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5.- SOLUCIÓN 2: CALDERA DE BIOMASA

5.- SOLUCIÓN 2: CALDERA DE BIOMASA. La biomasa, sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal, era

la fuente energética más importante para la humanidad y en ella se basaba la actividad manufacturera hasta el inicio de la revolución industrial. Con la introducción de los combustibles fósiles el aprovechamiento energético de la biomasa fue disminuyendo progresivamente, llegando a caer prácticamente en desuso en el sector industrial.

No obstante, en los últimos años el panorama energético mundial ha

variado notablemente. El elevado coste de los combustibles fósiles y los avances técnicos que han posibilitado la aparición de sistemas de aprovechamiento energético de la biomasa cada vez más eficientes, fiables y limpios, han causado que esta fuente de energía renovable se empiece a considerar por las industrias como una alternativa, total o parcial, a los combustibles fósiles.

5.1.-Tipos de biomasa. Existen diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados

para suministrar la demanda de energía de una empresa, una de las clasificaciones más generalmente aceptada es la siguiente:

- Biomasa natural: es la que se produce espontáneamente en la naturaleza

sin ningún tipo de intervención humana. Los recursos generados en las podas naturales de un bosque constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa. La utilización de estos recursos requiere de la gestión de su adquisición y transporte hasta la empresa, lo que puede provocar que su uso sea inviable económicamente.

- Biomasa residual seca: se incluyen en este grupo los subproductos sólidos

no utilizados en las actividades agrícolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera y que, por tanto, son considerados residuos. Este es el grupo que en la actualidad presenta un mayor interés desde el punto de vista del aprovechamiento industrial. Algunos ejemplos de este tipo de biomasa son la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, el serrín, etc.

- Biomasa residual húmeda: son los vertidos denominados biodegradables:

las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines).

- Cultivos energéticos: son cultivos realizados con la única finalidad de

producir biomasa transformable en combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cynara cardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocarburantes, el miscanto, etc.

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- Biocarburantes: aunque su origen se encuentra en la transformación de la biomasa residual húmeda (por ejemplo reciclado de aceites), de la biomasa residual seca rica en azúcares (trigo, maíz, etc.) o de los cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por sus especiales características y usos finales, este tipo de biomasa exige una clasificación distinta de las anteriores.

Contenido energético de la biomasa:

Habitualmente, el contenido energético de la biomasa se mide en función

del poder calorífico del recurso, aunque para algunos de ellos, como es el caso de la biomasa residual húmeda o el de los biocarburantes, se determina en función del poder calorífico del producto energético obtenido en su tratamiento. La siguiente tabla recoge el poder el poder calorífico inferior (P.C.I.) a distintos contenidos de humedad de algunos de los recursos de biomasa más habituales.

Tabla 5.1. Poder Calorífico Inferior a distintos valores de humedad de algunos de los recursos de biomasa más habituales.

Por otra parte, como no se puede llevar a cabo la combustión directa de

la biomasa residual húmeda, su contenido energético puede determinarse en función del que posee el biogás generado en su digestión anaerobia. La cantidad de biogás producido y su contenido energético dependen de las características del sustrato tratado y de la tecnología empleada. En la siguiente tabla se muestra el potencial energético medio del biogás obtenido en la digestión anaerobia de algunos recursos.

Tabla 5.2. Contenido energético algunos recursos de biomasa residual húmeda.

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Por último, en el caso de los biocarburantes, éstos presentan un P.C.I.

ligeramente inferior al de los combustibles fósiles tradicionales, aproximadamente el 10%.

Tipos de industrias donde se puede utilizar.

Como se ha visto hasta ahora, multitud de recursos quedan agrupados

bajo el término genérico “biomasa”. Esta enorme variedad unida a la capacidad de adaptación de las tecnologías de aprovechamiento energético a los diferentes recursos existentes, causan que, en la actualidad, muchas de las actividades industriales podrían satisfacer toda o parte de su demanda energética con biomasa.

No obstante, para poder utilizar esta energía renovable es preciso

cumplir dos condiciones: - Disponer de una fuente de biomasa cercana a precios razonables: las

empresas que disponen en sus propias instalaciones de biomasa residual son las que, con mayor facilidad, pueden plantearse la posibilidad de un aprovechamiento energético puesto que suelen ser unos recursos con valor de mercado bajo o muy bajo, pudiendo incluso suponer el tener que deshacerse de estos residuos sea un coste para la empresa. Las empresas que no disponen de biomasa residual propia pueden adquirir ésta en el mercado. Aunque todavía no del todo desarrolladas, ya existen cadenas de distribución de estos recursos que permiten adquirirlos a un coste enormemente competitivo frente al de los combustibles tradicionales.

- Tener unos consumos energéticos suficientes para que la instalación sea

rentable: mientras que para el aprovechamiento de algunos tipos de biomasa en la generación de energía térmica, cualquier tamaño de instalación suele ser rentable, en el caso de producción de energía eléctrica o mecánica son necesarios unos consumos mucho más elevados.

5.2.- Aplicaciones energéticas. Con biomasa se puede generar energía térmica (agua o aire caliente,

vapor, etc.), energía eléctrica e incluso mecánica mediante el uso de biocarburantes en motores de combustión interna:

- Generación de energía térmica: El sistema más extendido para este tipo de

aprovechamiento está basado en la combustión de biomasa sólida, aunque también es posible quemar el biogás procedente de la digestión anaerobia de un residuo líquido o el gas de síntesis generado en la gasificación de uno sólido.

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- Generación de energía eléctrica: En función del tipo y cantidad de biomasa disponible varía la tecnología más adecuada a emplear para este fin:

Ciclo de vapor: está basado en la combustión de biomasa, a partir de la

cual se genera vapor que es posteriormente expandido en una turbina de vapor. Turbina de gas: utiliza gas de síntesis procedente de la gasificación de un

recurso sólido. Si los gases de escape de la turbina se aprovechan en un ciclo de vapor se habla de un “ciclo combinado”.

Motor alternativo: utiliza gas de síntesis procedente de la gasificación de

un recurso sólido o biogás procedente de una digestión anaerobia.

Tabla 5.3. Capacidades energéticas según las distintas tecnologías de producción de energía eléctrica.

- Cogeneración: Cuando una entidad presenta consumos térmicos y

eléctricos importantes se puede plantear la instalación de un sistema de cogeneración, consistente en la producción conjunta de energía térmica y eléctrica. Esta tecnología presenta como gran ventaja la consecución de rendimientos superiores a los sistemas de producción de energía térmica o eléctrica por separado.

Figura 5.1. Esquema del aprovechamiento energético y de las pérdidas de un sistema convencional de producción de electricidad y producción de energía térmica por vías separadas.

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Figura 5.2. Esquema del aprovechamiento energético y pérdidas de un sistema de cogeneración.

El principio de funcionamiento de la cogeneración se basa en el

aprovechamiento de los calores residuales de los sistemas de producción de electricidad comentados en el epígrafe anterior.

Aunque cada caso debe ser estudiado en detalle, en general la

cogeneración es adecuada para empresas con consumos de energía eléctrica importantes, con un factor de utilización elevado (más de 5.000 h/año) y donde sea posible aprovechar energía térmica a temperatura media (alrededor de 400-500º C).

Un sistema de cogeneración basado en la utilización de biomasa permite

disminuir el coste de la factura, tanto la eléctrica (existiendo la posibilidad añadida de venta del excedente de electricidad) como la de combustibles fósiles.

Tanto los sistemas de generación de energía eléctrica como los de

cogeneración requieren inversiones importantes, por lo que es preciso realizar un estudio muy cuidadoso y detallado antes de decidir implantarlos.

- Generación de energía mecánica: Los biocarburantes pueden ser

empleados en los motores alternativos de automóviles, camiones, autobuses, etc., sustituyendo total o parcialmente a los combustibles fósiles.

La utilización de biocarburantes es especialmente interesante en

industrias agrarias que dispongan de una adecuada materia prima para su producción (aceites reciclados, colza, girasol, maíz, trigo, pataca, etc.) y que puedan autoconsumirlos (por ejemplo en tractores), llegando a suponer importantes ahorros en la factura de los combustibles.

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Sistemas de aprovechamiento energético de la biomasa: Cuando se desea generar energía con biomasa se puede optar por

diferentes sistemas tecnológicos. La elección entre uno y otro depende de las características de los recursos, de la cuantía disponible y del tipo de demanda energética requerida. En general, los sistemas comerciales existentes en el mercado para utilizar la biomasa residual seca se pueden clasificar en función de que estén basados en la combustión del recurso o en su gasificación; los que aprovechan el contenido energético de la biomasa residual húmeda están basados en su digestión anaerobia y, por último, para ambos tipos de recursos, existen tecnologías que posibilitan la obtención de biocarburantes.

Como nuestro producto deseado es agua caliente, nuestro sistema de

aprovechamiento elegido es el basado en la combustión de la biomasa, que se tratara entonces de una biomasa residual seca.

A continuación vamos a hacer una breve introducción de los equipos y

de la planta en cuestión de dicho sistema.

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Planta de combustión de biomasa:

Con los equipos que en la actualidad existen en el mercado se pueden

conseguir rendimientos de combustión muy elevados, que pueden alcanzar en instalaciones de elevada potencia hasta el 95% si se acoplan equipos de recuperación de calor. Los avances tecnológicos conseguidos, tanto en los sistemas de alimentación de la biomasa como en los equipos de combustión, hacen que, en estos momentos, si se dispone de biomasa y es necesario cubrir una demanda térmica en la empresa, los equipos de combustión de estos recursos renovables sean tan eficientes, cómodos y competitivos como los basados en combustibles fósiles. En general, una planta de combustión de biomasa consta de los siguientes sistemas:

- Almacenamiento de combustible. - Transporte y dosificación del combustible al equipo de combustión. - Equipos y cámara de combustión. - Caldera (vapor, agua caliente, aceite térmico). - Recuperadores auxiliares de calor. - Depuración de gases. - Extracción de cenizas. Existen diferentes tecnologías para llevar a cabo la combustión de la

biomasa, caldera de parrilla, cámara torsional, combustor en lecho fluido, etc. En función de las características del recurso y de la demanda (energía a baja o a alta temperatura y cantidad de la misma a suministrar) es más idóneo uno que otros, pero en todos los casos, los últimos avances tecnológicos relacionados con el transporte y la alimentación de los recursos de biomasa a una planta de combustión, así como las mejoras de eficiencia y disminución de emisiones alcanzadas en las calderas, proporcionan tanta seguridad y confort como los sistemas basados en combustibles fósiles (gas natural, gasoil, propano, fuel, etc.)

Figura 5.3. Esquema planta de combustión de biomasa.

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• Evaluación de las fuentes de combustibles en una planta de

combustión de biomasa. Variabilidad es la palabra que caracteriza mejor la calidad de los

biocombustibles. En efecto, los combustibles fósiles (gas natural, petróleo, carbón), comercializados por las grandes sociedades de energía son productos uniformes y normalizados, a menudo fuertemente enriquecidos.

Sin embargo, la mayor parte de los biocombustibles, que no tienen que

satisfacer las normas nacionales, son distribuidos “tal cual”, sin grandes transformaciones. Habitualmente son ofertados por pequeños proveedores, y el aprovisionamiento a largo tiempo no está garantizado. Debemos entonces comprobar que existen suficientes proveedores para garantizar el aprovisionamiento necesario. Además, ya que la calidad puede variar de un proveedor a otro, de un año a otro e incluso de un lote a otro, hace falta precisar todas las especificaciones de los biocombustibles y las otras opciones, en caso de no respeto del contrato.

Esta variabilidad impone evaluar, para todo aprovisionamiento de

biocombustible, las características siguientes: contenido en humedad, contenido en cenizas, poder calorífico, tipo de combustible, fuente de aprovisionamiento y distribución. Todos estos factores tienen un impacto sobre el tipo de instalación de caldera de biomas a elegir, así como del precio del aprovisionamiento del biocombustible.

Contenido en humedad La mayor parte de los biocombustibles contienen más o menos algo de

humedad. El contenido en humedad es normalmente la relación entre el peso del agua y el peso total del combustible húmedo, exprimido en porcentaje. En los contratos de aprovisionamiento, será entonces importante establecer un valor del contenido de humedad del biocombustible. Una humedad excesiva trae numerosos inconvenientes:

• Aumento de los costes. La masa del agua hace que aumente el coste de la

manutención y del transporte, sin aportar energía adicional. • Pérdida de rendimiento. El calentamiento del agua y su transformación

en vapor consumen energía térmica, que es sustraída del calor producido por la combustión de la biomasa. Los sistemas de calentamiento que queman combustibles con fuerte contenido en humedad tienen un tiempo de respuesta más lento mientras que la demanda de calor aumenta.

• Aumento de las emisiones. En las instalaciones de calentamiento de base

de débil potencia, la humedad perjudica la oxidación del combustible, lo que

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produce fuertes emisiones de monóxidos de carbono y de hidrocarburos inquemados. Sin embargo, las instalaciones de alta temperatura pueden quemar biocombustibles húmedos sin aumento de emisiones.

• Aumento de peligros para el medio ambiente. Los biocombustibles

húmedos pueden generar una actividad biológica que da lugar a un empobrecimiento del oxígeno en los lugares de almacenamiento cerrado, la liberación de esporas de mohos y de reacciones exotérmicas pueden inducir una combustión espontánea. Por otra parte, la manutención de materias combustibles muy secas produce polvos que crean un riesgo de incendio.

Contenido en cenizas El contenido en materias orgánicas no combustibles (minerales) de la

biomasa es generalmente llamado « contenido en cenizas ». Esta puede ser inherente, es decir, que vienen de materias que son acumuladas en la biomasa durante el crecimiento de la planta, o bien contaminantes, provenientes de materias exteriores mezclados con la biomasa. Los contenidos en cenizas de la primera categoría son generalmente débiles y varían el tipo de combustible dado, entre un 0,5 % y un 8 %. Sin embargo, los contaminantes dependen del origen del combustible, del modo de manutención y del grado de limpieza desde su preparación. Normalmente se exprimen en contenido seco, es decir, porcentaje de peso de cenizas entre el peso total del combustible seco.

Las cenizas pueden causar diversos problemas. No producen energía e

incluso pueden producir una pérdida de ésta si las eliminamos en caliente. Los problemas son más graves cuanto más cantidades de cenizas fundidas y aglomeradas bloqueen las rejillas o los tornillos sin fin. Los combustibles con fuerte contenido en álcalis pueden dañar las tuberías de las calderas si estas sustancias alcalinas vaporizadas se depositan en forma de escorias en los intercambiadores de calor.

Poder calorífico La cantidad de energía liberada por la combustión depende de las

proporciones relativas de carbono, hidrógeno y oxígeno en el combustible, así como de su contenido en cenizas y humedad. La biomasa presenta generalmente plagas similares de carbono, oxígeno e hidrógeno, con una cierta variación ligada a su origen.

5.3.- Ventajas e inconvenientes de la biomasa. El empleo energético de la biomasa presenta numerosas ventajas, no sólo

para el propietario de la instalación de aprovechamiento, también para el conjunto de la sociedad. En el primero de los casos, las ventajas mencionadas son fundamentalmente económicas ya que se disminuye la factura energética al reducir la cantidad de combustibles que se debe adquirir del exterior. En el

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segundo de los casos, el uso de la biomasa presenta, al igual que ocurre con otras energías renovables, numerosas ventajas medioambientales y socioeconómicas.

Ventajas ambientales: - Se considera que todo el CO2 emitido en la utilización energética de la

biomasa había sido previamente fijado en el crecimiento de la materia vegetal que la había generado, por lo que no contribuye al incremento de su proporción en la atmósfera y, por tanto, no es responsable del aumento del efecto invernadero.

- La biomasa tiene contenidos en azufre prácticamente nulo,

generalmente inferior al 0,1%. Por este motivo, las emisiones de dióxido de azufre, que junto con las de óxidos de nitrógeno son las causantes de la lluvia ácida, son mínimas.

- Por otra parte, el uso de biocarburantes en motores de combustión

interna supone una reducción de las emisiones generadas (hidrocarburos volátiles, partículas, SO2 y CO).

- Por último, el empleo de la tecnología de digestión anaerobia para

tratar la biomasa residual húmeda además de anular su carga contaminante, reduce fuentes de olores molestos y elimina, casi en su totalidad, los gérmenes y los microorganismos patógenos del vertido. Los fangos resultantes del proceso de digestión anaerobia pueden ser utilizados como fertilizantes en la agricultura.

Ventajas socioeconómicas: - El aprovechamiento energético de la biomasa contribuye a la

diversificación energética, uno de los objetivos marcados por los planes energéticos, tanto a escala nacional como europea.

- La implantación de cultivos energéticos en tierras abandonadas evita la

erosión y degradación del suelo. La Política Agraria Comunitaria (PAC) permite la utilización de tierras en retirada para la producción de cultivos no alimentarios, como son los cultivos energéticos.

- El aprovechamiento de algunos tipos de biomasa (principalmente la

forestal y los cultivos energéticos) contribuyen a la creación de puestos de trabajo en el medio rural.

Inconvenientes: la utilización energética de la biomasa presenta, debido a sus características, pequeños inconvenientes con relación a los combustibles fósiles:

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- Los rendimientos de las calderas de biomasa son algo inferiores a los de

las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso. - La biomasa posee menor densidad energética, o lo que es lo mismo,

para conseguir la misma cantidad de energía es necesario utilizar más cantidad de recurso. Esto hace que los sistemas de almacenamiento sean, en general, mayores.

- Los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas

son más complejos y requieren unos mayores costes de operación y mantenimiento (respecto a las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso). No obstante, cada vez existen en el mercado sistemas más automatizados que van minimizando este inconveniente.

- Los canales de distribución de la biomasa no están tan desarrollados

como los de los combustibles fósiles (sólo aplicable en el caso de que los recursos no sean propios).

- Muchos de estos recursos tienen elevados contenidos de humedad, lo

que hace que en determinadas aplicaciones puede ser necesario un proceso previo de secado.

5.4.- Presentación biomasa en España y Europa.

Biomasa en España.

En 2004, la biomasa representó más del 50 % del consumo total de las

energías renovables en España. El 75 % se destinó a la producción de biocarburantes. En 2004 había 344 MW de biomasa instalados para generar electricidad. La potencia en centrales que queman RSU llegaba a 189 MW y había otros 141 MW en plantas de biogás. En cuanto a biomasa con fines térmicos, los datos oficiales hablan de 3.487 ketp, aunque estos números son difíciles de manejar debido la lógica dispersión de la biomasa para este tipo de usos. El principal sector que la utiliza es el doméstico (54,45%), seguido del pastero – pastelero (17,93%), el de muebles, madera y corchos (11, 51%) y el de alimentación y bebidas (7,92%), según los datos de la IDAE.

A pesar de estas cifras, la participación de la biomasa en el balance

energético español es muy reducida, lo que es muy preocupante habida cuenta que, a las ventajas comunes al resto de energías renovables, añade su carácter de energía modulable, además de intensificar como contribuir al equilibrio socioeconómico, fijando a la población en el ámbito rural.

Así mismo, la biomasa es la única fuente renovable capaz de

proporcionar combustibles sólidos, líquidos y gaseosos para ser utilizados en la

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producción de calor, electricidad y biocarburantes en el sector del transporte. Analizando la evolución de las distintas fuentes de energía desde 1999, sólo 3 lo han hecho, hasta la fecha de forma satisfactoria: la eólica, los biocarburantes y el biogás. Por lo que se refiere a la biomasa eléctrica, que suponía el 63 % del objetivo global del incremento del consumo de energías renovables en el PFER, al final del 2004 el grado de avance se situaba en tan sólo el 9 %.

El nuevo Plan de Energías Renovables (PER), plantea contar con 1.695

MW más de biomasa para usos eléctricos hasta alcanzar los 2.039 MW en 2010, lo que traducido a energía primaria equivaldría a 5.138 ktep. El apoyo de la co-combustión (combustión conjunta de biomasa y un combustible fósil), un incremento de la retribución a la electricidad generada y la potenciación de la Comisión Interministerial de la Biomasa (órgano que se creó con la intención de llegar a acuerdos entre los numerosos departamentos implicados en el desarrollo de la biomasa), tratarán de dinamizar el mercado comercial.

En biomasa térmica, el objetivo de incremento hasta 2010 asciende a 583

ktep, con lo que se lograría llegar a 4.070 ketp. Para ello se plantean medidas favorecedoras, como el apoyo a la inversión en equipos domésticos, la mayor disponibilidad de recursos forestales mediante el desarrollo de la Ley de Montes, y la mejora de recogida, transporte y tratamiento de la materia prima.

Para cumplir los objetivos del PER el desarrollo de las renovables, y en

especial la biomasa, debería estar unido a un mayor esfuerzo en eficiencia energética, junto con un incremento en los recursos dedicados a la investigación, desarrollo e innovación tecnológica.

Biomasa en la Unión Europea.

En otros países europeos la situación es bastante mejor. Según el

barómetro del consorcio europeo Eurobserv’ER, que aporta datos del año 2003, la biomasa de origen forestal lidera las energías renovables y representa más de la mitad de la producción de energía primaria en la Unión Europea. Entre los países europeos que utilizan este recurso energético, destacan Finlandia, Francia, Alemania y Suecia, países en los que, además, ha contribuido a aumentar los puestos de trabajo.

Según las previsiones de la Comisión Europea, el aporte de energía

debido a la biomasa (incluyendo los RSU) en 1995, estimado en 44,8 Mtep, debería pasar a ser de 135 Mtep en el año 2010, es decir, un incremento de 90 Mtep, lo que equivale al 83,8 % del incremento global de las energías renovables. Según estos datos, la biomasa debería triplicar su contribución actual para lograr el objetivo propuesto. Para conseguir alcanzar la producción de energía procedente de biomasa propuesto por el Libro Blanco, la Comisión basa su estrategia en la siguiente distribución:

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-45 Mtep de cultivos energéticos. -30 Mtep procedentes de residuos agrícolas y forestales. -15 Mtep procedentes de biogás.

De la energía generada mediante cultivos energéticos, 18 Mtep podrían ser en forma de biocombustibles líquidos y los 27 restantes en forma de biomasa lignocelulósica, producida mediante cultivos energéticos de tipo leñoso o herbáceos, según las posibilidades de cada país. La Comisión Europea propone la utilización de un total de unos 10 millones de hectáreas de tierras agrícolas de la UE para esta finalidad, lo que supone un 7,1 % de las tierras potencialmente cultivables de la UE, cuya superficie global se estima en 114 millones de hectáreas.

5.5.- Cálculo potencia nominal de la caldera de biomasa necesaria para

nuestra instalación. Como ya se ha comentado en el apartado 2.2, para el cálculo de la

potencia nominal necesaria nos hemos basado en el contador de calor del año 2006. Se ha tenido en cuenta la estación de verano desde el 2 de mayo al 30 de octubre, según el contador de calor:

Potencia consumida = 550,86 MWh. Si tenemos en cuenta los edificios que se van a añadir a partir del

invierno 2007, uno de ellos consumirá unas 1,5 veces las necesidades de hoy, el otro necesita aproximadamente la mitad. Las estimaciones de las necesidades energéticas para el año próximo serán:

P = 550,86 + 550,86*1,5 + 550,86/2 = 1652,58 MWh Además habrá que tener en cuenta las pérdidas de toda la red de

distribución (tuberías, codos,...). Como estimación se ha tomado un 20% de pérdidas de la potencia consumida actualmente. Sin embargo este valor se va a tomar como constante para los cálculos de la potencia necesaria a partir del año 2008 con los nuevos edificios, ya que el aumento de pérdidas debido a un aumento del caudal puede ser despreciado, debido a que la red de distribución será la misma. Las pérdidas serán entonces:

Pérdidas = 0,20 * 550,86 = 110,17 MWh Se ha tomado un rendimiento de la caldera del 70%, según los

rendimientos de la tabla 2.1, la potencia estimada a producir será de:

P útil a producir = (P + Pérdidas) / 0,70 MWh P útil a producir en verano 07 = (550,86 + 110,17) / 0,70 = 944,33 MWh P útil a producir a partir verano 08= (1652,58 + 110,17)/0,70 = 2518,21 MWh

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Para un funcionamiento de 24 horas durante los 182 días de este periodo (2 mayo – 30 octubre): P a producir en verano 07 = 944,33 MWh / (24h/d * 182d) * 103 = 216,19 kW P a producir en verano a partir 08 = 2518,21 MWh / (24h/d * 182d) * 103 = 576,51 kW

Vamos a hacer nuestro primer estudio con una caldera de biomasa de

una potencia nominal de unos 600 kW. Vamos a ver los distintos elementos que constituyen una caldera de biomasa, así como toda la red de distribución necesaria para hasta nuestra red principal, desde donde se distribuirá hasta los clientes.

Como último paso calcularemos la inversión de la instalación y su

tiempo de retorno, para estudiar la rentabilidad de su instalación. 5.6.- Instalación caldera de biomasa de potencia nominal 600 kW. Una vez calculada la potencia necesaria de la caldera, nos hemos puesto

en contacto con diferentes proveedores de calderas de biomasa. Nuestros datos de partida son los siguientes:

Fluido caloportador....................................................... Agua caliente Temperatura máxima de salida.....................................110°C Temperatura de salida regulable entre.........................85°C à 105°C Temperatura mínima de retorno...................................70°C Presión máxima de servicio............................................6 bares Potencia nominal..............................................................600 KW Dentro de las distintas ofertas recibidas de los distintos proveedores, la

más adecuada para nuestras necesidades es la que nos hace la sociedad COMPTE.R, además de la más económica.

5.6.1.- Caldera y sus elementos. A continuación vamos a numerar y describir las distintas operaciones

incluidas en la caldera de biomasa, así como los elementos que intervienen y sus características técnicas:

Puesto I.- Alimentación automática. - Silo: para almacenar el combustible, será realizado en hormigón. Características: · Longitud: 12 m · Ancho: 3 m · Altura máxima de almacenamiento: 3,5 m · Volumen útil: 110 m

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- Extracción del silo: -Extractor de gato hidráulico: la extracción se realiza

a partir del silo específico. El extractor esta compuesto de varios módulos recubriendo la totalidad de la superficie del silo. Cada modulo está compuesto de una parte fija y una móvil accionada por un gato hidráulico.

Características: · Número de módulos: 2 · Ancho de módulo: 1,5 m · Diámetro del gato de empuje: 180/80 · Central: Caudal de aceite: 6 l/min Capacidad depósito: 25 l Potencia eléctrica: 2,2 kW

Imagen 5.1. Extractor del combustible en el fondo del silo. - Transferencia extracción/caldera: elemento para transportar el

combustible hasta el dispositivo de introducción de la caldera. Está formado por un conjunto de 2 tornillos sin fin:

Características: · Diámetro de rosca: 180 mm · Paso de rosca: 180 mm · Espesor de rosca: 7 mm · Sección: 220 x 220 mm Tormillo n°1 · Longitud del tornillo: 3,5 m · Potencia motriz: 1,5 kW Tornillo n°2 · Longitud tornillo: 8 m · Potencia motriz: 1,5 kW

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Puesto II.- Introducción + Producción y Recuperación del calor. - Caldera e intercambiador de calor: cámara de combustión e

intercambiador de calor para Este dispositivo comprende: · Un dispositivo corta fuego: chapaleta accionada por servomotor de

cierre automático en caso de falta de corriente. · Un depósito de alimentación con detección de nivel y seguridad de

incendio por válvula termostática con capilar y bus de pulverización. · 1 tornillo de introducción del combustible en el hogar. Diámetro

tornillo: 180 mm. · Caldera de agua caliente, con hogar integrado, comprendiendo: - Una rejilla accionada por una central hidráulica, - Los ventiladores de aire primario y secundario, sus registros,

- Un intercambiador térmico de seguridad agua/agua integrado en la caldera,

- Los diferentes captadores, medidores de regulación y mandos de accionamiento.

- La camisa refrigerante del conjunto.

Características principales: · Longitud: 5290 mm · Ancho: 1860 mm · Altura: 3030 mm · Peso en vacío: 8250 kg · Volumen de agua: 2700 l · Peso en marcha: 10950 kg · Superficie de combustión: 1,2 m2 - Conjunto separador de partículas: elimina las partículas sólidas de los

gases de combustión, se trata de un conjunto de multiciclones comprendiendo: - Un separador de partículas multiciclones, para desechos de partículas inferiores a 150 mg Nm3 - 1 ventilador de extracción de gases (potencia: 4 kW), - Una regulación de depresión asegurada por variador de frecuencia,

Puesto III.- Evacuación de gases. - Una chimenea autoportante de doble pared con aislamiento térmico: Características: · Diámetro interior: 356 mm · Altura: 12 m

Nota: La altura mínima de la chimenea debe ser 5 veces mayor que los obstáculos vecinos.

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Puesto IV.- Evacuación de cenizas y hollines. - Evacuación automática de cenizas y hollines por tornillos sin fin en

contenedores separados: eliminación de las cenizas y partículas generadas mediante la combustión. Está formado por dos tornillos sin fin:

- Un tornillo al principio de la rejilla para la evacuación de cenizas: · Diámetro: 120 mm · Potencia motriz: 1,1 kW · Capacidad del contenedor de cenizas: 240 L · Número de contenedores de cenizas: 2 - Un tornillo bajo el separador de partículas para la evacuación de

hollines: · Diámetro: 100 mm · Potencia motriz: 0,25 kW · Capacidad del contenedor de cenizas: 240 L · Número de contenedores de cenizas: 2 -Deshollinador automático continuo por aire comprimido de los tubos de

la caldera: la puerta del deshollinador del intercambiador está constituido por tubos de insuflación de aire comprimido, situados en frente de los tubos de los gases. El funcionamiento de los buses es controlado por electroválvulas mediante un sistema de secuencias, con el fin de insuflar de una manera regular el aire a presión dentro de los tubos y evitar el depósito de partículas. Comprende:

· Buses y electroválvulas, · Cuba de almacenamiento de aire, Características compresor de aire: 9 bares - 18 m3/h - 1,5 kW Puesto V.- Automatismos. - Regulación modulante de potencia y optimización de la combustión por

autómata programable: automatismos necesarios para la regulación de los distintos parámetros involucrados en la combustión, con el fin de asegurar un buen rendimiento de combustión y un buen sistema de seguridad ante anomalías en el funcionamiento. Comprende:

- 1 autómata programable con regulaciones integradas, - 1 conjunto de regulaciones: temperatura de agua de salida, temperatura

de combustión, depresión hogar, tasa de oxígeno, - 1 conjunto de seguridad: temperaturas de agua, hogar, gases, válvula

termostática, - 1 conjunto de registros y servomotores.

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- Módem para telemantenimiento. Este módem permite al servicio de soporte técnico conectarse a distancia

al autómata con el fin de efectuar un diagnóstico de avería o un reglaje específico.

Figura 5.4. Esquema de la caldera.

En el siguiente esquema se puede observar la caldera con sus diferentes

elementos: - Dispositivo de introducción del combustible mediante tornillo sin fin. - Cámara de combustión, donde entra el combustible y el aire primario y secundario. En el fondo de la caldera se encuentra una rejilla móvil, que distribuye la carga para una mejor combustión, así como las cenizas para su eliminación. - Eliminador de partículas de los gases. - Ventiladores de aire primario y secundario. - Tornillos sin fin parar recuperación de cenizas y hollines. - Deshollinador automático para limpieza de tubos del intercambiador. En el esquema siguiente se observan todos los elementos de la instalación

de la caldera de biomasa.

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Figura 5.5. Esquema de la instalación. Caldera más silo de almacenamiento y elemento

de transferencia del combustible.

Condiciones particulares de utilización: - La temperatura mínima de retorno a la entrada de la caldera deberá ser

superior a 70º C, es necesario prever un dispositivo permitiendo el respeto de esta condición.

- El caudal mínimo de irrigación de la caldera en m3/h será de P/46 (P=

potencia útil expresada en kW). La pérdida de carga de la caldera para este caudal es de 0,01 bares.

- Para evitar los de agua incontrolada, hace falta un contador de agua.

Este contador existe ya en nuestra instalación principal del grupo caliente. -El agua a tratar en la caldera debe tener unas condiciones de calidad

determinadas, que son: Dureza total: …………………… inferior a 1º F PH a 20º C: ………………………entre 9 y 10 Contenido en oxígeno: …………inferior a 0,1 mg/l Este tratamiento de agua está ya presente en nuestra red principal, para

las calderas de gas ya existentes.

53


Datos generales de construcción: Fluido caloportador: Agua caliente Temperatura máxima de salida: 110°C (regulable termostato de seguridad) Presión de timbre: 4 bares (taraje de válvulas) Temperatura de salida regulable: de 85°C a 105°C Temperatura mínima de retorno: 70°C Presión máxima de servicio: 3,5 bares

Potencia nominal en función del PCI y rendimientos de la caldera propuesta:

Potencia útil kW Humedad % PCI kWh/t Rendimiento % 640 30 3400 83 620 35 3100 82,5 590 40 2800 81 560 45 2500 80,5 510 50 2200 80 Para los cálculos posteriores tomaremos el rendimiento de la caldera más

desfavorable, es decir, µ = 80 %.

Combustible considerado por el proyecto: Naturaleza: Desechos de maderas verdes

calibradas (Plaquetas, cortezas, maderas molidas…).

Humedad media por masa bruta: 45% PCI medio por masa bruta: 2500 kWh/t Granulometría media: 50 x 50 x 10 mm Granulometría máxima: 80 x 50 x 20 mm Masa volumétrica media: 300 kg/m3 Tasa de cenizas media: 2%

Proveedor de nuestro combustible. Una de las características más importante de los combustibles es la

granulometría, ésta dependerá del tipo de sistema de extracción y de transporte del combustible. La granulometría media más adecuada para nuestro equipo según el fabricante es de 50 x 50 x 10 mm. Como proveedor del combustible para nuestra caldera nos hemos puesto en contacto con CAFSA. CAFSA es una cooperativa agrícola y forestal de la región francesa de Aquitania, en la cual se encuentra Burdeos. Estas son las características del combustible que puede suminístranos según las condiciones que necesitamos:

54


Plaquetas forestales salidas de bosques resinosos y de hojas. Granulometría media: 50*50 *10 mm Humedad media: 30 à 45 % (humedad bruta) Masa volumétrica : entre 0.30 et 0.35 t/map Tasa de cenizas < 3% PCI medio: 2700 kWh/t Label PEFC (para un mínimo de 60% del volumen repartido) que prueba

el origen del producto a partir de parcelas forestales administradas según las reglas internacionales de gestión durable.

Emisiones atmosféricas.

El material propuesto permite respetar los valores siguientes, según la

normativa francesa, Garantie de Rejets Atmosphériques ( Bois Biomasse- decreto del 25 Julio modificado el 10 Agosto 1998) :

Partículas con multiciclones : .............................150 mg/Nm3

Monóxido de Carbono (CO): .............................250 mg/Nm3

Compuestos Orgánicos Volátiles (COV): ..........50 mg/Nm3

Óxidos de Azote (NOx): .....................................500 mg/Nm3

Dióxidos de Azufre (SO2): .................................200 mg/Nm3

Nota: Valores expresados para un 11 % O2 en base gas seco

Problemas de la oferta de la caldera de biomasa: presión máxima, silo enterrado.

Podemos encontrar dos inconvenientes importantes en estos datos

recibidos: - Presión máxima de servicio: 3,5 bares. En nuestra red principal del grupo caliente tenemos una presión de 6

bares. Para unir las distintas redes de diferentes presiones nos valdremos de una botella de equilibrio, la cual diseñaremos más adelante según nuestro diámetro de tubería y el caudal de agua.

- Silo enterrado.

El silo propuesto por COMPTE es un silo enterrado, de un volumen útil

de 110 m3. Sin embargo, el terreno donde se encuentra el centro técnico tiene problema de filtraciones de agua, y un nivel freático muy alto, con lo que podría causar un aumento en la humedad de nuestro combustible. Esto se traduciría en una disminución del poder calorífico y una importante reducción del rendimiento.

55


Hemos estudiados diferentes tipos de almacenaje del combustible: -Contenedores móviles: Cada contenedor está equipado de un sistema de extracción que se

acopla muy fácilmente al sistema de transferencia del combustible. Las características técnicas de estos silos, ofertados por COMPTE son las

siguientes: Longitud: 5,5 m Acho: 2,5 m Altura: 2,3 + 0,25 (con carga) m Volumen útil: 32 m3

El principal inconveniente de esta opción es el elevado coste de estos silos.

-Edificio-silo para descarga de camión en su interior: Otra posibilidad que hemos estudiado es la construcción de un edificio

que sirva a su vez de silo, es decir, un edificio con un sistema de extracción en su interior, que permita llevar el combustible al sistema de transporte hacia la caldera, pero con las dimensiones suficientes para permitir la entrada de un camión, y que éste pueda descargar en el interior del edificio.

Con esta opción aprovecharíamos el edificio necesario para cubrir

nuestra caldera y sus elementos como el propio silo. Sin embargo, tendríamos que contar con unas dimensiones del edificio muchos mayores, que tuvieran en cuenta tanto las dimensiones del camión así como sus maniobras a realizar a la hora de descargar. El edificio tendría que tener un ancho de al menos 3 metros para contar con el ancho de los extractores, y una longitud de mínimo 15 metros, para la entrada y descarga del camión.

Finalmente hemos optado por la opción de contenedores móviles, debido

a la menor complicación de instalación, y a una buena oferta de nuestro proveedor de la caldera. Además este tipo de silo contiene el sistema de extracción en su interior.

5.6.2.- Distribución del agua hasta la red principal:

Cálculo del diámetro de tubería necesario : Para el cálculo del diámetro vamos a tener en cuenta el caso más

desfavorable, es decir, vamos a calcular el caudal máximo que podríamos tener.

56


Para ello tomaremos la potencia máxima y la diferencia de temperatura mínima:

Pmax = 640 kW Tagua salida= 85-105°C Tagua retorno= 70°C ∆Tmin= 85 – 70 = 15 °C

TCQmP p∆=

sKgTC

PQmp

/2,1015*18,4

640==

∆=

hmKg

mh

ssKg /72,361000

1*1

3600*/2,10 33

=

A partir de este caudal y con una pérdida de carga de 20 mmca/m

tubería, entramos en el ábaco (Ver Anexo 2: ábaco) para ver el diámetro necesario.

Vemos que se trata de un diámetro DN 100 (114,3 mm dext * 3,6 mm esp)

Botella de equilibrio:

Como habíamos comentado anteriormente, uno de los principales problemas es la diferencia de presión entre nuestra red principal, donde se encuentran las calderas de gas, 6 bares, y la máxima presión de servicio de nuestra red secundaria, 3,5 bares. Para solucionar esto vamos a instalar una botella de equilibrio entre ambas redes de distribución. Existen determinadas reglas para dimensionar esta botella:

- debe ser vertical, - no debe ser demasiado estrecha, para evitar una doble circulación en

la botella y evitar que se impida la transmisión de la potencia de la caldera a los circuitos secundarios,

- para evitar esto, vamos a dimensionar la botella según la regla de 3d, siendo d igual al diámetro nominal. El desnivel entre las conexiones hacia la caldera de biomasa y hacia el circuito de nuestra red primaria tiene como objetivo limitar las turbulencias y los riesgos de doble circulación.

- Se instalará una válvula manual en la parte superior, para desgasificar en caso necesario; así como una purga en el fondo para evacuar las posibles deposiciones sólidas debidas a una débil circulación del agua.

57


Dimensionado de la botella de equilibrio:

3d

Figura 5.6. Dimensionado de la botella de equilibrio.

Bomba Para seleccionar el tipo de bomba centrífuga, necesitamos conocer la

altura y el caudal que deseamos obtener. Para ello, hay que estudiar la pérdida de carga de la caldera. Este dato viene dado por el fabricante y se trata de 0,01 bares para un caudal de P/4 m3/h (P= kW). Para la potencia máxima de 640 kW, el caudal será de 13,9 m3/h.

Si comparamos este caudal con el de nuestra instalación, 36 m3/h

(calculado anteriormente), hemos estimado la pérdida de carga en 1 bar, que incluya también las pérdidas debidas a la red de distribución. Con esta presión, la altura de la bomba será:

P = ρ g h

h = 105/ (1000*9, 8) ≈10 metros

Necesitamos entonces una bomba para un caudal de 36 m3/h y una

altura de 10 metros.

Regulación y válvulas.

d=100 3d

>3d=6d

3d = 300

3d 3d

1800

Cotes : mm

58


3 bares 6 6 bares

70°C

85-105°C

Caldera Botella de equilibrio

T3

T1

T2

P

En la oferta de la caldera, nuestro fabricante nos exigía unas condiciones particu

isponer de un dispositivo que asegure la condición de que la tempe

na temperatura mínima del agua a distribuir de 85°C (T2), C (T3),

en

odemos verlo con más detalle en el esquema a continuación:

igura 5.7. Esquema de principio de la instalación. Regulación y válvulas.

demás de ésta regulación, la caldera viene equipada con un equipo de regula

ambién serán necesarios termómetros y manómetros en todas las corrien

Localización de la caldera en la parcela perteneciente a Elyo.

lares de utilización: Dratura mínima de retorno en la entrada de la caldera sea superior a 70 °C.

Para controlar esta temperatura (T1), se ha propuesto instalar una válvula de dos vías, y también regular los siguientes parámetros:

-U-Una temperatura de sobrecalentamiento en la caldera de 110°-Un presostato falta de agua, para asegurar una presión mínimanuestra red. P

F Ación que se encarga de controlar la temperatura de salida del agua, la

temperatura de combustión, la depresión del hogar y la tasa de oxígeno. Ttes de entrada y salida, así como válvulas simples que pueden verse en

el esquema anterior.

59


dificio de la caldera-E :

ay que diseñar un edificio para cubrir nuestra caldera así como otros elemen

egún los datos facilitados por el fabricante, las dimensiones de nuestra calder

Figura 5.8. Dimensiones de la caldera de biomasa de 600 kW.

iendo:

1 = 1490 mm

abrá que tener en cuenta el espacio para la bomba, tuberías en el interio

as dimensiones de nuestro edificio serán de 6 m. de ancho, 10 m. de largo y

mplantación de la caldera de biomasa:

Htos de interés, como la bomba. Además habrá que tener también en

cuenta este edificio a la hora de calcular la inversión de la instalación. Para calcular sus dimensiones, vamos a ver las dimensiones de la caldera, la bomba, y la longitud de la tubería que irá en el interior.

Sa son las siguientes:

S AA2 = 1860 mm L1 = 1460 mm L2 = 3830 mm H1 = 2420 mm H* = 3030 mm Hr, así como la entrada de operarios para mantenimiento de la caldera. L una altura entre 4 y 5 m. -I

60


El principal criterio a seguir a la hora de elegir la ubicación de nuestra

calder

in embargo tendremos que tener en cuenta diversos factores. Por una parte,

egún las diferentes condiciones descritas en los párrafos anteriores, y tras d

Longitud de tuberías:

a será que esté situada lo más próxima a nuestra red principal, al punto donde vamos a remontar nuestra red de la caldera de biomasa con la existente en la actualidad. De esta manera se intenta reducir lo máximo posible los costes en la red de tuberías, así como la pérdida de carga debido a la distribución.

Sla posible entrada del camión de reparto del combustible, así como sus

maniobras para poder llegar hasta los silos y descargar. Además, como norma de seguridad, deben existir al menos 10 metros entre nuestra nueva instalación y los edificios ya existentes en la zona.

Siferentes propuestas, se ha establecido el plano de implantación. La

solución adoptada finalmente es la solución 6. Ver Anexo 1: P5, P6. -

na vez ubicada nuestra caldera se ha procedido al cálculo de las longitu

-Longitud de tubería interior : 40 m, de los cuales 14 m estarán dentro del edifici

Longitud tubería enterrada: 65 m

ara el cálculo del presupuesto tendremos que tener también en cuenta el aisla

-Asfalto

Udes de las tuberías. Se ha diferenciado entre la red de tuberías interior, la

que irá dentro de los edificios de la caldera de biomasa y de las calderas de gas, y la red enterrada, que irá bajo tierra desde el edificio de la caldera de la biomasa hasta donde se encuentra el grupo caliente. Ver Anexo 2: P7

o correspondiente de la caldera de biomasa , y los 26 m. restantes en el interior del edificio ya existente de nuestras calderas de gas.

- Pmiento térmico, los codos y otros detalles.

:

a que en nuestra parcela el camión tendrá que hacer maniobras, hará falta a

5.6.3.- Cálculo del consumo anual de combustible y suministro del mismo.

Ysfaltar una superficie suficiente para esto, según nuestro distribuidor de

combustible, los camiones necesitarán al menos una superficie de 25 m * 25 m. A partir de nuestro plano de localización de la caldera, se ha calculado una superficie a asfaltar de 650 m2, y un perímetro de 140 m. Ver Anexo 2: P7.

61


r las necesidades de madera, necesitamos las características

medias de nuestras plaquetas recibidas por el proveedor:

asa volumétrica = 300 Kg/m3.

cuenta la potencia útil a producir para el verano de 2007 calculada en el apartado 5.5:

Para calcula

PCI = 2700 KWh/t M Si hacemos el cálculo teniendo en

mesestmaderamesestmaderatkWh

MWh 6/3506/75,349/2700

1033,9443

=× ≈

mesesmaderammesesmaderammtt 6/11706/67,1166

/3'0350 33

3 ≈=

Y según la estimación para el verano próximo:

mesestmaderamesestmaderatkWh

MWh 6/9356/67,932/2700

1021,3

=×2518 ≈

mesesmaderammesesmaderammtt 6/31206/67,3116

/3'0935 33

3 ≈=

Se pedirá presupuesto al proveedor CAFSA para una cantidad de 1000 t

e plaquetas forestales durante un periodo de 6 meses.

trega del combustible vamos a calcular

rimero el caudal diario.

d - Suministro del combustible.

Para calcular la frecuencia de enp

díamdías

mesesmesestmaderam3120 3 /14,1718266/ 3=

Luego para un volumen de 32 m3y un caudal calculado de 17,14 m3/día,

la autonomía de cada contenedor será:

díasdíasdíam

m32 3

= 287,1/14,17 3 <

62


Esta autonomía es demasiado baja, ya que no llega ni a dos días, tendremos que añadir un segundo contenedor si queremos asegurarnos no tener problemas de aprovisionamiento, en este caso:

díasdíasdíam

m 4373,3/14,17

643

3

−≈=

ner 2 contenedores, uno estaría alimentando

contin

5.6.4.- Rentabilidad. Cálculo del tiempo de retorno.

na de las ventajas principales de instalar la caldera de biomasa es sin duda l

continuación vamos a calcular el margen anual y el tiempo de retorno, es dec

Cálculo del margen.

uestro beneficio va a ser la venta de calor, vamos a aprovechar la diferen

- Precio actual de venta de calor (datos precio de gas natural, según contra

in embargo, deberemos hacer frente a los siguientes costes:

1: combustible y electricidad.

En este caso, al teuamente la caldera mientras el otro iría rellenándose, de manera que se

asegure una alimentación continua de combustible.

Ua diferencia de precio del combustible, ya que el precio de la madera es

bastante inferior al precio actual del gas natural, combustible utilizado en las calderas de nuestra red principal. Como la energía se le vende al cliente a precio de gas, vamos a aprovechar esto y ver en cuanto tiempo podríamos rentabilizar nuestra nueva instalación calculando el margen, compra de energía a precio de madera y venta a precio de gas natural, para los meses en que hemos considerado que va a funcionar nuestra caldera de biomasa.

Air, ver en cuantos años es posible recuperar la inversión de nuestra

instalación.

Ncia entre el precio de la madera, precio al cual nosotros compraremos la

energía, y el precio del gas al cual nosotros le vendemos al cliente.

to con GDF, gas de Francia): 46 ,8 €/MWh S P Son costes variables, dependen de la

produ

recio de compra de madera: el precio acordado por nuestro proveedor de ma

cción, son proporcionales directos a la producción, es decir, a mayor producción mayores serán estos costes.

-Pdera, para una cantidad global de unas 1000 t de plaquetas forestales por

año, con las características descritas anteriormente distribuidas a partir de 2 cubas de 32 m3 es el siguiente:

63


51,6 €/t que equivalen à 19,1 €/m3 aparente

n términos de energía, dividiendo entre el PCI de la madera:

c = 51,6 €/t / 2,7 MWh/t = 19,11 €/MWh

recio de electricidad: 0,021 €/kWh

Para valorizar el precio de la electricidad vamos a calcular la energía consum

os equipos que van a consumir electricidad son los descritos en la siguien

abla 5.4. Consumo de electricidad de los distintos elementos que constituyen la caldera de 600

otencia total (kWh) = Potencia (kW) * 6 meses * 30 días/mes * 24 horas/día =

Luego el precio total para este consumo será:

E = 58536 kWh * 0’021 €/kWh = 1229,26 €

on lo cual, P1 = Producción total (MWh) * Precio madera + PE

P2 : Mano de obra:

E P -P

ida por cada elemento y en cada operación, para un periodo de 6 meses, de mayo a octubre.

Lte tabla:

T

Operación Elemento Potencia kW

Potencia kWh

Extracción de silo Extractor 2,2 9504 Tornillo n°1 1,5 6480 Transferencia

Extractor/Caldera Tornillo n°2 1,5 6480 Conjunto separador de polvos

Ventilador de extracción de gases 4,0 17280

Tornillo principio de rejilla 1,1 4752 Evacuación de cenizas y de

hollines Tornillo bajo separador de polvos 0,25 1080

Deshollinador automático Compresor de aire 1,5 6480 Bomba Bomba 1,5 6480 Consumo total 13,55 58536

kW. P13,55 * 6 * 30 * 24 = 58536,00 kWh

P

C

se trata también de un coste variable.

recio: 40 €/hora -P

64


Se ha tenido en cuenta un número de horas de trabajo de operarios de 300 horas, aprovechando los operarios que se encuentren ya en la zona debido al mantenimiento del centro de energía existente, con lo cual:

P2 = 300 horas * 40 €/hora = 12000 €

P3: Gestión de mantenimiento preventivo y renovación de piezas: son los costes de mantenimiento preventivo. Son costes variables pero no dependen de la producción directamente, además, a una mayor inversión en los costes iniciales estos costes de mantenimiento serán menores. Estos han sido calculados para el periodo de 6 meses, a partir de los datos facilitados por nuestro fabricante para una duración de 10 años. Se ha hecho el cálculo de P3 anual, y en este caso, se ha dividido entre dos para el periodo de 6 meses (ver Anexo 3: P3 – P4 (600 kW)).

P3 = 6000 €

P4: Coste inversión instalación. Son costes fijos, no dependen de la

producción, es el coste inicial. Coste de nuestra caldera, de todos los equipos, red de distribución…Ver Anexo 3: P3-P4 (600 kW), Presupuesto caldera de biomasa 600 kW y Presupuesto asfalto.

P4 = 407000 € El margen obtenido teniendo sólo en cuenta la venta de calor en gas y la

compra de madera será:

Necesidades Energéticas

(MWh)

Pérdidas Red

(MWh)

Producción útil

(MWh)

Producción total

(MWh)

Venta Calor

(€)

Compra Madera

(€)

Margen

(€) Verano 2007 550,86 110,00 660,86 826,08 25780,25 15786,29 9993,95

Verano > 2008 1652,58 110,00 1762,58 2203,23 77340,74 42103,63 35237,11

Tabla 5.5. Cálculo margen entre compra madera y venta calor

Donde: Necesidades energéticas (MWh)= demanda de potencia calculada a partir de la tabla 2.1. para un periodo de 6 meses (182 días). Pérdidas red (MWh) = Pérdidas calculadas en el apartado 3.3.2. µ caldera = 80 % Producción útil (MWh) = Necesidades egéticas (MWh) + Pérdidas red (MWh) Producción (MWh) = Producción útil (MWh) / µ caldera/100 Venta calor (€) = Necesidades energéticas (MWh) * Precio Venta calor (€/MWh) Compra madera (€) = Producción (MWh) * Precio madera (€/MWh) Margen (€) = Venta calor (€) – Compra madera (€)

65


Tiempo de retorno Para el cálculo del tiempo de retorno se ha tenido en cuenta todos los

gastos (P1, P2 y P3), se ha calculado el número de años en los que se recuperará la inversión inicial, a partir del beneficio de la venta de calor, y teniendo en cuenta los gastos anuales descritos anteriormente.

€ € P1 17015,55 P1 43332,89

P2 12000,00 P2 12000,00

P3 6000,00 P3 6000,00

Coste Anual 35015,55 Costa Anual 61332,89Venta calor 25780,25 Venta calor 77340,74Margen anual -26,37% -9235,30 Margen anual 26,10% 16007,86Explotación 1 año 35015,55 Explotación 27 años 1655987,92Margen 1 año -9235,30 Margen 27 años 432212,17Inversión 406996,57 Inversión 416231,87

T.retorno a partir 2008 27 añosT.retorno total 28 años

Coste global 1er año 442012,12 Coste global 28 años 2098000,03

Verano 2007 Verano > 2008

Tabla 5.6. Tiempo de retorno en años para caldera de 600 kW con un funcionamiento de 6 meses por año.

Se ha divido en dos columnas, la primera muestra la producción para el primer verano de funcionamiento, en el cual sólo habrá que abastecer al edificio Pups y la venta de calor será menor. Se ha calculado el margen para ese año como la venta de calor menos el coste anual (suma P1, P2 y P3), este margen (que para el primer año resulta negativo), se ha restado a la inversión inicial (P4). Esta diferencia es la que se ha tomado como inversión en la segunda columna.

Para calcular el número de años en la segunda columna, se ha calculado

el margen anual de la misma manera y se ha dividido la inversión entre este margen. El tiempo de retorno total será este número de años más un año más, correspondiente al primero. Este tiempo de retorno ha resultado de 28 años.

Además se ha calculado el coste global para el primer año, que será la

explotación en ese año (margen anual), más la inversión inicial. En la segunda columna se ha calculado el coste global para el número de años necesarios para recuperar la inversión, este se ha hallado como la suma del coste del primer año más la explotación de los años restantes. Esta explotación se ha calculado como el margen anual de la segunda columna, multiplicado por el número de años correspondiente.

66


Además existe un organismo francés que se encarga de subvencionar este tipo de proyectos con el fin de potenciar el uso de las energías renovables. ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), es un establecimiento público de carácter industrial y comercial bajo la tutela conjunta de ministros encargados de la investigación, de la ecología y de la energía. Su misión consiste en facilitar, ayudar y realizar operaciones que tengan por objeto la protección del medio ambiente y la gestión y control de la energía. Las subvenciones son del orden del 40% sobre la inversión inicial del proyecto. Se ha calculado el tiempo de retorno que se obtendría con unas subvenciones del 40 % sobre nuestra inversión. La tabla siguiente muestra el nuevo resultado:

€ € P1 17015,64 P1 43332,98

P2 12000,00 P2 12000,00

P3 6000,00 P3 6000,00

Coste Anual 35015,64 Costa Anual 61332,98Venta calor 25780,25 Venta calor 77340,74Margen anual -26,38% -9235,40 Margen anual 26,10% 16007,76Explotación 1 año 35015,64 Explotación 16 años 981327,70Margen 1 año -9235,40 Margen 16 años 256124,20Inversión 406996,57 Inversión 253433,34Subvención ADEME 40% 244197,94



Verano 2007 Verano > 2008

Tabla 5.7. Tiempo de retorno en años para caldera de 600 kW con un funcionamiento de 6 meses por año, con subvenciones de ADEME del 40 %. En la primera columna se refleja la cantidad de la inversión que resulta al restarle el 40 % de la subvención de ADEME a la inversión inicial. En la segunda columna quedaría esta inversión con subvenciones menos el margen obtenido en el primer verano (columna de la izquierda), el cual veíamos que resultaba negativo.

En este caso, el tiempo de retorno sería de 17 años, vemos que se ha

reducido en 11 años el tiempo de retorno inicial.

Podemos ver que el tiempo de retorno de nuestra instalación es muy elevado, de 28 años, e incluso con las subvenciones, 17 años, este resulta excesivo si comparamos con la vida útil de una caldera de estas características, que es de unos 20 años. Esto nos lleva a buscar otra solución, y es que teniendo en cuenta la diferencia del precio de compra entre el gas y la madera, y aprovechando este margen que obtenemos al vender la energía a precio del gas, se ha planteado un uso de la caldera de biomasa durante todo el año, es decir,

67


utilizar también esta caldera en invierno como apoyo a las calderas de gas existentes para la producción de agua caliente. A continuación vamos a estudiar el margen anual que podríamos obtener con esta nueva solución planteada, y según las conclusiones que saquemos, se realizará el estudio de rentabilidad para utilización de la caldera de biomasa durante todo el año.

5.7.- Comparación de márgenes en invierno: producción de calor con

calderas de gas y producción de calor con combinación caldera de biomasa y calderas de gas.

En verano, utilizaríamos solamente la caldera de biomasa, tal y como era

el objetivo inicial. Y en invierno, se utilizaría la caldera de biomasa para producir la potencia máxima que podamos, y las calderas de gas producirán la energía restante necesaria. Para tener una idea de la rentabilidad de utilizar esta caldera en invierno, vamos a comparar los márgenes que podemos obtener al utilizar solamente las calderas de gas (Venta calor – Compra gas), y al utilizar también la caldera de biomasa (Venta calor – Compra gas + madera).

Las necesidades energéticas tenidas en cuenta, a partir del contador de

calor de 2006, son las siguientes:

68


69


Tabla 5.8. Necesidades energéticas (MWh) para los distintos edificios en los distintos periodos.

Como ya se ha comentado, se han estimado las pérdidas en un 20 % de la potencia actual consumida según la tabla del contador de calor del año 2006. Si tomamos como base la potencia consumida en los meses de verano, 550’86 MWh, las pérdidas eran:

Pérdidas = 0,20 * 550,86 = 110,17 MWh

70


Sin embargo, si tomamos como base la consumida en los meses de invierno, 828,41 MWh:

Pérdidas= 0,20 * 828’41 = 165,68 MWh

Periodo Necesidades Energéticas MWh

Pérdidas Red

MWh

Producción Útil

MWh

Producción total

MWh

Venta Calor

€

Compra Madera €

Margen €

2007 550,86 165,00 715,86 894,83 25780,25 17101,10 8679,15

> 2008 1676,58 165,00 1841,58 2301,98 78463,94 43993,30 34470,64 Pmáx=600kW 1437,20 165,00 1602,20 2002,75 67260,96 38274,78 28986,18

Tomamos el valor más desfavorable, con lo cual fijaremos esas pérdidas en 165 MWh.

En verano, el margen que podemos obtener teniendo solamente en

cuenta la venta de calor y la compra de combustible sería el siguiente, y con las nuevas pérdidas estimadas: Tabla 5.9. Margen en verano con las nuevas estimaciones de pérdidas.

Donde: µ caldera = 80 % Producción útil (MWh) = Necesidades egticas (MWh) + Pérdidas red (MWh) Producción total (MWh) = Producción útil (MWh) / µ caldera/100 Venta calor (€) = Necesidades egticas (MWh) * Precio venta calor (€/MWh) Compra madera (€) = Producción total (MWh)* Precio madera (€/MWh) Margen (€) = Venta calor (€) – Compra madera (€) Margen (%) = Margen (€) / Venta calor (€) * 100 Precio compra madera = 19’11 €/MWh Precio venta calor = 46’8 €/MWh Además en la última fila se ha calculado la producción útil máxima que

sería posible obtener con una caldera de potencia nominal 600 kW. Se ha tenido en cuenta una disponibilidad de la caldera del 95 % del periodo para 6 meses. Y se ha calculado esta producción útil como:

Producción útil (MWh)= 600/103 MW * Nº horas* µ/100 Siendo el número de horas de funcionamiento: Nº horas = 0’95*183días*24horas/día = 4172,40 horas

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Podemos apreciar que la caldera de 600 kW se queda muy ajustada a la hora de producir la potencia necesaria para el verano, ya que la potencia total máxima a producir es de unos 2000 MWh, y necesitaríamos unos 2300 MWh. Con lo cual con lo cual vamos a estudiar los márgenes con una caldera de mayor potencia, sobre unos 700 kW. Vamos a estudiar entonces los márgenes obtenidos en invierno para los dos casos antes descritos:

- caso 1: utilización exclusiva de calderas de gas; - caso 2: utilización caldera biomasa hasta potencia máxima más

utilización de caldera de gas hasta completar la potencia necesaria, para distintos valores de potencias de calderas de biomasa, desde 600 hasta 750 kW.

En el caso del periodo de invierno, siempre estaremos hablando de los

tres edificios, ya que éstos van a instalarse a finales del verano del año 2007. Primero vamos a ver las necesidades energéticas para nuestro periodo de invierno, en la tabla 3.13 habíamos calculado la potencia útil, y la venta de calor la obtenemos multiplicando el precio de venta de calor por las necesidades energéticas: Necesidades Energéticas

MWh Pérdidas Red

MWh Producción Útil

MWh Venta Calor

€ 2485,00 165,00 2650,00 116298,00

Tabla 5.10. Cálculo producción útil y venta de calor para el periodo de invierno.

En la tabla siguiente se obtienen los márgenes de los casos 1 y 2. En la última columna se refleja la diferencia ente la compra del combustible sólo gas y la compra gas más madera, como la venta de calor será la misma en ambos casos ya que depende solamente de las necesidades energéticas de nuestros clientes, esta diferencia nos dará una idea del ahorro entre los dos casos descritos. También es posible observar la variación de dicho ahorro con la potencia máxima de la caldera de biomasa. Para tener en cuenta esta potencia máxima a producir con la biomasa, hemos supuesto una disponibilidad de la caldera del 95% para el periodo estudiado, en este caso invierno (considerado como 183días, 24 horas diarias).

3785,71 135528,00 -19230,00 -16,54

Producción MWh

Compra gas € Margen € Margen

%

Caso 1: Producción calor sólo con calderas de gas.

Tabla 5.11. Cálculo margen caso 1. Donde: µ caldera gas = 70 % Precio gas (€)= 63 €/mes+ 35,7 €/MWh

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Producción (MWh) = Producción útil (MWh) / µ caldera gas Compra gas (€) = Producción útil (MWh) * 35’7 €/MWh + 63 €/mes*6 Margen (€) = Venta calor (€) – Compra gas (€)

600,00 2002,75 924,64 71662,46 44635,54 38,38 63865,54650,00 2169,65 686,22 66340,34 49957,66 42,96 69187,66700,00 2336,54 447,79 61018,21 55279,79 47,53 74509,79750,00 2503,44 209,37 55696,08 60601,92 52,11 79831,92

Pot. Cald. biomasa Kw

Produc. madera MWh

Produc. gas MWh

Compra madera + gas €

Margen €

Margen %

∆ Compra caso1- caso2 €

Caso 2 : Producción calor con calderas de gas + caldera de biomasa.

Tabla 5.12. Cálculo margen caso 2 para distintas potencias y cálculo de la diferencia de compra de combustible entre los casos 1 y 2.

Datos: Duración = 184 días * 24 horas/día = 4392 horas Disponibilidad = 95 % µ caldera biomasa = 80 % Precio madera = 19,11 €/MWh Producción madera (MWh) = Pot. caldera biomasa/10-3 (MW) * Duración (h) * Disponibilidad/100 * µ caldera biomasa/100 Producción gas = Producción útil (MWh) – Producción madera (MWh) Compra madera + gas (€)= Producción madera (MWh) * Precio madera (€/MWh) + Producción gas (MWh) * 35,7€/MWh + 63 * 6 €/MWh Margen = Venta calor (€) – Compra madera + gas (€) Margen (%) = Margen (€) / Venta calor (€) * 100 ∆Compra caso1 – caso2 (€) = Compra gas caso1 (€) – Compra madera + gas caso2 (€) Si analizamos estas tablas podemos ver que en el caso 2 el margen es

notablemente mayor al caso 1, es más, en este último caso el margen resulta incluso negativo, esto es debido sobre todo a los rendimientos tan bajos de éstas en el primer año, 2006, ya que hemos basado las estimaciones en el contador de energía de ese año. Sin embargo, a iguales condiciones de demanda de potencia, vemos que la diferencia de compra de combustibles para los dos casos es bastante grande, siendo mucho menor el gasto en el caso 2. Además se puede observar que esta diferencia aumenta a mayor potencia nominal de la caldera de biomasa.

Pedimos entonces presupuesto para una caldera de mayor potencia, y

estudiamos sus distintos elementos y diferencias con la ya estudiada. 5.8.- Instalación caldera de biomasa de potencia nominal 700 kW.

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Nuestros datos de partida serán iguales que en el primer caso, a diferencia de la potencia nominal:

Fluido caloportador....................................................... Agua caliente Temperatura máxima de salida.....................................110°C Temperatura de salida regulable entre.........................85°C à 105°C Temperatura mínima de retorno...................................70°C Presión máxima de servicio............................................6 bares Potencia nominal..............................................................700 KW

Para esta nueva caldera hemos contado con el mismo fabricante, COMPTE-R, y hemos solicitado de antemano contenedores móviles como sistema de silo y extracción del combustible.

5.8.1.- Caldera y sus elementos. Puesto Alimentación automática. -Extracción del silo: 3 contenedores con extractor integrado.

El contenedor se sitúa sobre una plataforma permitiendo la recepción del

combustible por medio de un tornillo o de un transportador. El contenedor con extractor está compuesto de:

- una cuba con cubierta de protección en la parte superior, - un rascador en el fondo, - un sistema hidráulico de mando del rascador

Imagen 5.2. Instalación de contenedores con extractor integrado y sistema de transferencia del combustible.

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La extracción del producto es realizada con la ayuda de un rascador situado en el fondo del contenedor y mandado por un gato hidráulico integrado en el conjunto. El movimiento de va y ven del rascador permite la progresión del combustible hacia el transportador que asegura la transferencia hacia la caldera. Características de un contenedor con extractor integrado: · Longitud: 5,5 m · Ancho: 2,5 m · Altura: 2,3 + 0,25 (con cubierta) m · Volumen útil: 32 m3 · Peso en vacío (con equipos): 3300 kg · Presión de utilización: 170 - 200 bares

-Transferencia extractor/caldera: -transportador de raquetas.

Este transportador recoge el combustible a la salida del extractor silo para llevarlo hasta el sistema de alimentación de la caldera. El transportador está constituido: · de 2 cadenas de manutención laterales, unidos par codales metálicos, · de un artesón en chapas reforzadas, enteramente cerrado, · de un motoreductor de mando.

Figura 5.9. Vista en perspectiva de un transportador en 3 partes (45°).

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Esta tecnología del transportador está particularmente adaptada:

· para asegurar unos caudales importantes de combustible (sección de conducto 700 x 450 mm), · para facilitar el mantenimiento, · para la protección contra las emisiones de polvos y contra los riesgos de accidente. Características del transportador: · Ancho interior reguero: 600 mm · Cadena de manutención: M80 · Longitud entre ejes: 15 m · Potencia motriz: 2,2 kW

Puesto II.-Introducción + producción y recuperación del calor. - Dispositivo de introducción del combustible.

Este dispositivo en recepción del transportador toma el combustible y lo introduce en la rejilla del hogar.

Figura 5.10. Vista del dispositivo de introducción del combustible.

Comprende los equipos siguientes:

- Chapaleta corta fuego: su función consiste en asegurar el hermetismo entre el sistema de transferencia del combustible y el depósito de éste. Su rol principal es constituir una barrera contra las subidas de fuego hacia el transportador. Está constituido por una trampilla en acero de fuerte espesor integrado antes del transportador y accionado por el mando de un gato hidráulico. Existen detectores de posición abierto/cerrado que permiten tener en cuenta el

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estado de posicionamiento de la chapaleta fuera de los ciclos de alimentación para seguridad del dispositivo en caso de anomalía. En caso de corte de corriente, ésta se cerraría por su propio peso. Características de la chapaleta: · Sección de entrada: 750 x 500 mm · Sección de salida: 600 x 600 mm · Altura: 1245 mm · Mando: Hidraúlico · Seguridad: cierre automático en caso de cierre de corriente o detección de incendio. - Depósito de alimentación: está situado entre la chapaleta y el pistón inyector del combustible; constituye una reserva de combustible, autorizando el perfecto relleno del pulsador, para cada ciclo de alimentación. El volumen de esta reserva se mantiene en cada ciclo, gracias al control de un detector de nivel. Características del depósito: · Sección del depósito: 700 x 700 mm · Sección de salida: 700 x 560 mm · Altura total aproximada: 650 mm - Pulsador de alimentación: está constituido de un canal soldado en acero, situado sobre un bastidor y recibiendo un pistón rectangular. La guarnición del canal de un espesor de 15 cm de hormigón refractario permite el presecado del combustible. El canal de unión del pulsador al hogar garantiza un excelente reparto de la madera sobre todo el ancho de la rejilla. El pulsador de mando, permite la selección de los trozos más largos. En reposo, el pistón obtura siempre el acceso al depósito, para impedir las subidas de fuego. Existen detectores de posición abierto/cerrado que permiten tener en cuenta el estado de posicionamiento del pulsador fuera de los ciclos de alimentación para seguridad del dispositivo en caso de anomalía. Un ciclo automático para evitar las aglomeraciones, en el caso de una anomalía de posición del pulsador es generado antes de la puesta en seguridad de la instalación. Características del pulsador: · Ancho del canal /pistón: 700 mm · Altura del canal /pistón: 300 mm · Diámetro pulsador: 100/60 · Carrera pulsador: 700 mm · Fuerza del pulsador a 150 bares: 12 t

- Mando chapaleta y pulsador: El mando es asegurado por una central hidráulica común a los 2 equipos.

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Características de la central hidráulica: · Caudal: 8 l/min · Potencia: 4 kW · Volumen depósito: 44 L Seguridad incendio: un dispositivo de seguridad contra incendio es dispuesto encima del conjunto del pulsador. Está compuesto por una válvula térmica à capillaire, de una rampa equipada de un conducto de riego. Una sonda de detección de temperatura está dispuesta en el depósito encima del pulsador, que libera agua en el momento en que haya excesos anormales de temperatura.

- Hogar: caldera y equipos. .

Figura 5.11.Vista del conjunto hogar e intercambiador.

-Hogar: rejilla de combustión, aire primario y secundario.

Está constituido: · De un zócalo que permite recoger las cenizas bajo el hogar, · De un hogar construido en hormigón refractario, con fuerte contenido en aluminio, para proteger contra las agresiones químicas de la potasa, · De una rejilla móvil de combustión, · De una bóveda refractaria horizontal, que asegura la radiación necesaria para un buen desarrollo de las diferentes fase del secado y pirolisis del combustible, · De una inyección de aire bajo la rejilla (aire primario),

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· De una inyección de aire en el hogar (aire secundario); este aire secundario es introducido en la zona de combustión para garantizar una temperatura homogénea y suficiente permitiendo una optimización de las reacciones de combustión. - Intercambiador: Es de tipo combinado, láminas de agua y tubos de gases. Está constituido de un cilindro horizontal, compuesto de 2 recorridos de los tubos de gases constituyendo la mayor parte del intercambiador. En la parte baja, un primer recorrido está constituido de láminas de agua guarnecidas de refractario en su cara interior, formando así, con una segunda bóveda refractaria situada bajo el balón, una cámara de post combustión. El segundo recorrido está constituido por 2 cámaras de radiación situados a cada lado del balón donde se reúnen las láminas de agua. Estas láminas de agua cercan todo el hogar y son ventiladas por el aire comburente, sobre su cara externa, constituyendo así un aislamiento natural. Características hogar e intercambiador: · Modelo: CE70DH-P · Temperatura máxima fluido: 110 °C · Presión máxima de servicio: 3,5 bares · Temperatura mínima de retorno del agua: 70 °C · Volumen de agua: 3200 L · Diámetro de brida salida/retorno: DN100 Las seguridades intrínsecas de temperatura, nivel y presión y fluido caloportador son aseguradas por: · 2 termostatos de temperatura (T°C Alta et T°C Baja), · 1 presostato para el nivel mínimo de agua · 2 válvulas de seguridad de presión máxima de la caldera, · 1 intercambiador de seguridad térmica agua/agua integrada en la caldera. Este dispositivo comprende un intercambiador agua/agua, situado en el cuerpo del intercambiador principal y unido a la red de agua de la cuidad. La circulación del agua en el intercambiador de seguridad es asegurada por la apertura de una válvula termostática. Ésta está unida a un capilar midiendo la temperatura de agua de salida y se pone en marcha a 110 ºC. - Rejilla de combustión: permite la progresión del combustible y la evacuación de las cenizas. Está compuesta por gradas fijas y móviles montadas sobre una carretilla accionada por mando hidráulico; placas situadas lateralmente a las rejillas para asegurar su guía y evitar el desgaste del refractario. Características de la rejilla de combustión · Superficie de combustión: 1,56 m2

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· Placas laterales para la guía de la rejilla · Grupo hidráulico de mando: Potencia eléctrica: 0,55 kW Presión máxima de servicio: 150 bares - Aire primario: es inyectado bajo la rejilla de combustión por medio de un ventilador, en diferentes artesones independientes por los cuales el caudal de aire es regulado por medio de registros. Características de ventilación en aire primario: · Ventilador: centrífugo de tiro directo · Potencia eléctrica motor: 0,75 kW - Aire secundario con recirculación de gases: es una mezcla de aire puro y de gas de combustión. Los gases son modulados por medio de registros sometidos respectivamente a la concentración de oxígeno y temperatura en el hogar. Es inyectado a través de buses situados lateralmente al hogar, por medio de un ventilador de alta temperatura. Características de ventilación en aire secundario: · Potencia eléctrica motor: 1,5 kW - Separador de partículas: Es un multiciclón con aislado térmicamente, destinado a filtrar las partículas de los gases. Figura 5.12. Esquema de funcionamiento del separador de partículas multiciclón.

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El principio de filtración está basado en una centrifugación granulométrica seguido de una sedimentación de los gases, permitiendo la migración de las partículas fuera de la corriente del gas portador y asegurar su separación, en efecto la masa volumétrica de las partículas es alrededor de 1000 veces superior a la del gas. El flujo gaseoso es inyectado tangencialmente en los ciclones y continúa por los tubos verticales de evacuación. Características del separador de partículas: · Número de células: 10 · Diámetro de las células: 180 mm · Sección salida: Ø 302 mm

-Extracción de gases: se realiza mediante un ventilador centrífugo,

poseyendo palas ligeramente inclinados, perfectamente adaptados al transporte de gases y aire ligeramente cargados. El caudal de extracción de los gases es modulado por la acción de un variador de frecuencia (y por consecuencia la potencia de la caldera). Características del extractor de gases · Tipo ventilador: centrífugo de tiro directo · Velocidad motor: 3000 rpm · Potencia motor: 5,5 kW

Puesto III.- Evacuación de gases: chimenea autoportante de doble pared con aislamiento. Está constituido de un tubo interior de acero, recubierto con aislamiento y revestimiento exterior. Características de la chimenea: · Diámetro interior: 457 mm · Diámetro exterior: 550 mm · Altura: 10 m Nota: la altura mínima de la chimenea debe superar en 5 m al más alto de los obstáculos vecinos.

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Figura 5.13. Chimenea con aislamiento y revestimiento.

Puesto IV. Evacuación de cenizas y hollines. -Evacuación automática de cenizas y hollines por tornillo sin fin en un

contenedor.

Figura 5.14. Vista del conjunto de tornillos sin fin para recogida de cenizas y hollines.

Las cenizas, impulsadas por la rejilla del hogar, caen en una obertura situada en el suelo del hogar, aquí son recogidas por un tornillo sin fin perpendicular al eje de la caldera. En la zona del hogar, el tornillo está colocado abierto en la parte superior; en la zona exterior, está encerrada en un tubo hermético empalmado al contenedor de cenizas. Características del tornillo de extracción de cenizas: · Longitud: 2 m · Diámetro: 120 mm

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· Paso: 120 mm · Espesor: 7 - 10 mm · Potencia motriz: 0,55 kW – 11 rpm

- Recuperación manual de las cenizas bajo la rejilla: las cenizas, pasando a través de la rejilla del hogar caen en un espacio que las recoge en el zócalo. Une chapa colocada en la base del hogar permite acceder a la zona, para efectuar la limpieza. - Evacuación automática de hollines bajo el separador de partículas por tornillo sin fin: los hollines son las partículas salidas de la filtración del separador de partículas. Éstas son recogidas en un canalón, deslizadas bajo el separador, donde se encuentra el tornillo de extracción. Bajo el separador, el tornillo se encuentra abierto situado en la parte superior; en la zona exterior, se encuentra encerrado dentro de un tubo hermético empalmado al contenedor de hollines. Características del tornillo de extracción de hollines: · Longitud: 2 m · Diámetro: 100 mm · Paso: 100mm · Espesor: 3 - 6mm · Potencia motriz: 0,55kW – 11 rpm

- Mecanismo alveolar en extremidad del tornillo bajo el separador de partículas: Mecanismo alveolar está situado al final del tornillo de extracción de hollines para asegurar que sea hermético. Características: · Potencia motriz: 0,75 kW - Tornillo de recogida de hollines: un tornillo recupera los hollines para verterlos en el tornillo de recogida de las cenizas. Características: · Longitud: 5 m · Diámetro: 120 mm · Potencia motriz: kW – 11 rpm - Tornillo de recogida de cenizas y hollines hacia los contenedores: un tornillo inclinado recupera las cenizas y los hollines y los deposita en el contenedor. Características:

83


· Longitud: 5 m · Diámetro: 120 mm · Paso: 120 mm · Espesor: 120 mm · Potencia motriz 1,1 kW – 11 rpm

-Deshollinador automático continuo por aire comprimido de los tubos de la caldera.

Consiste en colocar sobre la puerta del deshollinador rampas con un buse en frente de cada tubo de gases, cada rampa es pilotada por una electroválvula, mandada por un secuenciador con el fin de insuflar de forma regular el aire a presión, con un intervalo regulable, en el interior de los tubos del intercambiador.

Figura 5.15. Vista de la puerta del deshollinador (posición abierta). Con este dispositivo, las frecuencias de limpieza de los tubos de los gases son reducidas de manera muy sensible (1 o 2 al año), en lugar de una cada 2 o 4 meses según el combustible utilizado. Características:

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· Potencia eléctrica: 1’50 kW

Puesto V.- Automatismos. -Regulación modulante de potencia y optimización de la combustión por

autómata programable. La regulación modulante de potencia permite asegurar el mantenimiento en funcionamiento continuo de la caldera en el momento de las variaciones de las necesidades térmicas de la red conservando una gestión optimizada de la combustión, incluso con los cambios en la calidad energética del combustible (humedad, PCI). Esta regulación modulante tiene en cuenta 3 parámetros: Temperatura de agua de la caldera + temperatura de la llama + tasa de oxígeno residual, y actúa, en función de los algoritmos de cálculo y de las regulaciones PID sobre: · La marcha y parada de los equipos, · La apertura de las hojas modulantes sobre las ventilaciones de aire, · El ritmo de la rejilla, · La velocidad de introducción del combustible por variador de frecuencia. La regulación del aire de combustión basado en la necesidad de oxígeno es calculado en los humos con una sonda especial (sonda lambda). La regulación lambda permite regular y optimizar constantemente la cantidad de aire durante el ciclo completo de funcionamiento de la caldera de leña, desde el encendido inicial hasta que se acabe el combustible.

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Figura 5.16.Principio de regulación aplicado. Funcionamiento de la regulación de potencia y de combustión basado en 3 bucles de de regulación: · La medida en continuo de la temperatura de agua de salida de la caldera, TE, que por medio de un regulador de potencia da una consigna al regulador de combustión teniendo en cuenta la temperatura del hogar TF. Las diferentes interacciones tienen lugar de manera proporcional (PID) sobre los ciclos de introducción del combustible, de la velocidad de la rejilla y de la modulación de los caudales de aire primario en los diferentes artesones de distribución situados bajo la rejilla. · La medida en continuo de la tasa de oxígeno a la salida de la caldera, permite modular el caudal de aire secundario y controlar la combustión, · Un captador mide en tiempo real la presión en el hogar PF, el regulador de depresión actúa sobre el variador de frecuencia del ventilador de extracción de gases de manera que mantiene la depresión en el hogar en un valor constante. - Seguridades principales: En la alimentación automática: · Nivel de combustible a la salida del silo, · Nivel de combustible en la tolva de alimentación, · Elevación de la temperatura ambiente en el depósito del combustible (válvula termostática por aspersión de agua en el canal de recepción del combustible). En la caldera: · Temperatura del agua muy elevada (por termostato), · Temperatura del agua muy baja (por termostato), · Nivel de agua bajo (por presostato), · Presión alta caldera (por válvulas de seguridad), · Temperatura de los gases (sonda). En el hogar: · Temperatura alta y baja de los gases, · Exceso de presión del hogar, · Falta de depresión en el hogar.

-Módem para telemantenimiento.

Datos generales de construcción:

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Fluido caloportador: Agua caliente Temperatura máxima de salida: 110°C (reglaje termostato de seguridad) Temperatura de salida regulable: de 85°C à 105°C Temperatura mínima de retorno: 70°C Presión máxima de servicio: 3,5 bares

Potencia nominal en función del PCI y rendimientos de la caldera propuesta:

Potencia útil kW Humedad % PCI kWh/t Rendimiento % 830 30 3400 84,5 800 35 3100 84 760 40 2800 83,5 720 45 2500 83 650 50 2200 82 En nuestro caso consideraremos un rendimiento de un 80 % a la hora de

los cálculos de márgenes, igual que en el caso anterior, para obtener los casos más desfavorables.

Combustible considerado por el proyecto:

Naturaleza: Desechos de madera verde calibrados, (plaquetas, cortezas…) Humedad media en masa bruta: 45% PCI medio en masa bruta: 2500 kWh/t Granulometría media: 80 x 50 x 20 mm Granulometría máxima: 150*80*30 mm Masa volumétrica media: 300 kg/m3 Tasa de cenizas media: 2%

Como principal diferencia en las características del combustible

considerado para esta nueva caldera hay que destacar la granulometría máxima posible, ya que ésta es bastante superior, de 150*80*30 mm, frente a 80 x 50 x 20 mm en la caldera de 600 kW. Como veremos más adelante, en el apartado del cálculo del margen, esto se traducirá en una disminución del coste de nuestro combustible. Las características del nuevo combustible son las siguientes:

Plaquetas forestales salidas de bosques resinosos y de hojas. Granulometría media: 80*50 *20 mm Humedad media: 30 à 45 % (humedad bruta) Masa volumétrica : entre 0.30 et 0.35 t/map Tasa de cenizas < 3%

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PCI medio: 2700 kWh/t Label PEFC (para un mínimo de 60% del volumen repartido) que prueba

el origen del producto a partir de parcelas forestales administradas según las reglas internacionales de gestión durable.

Emisiones atmosféricas. Los valores de emisión son los mismos de la caldera anterior: Partículas con multiciclones : .............................150 mg/Nm3

Monóxido de Carbono (CO): .............................250 mg/Nm3

Compuestos Orgánicos Volátiles (COV): ..........50 mg/Nm3

Óxidos de Azote (NOx): .....................................500 mg/Nm3

Dióxidos de Azufre (SO2): .................................200 mg/Nm3

Nota: Valores expresados para un 11 % O2 en base gas seco 5.8.2.- Distribución del agua hasta la red principal:

Cálculo de diámetro para la nueva potencia.

Para esta nueva potencia, vamos a verificar el diámetro necesario de

tubería no varía. Utilizaremos el valor máximo de potencia con nuestro combustible, es decir, 830 kW, que corresponden a una humedad del 30 %.

Habíamos visto que el incremento de temperatura mínimo era: ∆Tmin= 85 – 70 = 15 °C Con lo cual nuestro nuevo caudal:

hmsKgTC

Pmp

/63,47/23,1315*18,4

830 3===∆

=•

Entrando en el ábaco con una pérdida de carga de 20 mmca/m tubería,

vemos que obtenemos el mismo resultado de diámetro, DN 100. Ver Anexo 2: ábaco.

Botella de almacenamiento del agua.

88


Al utilizar la caldera durante todo el año, ya que las condiciones de verano e invierno van a variar, además de que la demanda está influenciada por las características atmosféricas exteriores, vamos a añadir una bombona de almacenamiento de agua para hacer frente a las eventuales fluctuaciones de cargas. Esta botella nos servirá al mismo tiempo como botella de equilibrio.

Para hallar sus dimensiones, por principio, es necesario que esta botella

pueda almacenar la energía que permita funcionar al mínimo técnico, es decir, al 25 % de la potencia nominal. Si nuestra potencia nominal es de 700 kW:

P= 0,25*700 = 175 kW

hmsKgTCp

PQm /10/79,215*18.4

175*

3≈==∆

=

Para una altura del balón de 2 m :

32

10*4

mhV ==πφ m

hV 5.24

≈=π

φ

Luego las dimensiones de nuestra botella serán: h = 2 m y Ø = 2,5 m

Esta botella va a estar situado donde se encuentran las calderas de gas, ya que existe espacio suficiente y de esta manera ahorramos en el edificio que albergará a la caldera de biomasa.

En cuanto a los otros elementos estudiados en la caldera de 600 kW, estos

no variarán para esta nueva caldera. Se tendrá en cuenta una bomba de igual características, el mismo sistema de regulación y válvulas, y en cuanto al tamaño del cuarto que albergará la caldera permanecerá constante, debido a la poca variación de las dimensiones de ésta, asé como la localización en el terreno y los parámetros que dependen de éstos (longitud de tuberías, asfalto…). Ver anexo 1: P5, P6 y P7.

5.8.3.- Cálculo del consumo anual de combustible y suministro del mismo. A partir del invierno próximo, tendremos una producción útil de

2.301.98 Mwh en verano (Tabla 3.14), más 2.336,54 Mwh en invierno (Tabla 3.17). Esto hace aproximadamente 4640 MWh.

añotmaderatkWh

MWh /1710/2700

1046403

=×

añomaderammtt /5700

/3'01710 3

3 =

89


- Suministro del combustible. Dispondremos de 3 contenedores de 32 m3 de volumen, uno de ellos

estaría alimentando continuamente la caldera, mientras los otros dos se llenarían de combustible cada cierto tiempo. Para ver el tiempo de abastecimiento primero vamos a ver el caudal de madera diario:

díamdías

añoañotmaderam /61,15365

1/5700 33 =

díasdíasdíam

m 409,4/61'15

643

3

≈=

Esto hace una autonomía de 4 días, con lo cual en principio no

deberíamos tener problemas de aprovisionamiento. 5.8.4.- Rentabilidad. Cálculo del tiempo de retorno. Como habíamos comentado anteriormente, el precio de nuestro

combustible es ahora menor, debido a que esta potencia de mayor caldera permite el uso de un combustible de una mayor granulometría, y además éste va a ser suministrado para todo el año. Este nuevo precio que nos oferta nuestro proveedor es el siguiente:

Para una cantidad global de 2000 t/año de plaquetas forestales, con las

características descritas anteriormente, a distribuir regularmente a lo largo del año a partir de 2 contenedores de 32 m3, el nuevo precio de combustible considerado es:

47,6 €/t que equivale a 17,6 €m3 aparente En términos de energía, dividiendo entre el PCI de la madera: 47,6 €/t / 2,7 MWh/t = 17,63 €/MWh

Cálculo del margen. Antes de calcular el tiempo de retorno vamos a recalcular la diferencia de

margen entre el caso 1 (uso exclusivo en invierno de caldera de gas), y el caso 2 (combinación caldera gas + caldera biomasa), para el nuevo precio de combustible.

En verano, con la única diferencia del precio de la madera, esto se

traduce en una disminución en la compra del combustible, o lo que es igual, un

90


aumento del margen obtenido. La tabla siguiente refleja la diferencia de márgenes con la tabla 5.9:

Periodo Necesidades Energéticas MWh

Pérdidas Red

MWh

Producción Útil

MWh

Producción total

MWh

Venta Calor

€

Compra Madera

€

Margen €

2007 550,86 165,00 715,86 894,83 25780,25 15775,43 10004,81 > 2008 1676,58 165,00 1841,58 2301,98 78463,94 40582,97 37880,98

Tabla 5.13. Margen en verano con el nuevo precio del combustible.

En invierno: Las necesidades energéticas serán las mismas, con lo cual nuestras ventas

de calor no se verán influenciadas. (Ver tabla 5.10).

- Caso 1: Producción calor sólo con calderas de gas. En este caso, el nuevo precio de la madera no influiré en el cálculo del margen, se tratará del mismo margen calculado en la tabla 5.11.

- Caso 2: Producción calor con calderas de gas + caldera de biomasa. En la tabla a continuación se pueden observar la diferencia de márgenes de este nuevo precio del combustible con el anterior, tabla 5.12.

Pot.

caldera kW

Producción madera Mwh

Producción gas Mwh

Compra madera + gas

€

Margen

€

Margen %

∆ Compra caso1- caso2 €

600,00 2002,75 924,64 68695,42 47602,58 40,93 66832,58650,00 2169,65 686,22 63126,04 53171,96 45,72 72401,96700,00 2336,54 447,79 57556,66 58741,34 50,51 77971,34750,00 2503,44 209,37 51987,28 64310,72 55,30 83540,72

Tabla 5.14. Cálculo margen caso 2 para distintas potencias y cálculo de la diferencia de compra de combustible entre los casos 1 y 2 con el nuevo precio del combustible.

Para el caso de la caldera de 700 kW, caso que estamos estudiando ahora,

se observa un margen de unos 58700 € frente a unos 53000 € con el precio antiguo. Si comparamos los incrementos de compra de combustible de los casos 1 y 2, tenemos para el nuevo precio casi 78000 € de diferencia para este periodo de invierno, apenas unos 3500 € más que con el anterior precio del combustible.

Estas diferencias no parecen muy significativas, sin embargo vamos a ver

como influye a la hora del cálculo del nuevo tiempo de retorno, con el nuevo precio de combustible, con el margen obtenido para un uso anual de la caldera, y con una caldera de potencia nominal de 700 kW.

Tiempo de retorno.

91


Al igual que con la caldera de 600 kW, nuestro beneficio ahora va a seguir siendo la venta de calor.

- Precio actual de venta de calor (datos precio de gas natural, según

contrato con GDF, gas de Francia): 46 ,8 €/MWh Tendremos los siguientes costes: P1 : combustibles y electricidad -Precio de compra de madera: según habíamos visto, éste corresponde en

términos energéticos: P compra madera = 47,6 €/t / 2,7 MWh/t = 17,63 €/MWh

En este caso habrá que contar con el combustible utilizado en verano y el utilizado en invierno. - Precio de compra de gas: en este caso vamos a contar también con el gasto de este combustible, ya que la producción de calor será producida por una combinación de ambos sistemas. Habíamos visto que el precio del gas natural:

Precio gas = 63 €/mes+ 35,7 €/MWh

-Precio de electricidad: 0,021 €/kWh Les equipos que van a consumir electricidad varían también con respecto

a los de la caldera anterior, son los descritos en la siguiente tabla:

Operación Elemento P kW

Transferencia extractor/caldera Transportador à raclettes 2,20 Dispositivo de introducción comb.

Mando de chapaleta y pulsador 4,00

Rejilla de combustión 0,55 Ventilador de aire primario 0,75 Ventilador de aire secundario 1,50 Hogar-caldera y equipos

Extracción de gases 5,50 Tornillo en bout de rejilla para evacuación de cenizas 0,55 Tornillo bajo separador de partículas para evacuación de hollines 0,55 Mecanismo alveolar en extremidad tornillo bajo el separador de partículas 0,75 Tornillo de recogida de las cenizas 1,10

Evacuación de cenizas y de hollines

Tornillo de cenizas y hollines hacia contenedor 1,10

92


Deshollinamiento automático Compresor de aire 1,50 Bomba Bomba 1,50 Consumo total kW 23,75

Tabla 5.15. Consumo de electricidad de los distintos elementos que constituyen la caldera de 700 kW.

En este caso, calculamos la potencia consumida para el año entero: Potencia (kWh) = Potencia (kW) * 365 días * 24 horas/día = 23,75 * 365 *

24 = 208050 kWh Luego el precio total para este consumo será: PE = 208050 kWh * 0’021 €/kWh = 4369,05 €

P1 = Compra madera) verano + Compra madera + gas) invierno + PE P2: Mano de obra. -Precio: 40 €/hora En este caso se ha tenido en cuenta un número de horas de operarios de

460 horas, con lo cual: P2 = 460 horas * 40 €/hora = 18400 € P3: Gestión de mantenimiento preventivo y renovación de piezas:

calculado a partir de los datos facilitados por el fabricante para la caldera de 600 kW por un periodo de 10 años. Se ha calculado el coste anual y se ha mayorado con un coeficiente de 1,5 para la caldera de 700 kW. Ver Anexo 3: P3-P4 (700 kW).

P3 = 13350 €

P4: Coste inversión instalación: coste de la nueva caldera con todos los elementos y equipos. Ver Anexo 3: Presupuesto caldera de biomasa 700 y presupuesto asfalto.

P4 = 430000 €

Teniendo en cuenta todos estos gastos y los beneficios por la venta de calor, se ha calculado el tiempo de retorno con el mismo procedimiento que para la caldera de 600 kW, con ciertos matices:

- En la columna de la izquierda se ha calculado el margen para el

primer verano del año 2007, teniendo sólo en cuenta el primer edificio.

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Sin embargo los costes P2 y P3 correspondientes a ese se han añadido en la segunda columna como coste anual, contando el año 2007 completo.

- La inversión en la segunda columna será la inversión inicial menos

el margen obtenido en la primera columna, que en este caso vemos que para el primer verano sale positivo.

- También se ha incluido en el P1, además del precio de la madera, el precio del gas, al participar éste en la producción de energía total.

Con estas modificaciones el nuevo tiempo de retorno calculado para la nueva caldera es el siguiente:

€ €

P1 20144,48 P1 102508,68

P2 18400,00

P3 13309,62

Coste Anual 20144,48 Coste Anual 134218,30Venta calor 25780,25 Venta calor 194761,94Margen anual 81,96% 5635,76 Margen anual 45,11% 60543,65Explotación 1 año 20144,48 Explotación 7 años 939528,08Margen 1 año 5635,76 Margen 7 años 423805,53Inversión 428860,57 Inversión 423224,81



verano 2007 A partir invierno 2007

Tabla 5.16. Tiempo de retorno en años para caldera de 700 kW con un funcionamiento anual.

El tiempo de retorno que resulta ahora es de 8 años. Vemos que éste se

reduce bastante al usar la caldera de biomasa durante todo el año, ya que con la caldera de 600 kW para un funcionamiento sólo de 6 meses este resultaba casi unos 30 años. Esto ya se podía predecir al observar los márgenes antes calculados.

Si además calculamos el tiempo de retorno teniendo en cuenta un 40 %

de subvenciones por parte de ADEME, vemos que éste resulta 6 años, lo cual hace todavía más viable la instalación de dicha caldera. Se ha procedido al cálculo de la misma manera, como se muestra en la tabla a continuación:

94


€ €

P1 20144,48 P1 102508,68

P2 18400,00

P3 13309,62

Coste Anual 20144,48 Coste Anual 134218,30Venta calor 25780,25 Venta calor 194761,94Margen anual 81,96% 5635,76 Margen anual 45,11% 60543,65Explotación 1 año 20144,48 Explotación 5 años 671091,49Margen 1 año 5635,76 Margen 5 años 302718,23Inversión 428860,57 Inversión 251680,58Subvención ADEME 40% 257316,34



verano 2007 A partir invierno 2007

Tabla 5.17. Tiempo de retorno en años para caldera de 700 kW con un funcionamiento anual, con subvenciones de ADEME del 40 %. Además hemos calculado el tiempo de retorno que podríamos obtener si esta caldera fuera capaz de funcionar con una potencia de 750 kW, ya que veíamos que el margen de su potencia nominal era bastante amplio, y que dependía básicamente de las características del combustible. En este caso se ha realizado el cálculo a partir del invierno de 2007, sin tener en cuenta la producción para el primer verano con tan sólo un edificio.

€

96939,30

18400,00

13309,62

ste Anual 128648,92Venta calor 194761,94Margen anual 51,39% 66113,03Explotación 1 año 900542,41Margen 1 año 462791,19Inversión 428860,57T.retorno a

P1

P2

P3

Co

partir 2008 7 años

A partir invierno 2007

95


Tabla 5.18. Tiempo de retorno en años para caldera de 700 kW, potencia máxima de 750 k y un funcionamiento anual a partir del invierno de 2007. Y con las subvenciones del 40% de ADEME, vemos que este tiempo de retorno se reduce en 4 años:

€

P1 96939,30

18400,00

13309,62

ste Anual 128648,92enta calor 194761,94argen anual 51,39% 66113,03xplotación 1 año 514595,66argen 1 año 264452,11

nversión 428860,57ubvención ADEME 40

P2

P3

CoVMEMIS % 257316,34

.retorno a partir 2008 4 añosste

TCo global 4 años 771912,01

A partir invierno 2007 Tabla 5.19. Tiempo de retorno en años para caldera de 700 kW, potencia máxima de 750 k y funcionamiento anual a partir del invierno de 2007, con subvenciones de ADEME del 40 %.

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5.- soluciÓn 2: caldera de biomasa. -...

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