a las 18.00 horas pero el motor y el generador continúan funcionando hasta las 22.00 horas en beneficio del pequeño poblado. Los preparativos para esto se habrán terminado durante el día y el operario hace una visita cada hora hasta que para la máquina a las 22.00 horas. El gasificador tiene reserva suficiente para el arranque inmediato a la mañana siguiente.
La instalación tiene las siguientes características que ayudan a reducir al mínimo los riesgos usuales de funcionamiento del gasificador:
1. No se puede llegar a una presión interna excesiva porque la compuerta de la entrada de carga se deja permanentemente a medio abrir. Si funcionase cerrada, se puede emplear un mecanismo de suelta rápida para aligerar la presión.2. El gasificador se aloja en un cobertizo al aire libre, de tal modo que no pueden producirse concentraciones de monóxido de carbono.
3. El suministro de gas al motor se hace por succión. Si se producen fugas en el sistema, no puede por tanto salir gas al aire.
4. Las cenizas y escorias se descargan en una capa de agua, de tal modo, que no hay riesgos de incendios por su causa.
5. El gasificador se sitúa a distancia suficiente del aserradero para evitar que se caliente el lugar de trabajo.
No se ha realizado un análisis riguroso del impacto ambiental del gasificador pero, como se indicó anteriormente, unas precauciones sencillas han eliminado eficazmente los riesgos de envenenamiento por monóxido de carbono y de incendios. La humedad y los humos se escapan al aire por la chimenea del gasificador que es suficientemente alta para no causar contaminación. El agua de desecho y las cenizas (1 000 l y 19 kg diarios) se descargan cuesta abajo en un pantano lejano. Finalmente, el gas del escape del motor parece estar más limpio que el de un motor que funcione con gasoil.
4.3.1. Inversión de capital
4.3.2. Costes de funcionamiento y mantenimiento
4.3.3. Costes de combustible
4.3.4. Costes totales de funcionamiento
4.3.5. Costes de producción de electricidad para las viviendas familiares del personal del aserradero
4.3.6. Comparación con otras alternativas de suministro de electricidad
La inversión inicial, que se muestra en el Cuadro 4.3. fue de 2 131 700 G equivalentes a 16 918 US$ o 423 US$/kW. Hay que señalar que el motor y el generador estaban usados y reparados.
También se incluye una ampliación de la línea eléctrica, de 150 m, a las viviendas familiares.
La persona responsable del funcionamiento y mantenimiento del equipo del gasógeno recibe un salario mensual de 70 000 G. Su paga base es de 60 000 G y recibe otra cantidad adicional de 10 000 G por vigilar y parar la máquina por la noche, mientras se da suministro eléctrico a las viviendas familiares hasta las 22.00 horas. Tomando como base 25 días de trabajo al mes, el salario diario es de 2 800 G.
Cuadro 4.3. Inversión de capital en el grupo electrógeno del aserradero de Sapire
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|
|
US$/kW |
|
Terrenos (100 m² a 100 |
10 000 |
2 |
|
Trabajos de Ingeniería Civil | ||
|
Un techo de 50 m² con pilares de acero, No 26, tejado de chapa de Zinc y suelo de cemento de 15 cm de espesor, reforzado con redondos de acero de 4,2 mm a 4 000 |
200 000 |
40 |
|
42 m² de pared de ladrillo de 0,30 m de grueso, a 1 300 |
54 000 |
11 |
|
Generador eléctrico y gasificador a 20 000 |
80 000 |
16 |
|
Instalaciones eléctricas | ||
|
Instalaciones eléctricas y tablero de mandos Tomas de corriente y línea de 150 m de prolongación a las viviendas familiares |
140 000 |
28 |
|
Maquinaria y equipos | ||
|
Motor Deutz de 90 HP y generador eléctrico A.E.G. de 40 kW |
560 000 |
111 |
|
Gasificador de madera con accesorios (refrigerador de gas, filtro, tuberías, etc.) |
792 100 |
157 |
|
Costes de Transporte y seguros |
45 000 |
9 |
|
Costes de montaje y ensayos |
250 000 |
49 |
|
INVERSION TOTAL |
2 131 700 |
423 |
El tiempo neto de funcionamiento y mantenimiento del grupo del gasógeno y el motor electrogenerador, corresponde a medio día de trabajo del operario, dedicándose la otra mitad a las tareas de mantenimiento de otras partes del aserradero. Por lo tanto, sólo se asigna el 50% del salario del mecánico, o sea 1 400 G diarios, al grupo del gasógeno y generador electrice.
El coste de los lubricantes es alrededor de 0,84 G/kWh o sea 0,0067 US$/kWh.
Los repuestos para el sistema del motor y gasificador tienen un coste medio de 174 424 G al año, o sea el 13% del coste básico de inversión de los equipos (1 352 100 G).
Nota = 1 US$ = 126 G (1982).
Lo residuos del aserradero no tienen mercado y, por tanto, tampoco valor comercial, por lo que no se aplica coste para la materia prima como tal.
La preparación y manipulación del combustible para el gasificador originan sin embargo cierto coste. En el aserradero de Sapire el coste se compone de la forma siguiente:
|
Número de trabajadores |
Nivel de salario de empleado por hora |
Total horas de trabajo al día |
Coste diario de mano de obra para suministrar combustible |
|
3 |
250 G |
3 |
750 G |
|
máquina de aserrar, electricidad, etc. |
104 G | ||
|
Coste total de preparación de combustible, manipulación de la madera y carga del gasógeno, por día |
854 G | ||
COSTES POR DIA
|
Consumo medio de madera |
1 898 kg |
|
Costes totales de manipulación y carga de madera |
854 G |
|
Energía eléctrica producida |
463 kWh |
COSTES DE MADERA CORTADA POR KG
854/1 898,3 = 0,45 G
COSTE DE MADERA CORTADA POR kWh
854/463 = 1,80 G
El Cuadro 4.4. muestra los costes totales, mensuales y anuales, de funcionamiento. El coste marginal de producción de electricidad es de 8,17 G/kWh o 0,064 US$/kWh.
El consumo anual de electricidad en las cinco viviendas del personal del aserradero, con suministro gratuito de electricidad es de 4 500 kWh. El coste anual de esta partida, calculada a partir del coste marginal de producción de electricidad dado anteriormente, es de 36 765 G o 292 US$.
Cuadro 4.4. Resumen de costes de funcionamiento y mantenimiento del grupo del gasógeno y el motor electrogenerador
|
Partida del coste |
Costes mensuales G |
Costes anuales G |
|
Mano de obra de explotación | ||
|
1 operario de máquinas |
35 000 |
420 000 |
|
|
Total anual |
588 000 |
|
Combustibles | ||
|
Madera combustible, 569 490 kg a 0,45 |
|
|
|
Coste anual de combustible |
|
256 200 |
|
Lubricantes | ||
|
0,84 |
|
116 676 |
|
Repuestos del Motor, Generador y Gasificador de madera | ||
|
Coste anual de repuestos |
|
174 424 |
|
|
|
1 135 300 |
|
Producción anual de electricidad kWh |
|
138 900 |
|
Coste marginal de producción |
|
8,17 |
El Cuadro 4.5. presenta una comparación entre los costes de combustible cuando se emplean residuos de madera o gasoil, para la producción de electricidad, en el aserradero de Sapire.
El ahorro anual de costes de combustible es de 1 910 640 G ó 15 164 US$. Deduciendo los costes de mano de obra, lubricantes y repuestos, que se indican en el Cuadro 4.4. (y no tomando en cuenta tales costes para la planta con diesel) el ahorro total anual con el grupo electrógeno de gas de madera, es de 1 031 540 G o sea 8 186 US$, en comparación con el coste exclusivo del combustible gasoil.
Comparando esto con la inversión de capital (véase el Cuadro 4.2.) de 2 131 700 G, se demuestra que el tiempo de recuperación del capital es de menos de 2,5 años, con una tasa de interés del 10%.
Después de más de cuatro años de funcionamiento, es evidente que la utilización de un grupo electrógeno con gas de madera es una solución muy rentable para el problema de suministro de energía a este aserradero tan aislado.
Cuadro 4.5. Comparación de los costes de combustible del grupo electrógeno con gas de madera y del grupo electrógeno con diesel
Consumo y costes de combustible:
|
Consumo de madera |
kg/kWh |
4,1 |
|
Coste de madera |
|
0,45 |
|
Consumo de gasoil |
l/kWh |
0,26 |
|
Precio del gasoil |
|
60,0 |
|
Tiempo de trabajo del motor |
Producción kWh |
Consumo de gasoil (1) |
Coste de gasoil ( |
Consumo de combustible madera (kg) |
Coste de combustible madera ( |
Ahorros netos utilizando combustible madera ( |
|
1 día |
461 |
120 |
7 223 |
1 900 |
854 |
6 369 |
|
1 mes |
11 575 |
3 009 |
190 570 |
47 460 |
21 350 |
159 220 |
|
1 año |
139 900 |
36 114 |
2 166 840 |
569 500 |
256 200 |
1 910 640 |
