ISSN 2301-1092 •
ISSN (en línea) 2301-1106
Biomass district Heating in small communities
Daniel
Salomone González[1]
Recibido: Diciembre 2019
Aceptado: Noviembre 2019
Resumen.-
Las redes de calefacción
urbana (District Heating, DH) combinadas con el uso de energías renovables
(como la biomasa de residuos agrícolas) se han consolidado como una importante
herramienta para la eficiencia energética y la reducción de emisiones de gases
de efecto invernadero en los Estados Unidos y los países del norte y centro de
Europa.
El objetivo de las redes para la distribución térmica es ofrecer un
servicio de aire acondicionado (frío y / o calor) y producción de agua caliente
sanitaria a los ocupantes de los diferentes edificios de un área conectada a
una red de cañerías, generalmente subterráneas; garantizando una mejor
eficiencia energética y calidad de servicio con respecto a lo que se obtendría
con instalaciones individuales. Si al uso de un desecho energético para
producir calor, se agrega la posibilidad de emplazar plantas de cogeneración
(con producción de calor, frío y energía eléctrica), el negocio de la
climatización urbana centralizada se vuelve aún más próspero. En el presente
reporte, luego de una larga revisión del estado del arte de las redes de
distribución térmica con biomasa, las implicaciones técnicas de los equipos de
una central térmica y la actividad agrícola de Uruguay, se propuso una solución
práctica para ser replicada en todas las pequeñas comunidades del país. Para
esta solución, se utilizan tres residuos de cultivos particulares: residuos de
soja, uva y oliva.
Palabras clave:
Redes de
distribución térmica; Biomasa; Energías Renovables
Summary.- The urban heat networks (District Heating, DH)
combined with the use of renewable energies, such as the biomass of
agricultural waste, have been consolidated as an important tool for energy
efficiency and the reduction of the emissions of greenhouse gases in the United
States and the countries in the north and center of Europe. The objective of the networks for the thermal
distribution is to offer a service of air conditioning (comfort heating and
cooling) and the production of sanitary hot water for the residents of the different buildings of an area
connected to the network, guaranteeing better energy efficiency and quality of
service with respect to what would be obtained from individual installations. If
the use of an energetic waste to produce heat, is added to the possibility of
placing cogeneration plants (with a production comfort heating and cooling and
electric power), the district heating business becomes even more prosperous. In
the present paper, after a long review of the state of the art of heating of
the Biomass District Heating, the technical implications of the equipment of a
thermal power plant and the agricultural activity of Uruguay, a practical
solution is proposed to be replicated in all the small communities of the
country. For this solution, three particular crops residues - soybean, grape
and olive residues –are used.
Keywords: District heating and Cooling; Biomass; Renewables Energies
1. Introducción.- En Europa han aparecido grandes señales en lo que
respecta a la promoción de las redes térmicas (Como muestra la FigurI, ya
más de 3.000 ciudades son abastecidas con esta tecnología), siempre bajo el
aval de las administraciones gubernamentales [1-2].
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Figura I.- Comunidades europeas que cuentan con redes de
distribución. Fuente: BioBost |
Las implicaciones técnicas de los equipos de una central térmica y la
actividad agrícola de Uruguay, despierta el interés al presentarse como una
solución práctica para ser replicada en las pequeñas comunidades del país. El
análisis presentado demuestra que la energía facilitada por las redes de
distribución y sus centrales térmicas pueden aportar una contribución
sustancial a la sostenibilidad de energía en el sector residencial al permitir
la integración de fuentes energéticas de bajo costo. No obstante, las elevadas
inversiones en el tendido de la red limitan en gran parte su rentabilidad.
Con un apoyo en conjunto de las autoridades
locales, los usuarios, la Dirección Nacional de Energía, las empresas de
servicios energéticos y una visión del Uruguay en pos de desarrollar estas
estrategias de aprovechamiento energético; los proyectos de este tenor pueden
resultar favorables, además de seguir una línea establecida en el resto del
mundo, sobre todo en Europa, en favor de estas tecnologías de alto impacto.
Lo importante sería que la política energética
estuviese concebida con un enfoque multidimensional, definiendo como una de sus
aristas transcendentales a la rama social, considerando el acceso universal a la energía
como un derecho. Tres interesantes proyectos estatales, donde se puede analizar
en un futuro cercano el uso de residuos y las redes para producción de energía
térmica o eléctrica son: el Programa Canasta de Servicios, que busca que los
hogares carenciados accedan a los servicios de energía y agua, articulando
tarifas rebajadas a partir de una promoción del uso eficiente, el Programa de
Electrificación Rural, donde los residuos forestales y agrícolas de terrenos
circundantes pueden ser la fuente para la producción eléctrica de la zona y,
por último, la climatización y abastecimiento de agua caliente sanitaria para
los complejos carcelarios.
En definitiva, existe
un marco propicio y rentable para la implementación, pero éste resulta al
extremo dependiente de las administraciones públicas y el apoyo que le brinden
a este tipo de servicios de interés social.
2. Biomasa no convencional.- En las comunidades del
interior del país la biomasa es un recurso local disponible. Se analizó
mediante los censos realizados por MGAP (Ministerio de Ganadería Agricultura y
Pesca) los posibles potenciales de generación de residuos por zona para tres
tipos de biomasa poco convencionales (Soja, Aceituna y Uvas), pero no se
descarta el uso de cualquiera de los cientos de posibilidades asequibles en el
territorio nacional. Una vasta investigación bibliográfica permitió obtener
discriminadamente los potenciales calóricos, los detalles de la composición,
las características de las cosechas y la consecuente generación en Uruguay de
cada variante de residuos asociada a los cultivos seleccionados (Ver Tabla I) [3-4].
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Tabla I.- Resumen de referencias bibliográficas. Los PCI recabados hacen
referencia a residuos en base seca |
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De
este estudio, se visualizó que los residuos presentan distintas características y que sus cosechas están
dispersas por todo el territorio nacional, lo que permite contar con un alcance
global. En cuanto a las cualidades como combustible se muestra una preferencia
por los residuos de campo frente a los agroindustriales, sobre todo por la posibilidad
de contar con baja humedad sin necesidad de un costoso pretratamiento de
secado.
Debido al incremento en el área cultivada durante los últimos años, la
paja o rastrojo de soja parece contar con el mayor potencial en lo que a
producción térmica para redes respecta. Además de tener una amplia
disponibilidad (Ver Figura II), que abarca casi todo el territorio nacional,
cuenta con un poder calorífico aceptable, buen nivel de compactación, baja
humedad y no es requerido mantener demasiadas reservas en el campo para la
protección de los suelos [5-7]. Más de 3,5 millones de MWh anuales con fines
térmicos se podrían llegar a producir con los residuos de la cosecha de soja. Con los de aceituna y uva, apenas se alcanzaría el 5% de esa capacidad.
Es importante destacar que el sistema propuesto contribuye a la
consolidación de la industria nacional asociada a la biomasa energética y al
aprovechamiento de residuos hoy en día desechados, generando puestos de trabajo
y crecimiento económico, además de reducir la dependencia energética y
fortalecer el mercado agrícola.
Conjuntamente, la considerable experiencia en Uruguay en la fabricación
de calderas de biomasa para la industria le permite independizarse no sólo del
uso de fósiles (más costosos, más contaminantes, y no autóctonos), si no que
existe la posibilidad de producir la tecnología en el país a corto plazo, dando
un paso más hacia la soberanía energética.
Otra conclusión interesante, ahora en contra del uso de biomasa en
Uruguay, es que los residuos claramente no son gratuitos (como el sol o el
viento) cuando se los quiere usar como combustibles. Previo a la instancia de
quemado deben atravesar por distintas etapas de pretratamiento tales como el
procesamiento de los residuos en el campo, el transporte desde el punto de
generación de la biomasa a la central térmica, el almacenamiento en plantas de
transferencia, la compactación, un posible secado cuando las humedades son
altas, el transporte interno hasta los silos y desde los silos hasta la caldera
La reducción o anulación de estos gastos en las etapas intermedias
fortalece el alcance económico de estas tecnologías. Los costos estimados a pie
de caldera varían según el nivel de pretratamiento, pero a la fecha del estudio
oscilan desde los 11 USD/MWh cuando sólo se requiere el enfardado hasta 65
USD/MWh cuando se logran grados de compactación más altos, como es el caso de
los pellets o las briquetas.
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Figura II.- Áreas
de cosechas de soja en Uruguay. Fuente: MGAP |
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3. Demanda.- La muestra
asociada a este estudio alcanzó las 100 comunidades de entre 1000 y 5000
habitantes y más de 75.000 hogares, de donde se constató una media ocupacional
de 3 personas por vivienda unifamiliar de 100m2 promedio. Se trabajó con el
programa SIT de MVOTMA (Figura III) que permitió valorar fundamentalmente las
densidades poblacionales por manzana; factor esencial a la hora de evaluar los
costos del tendido de cañerías.
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Figura III.- Mapa de
densidad población para discriminar la demanda comunitaria por manzana.
Fuente:MVOTMA |
Sobre
las redes térmicas en particular, dada la amplia búsqueda de datos estadísticos
realizada a través de los censos del INE
Se realizó un estudio detallado de la demanda de climatización de
hogares, para cada comunidad en particular, asumiendo supuestos conservadores,
que llevaron a los resultados descriptos en la Tabla IIII para las
distintas zonas térmicas. Para esta determinación se utilizaron criterios
asociados al clima de la zona, las características constructivas de las
viviendas tipo en Uruguay, la estacionalidad, la concentración urbana, las
formas de consumo y la antigüedad y dispersión de las viviendas.
También se investigó la demanda de agua caliente sanitaria tomando como
referencia balances realizados por UTE, la Dirección de Energía y URSEA [10-11].
Este requerimiento resultó bastante inferior respecto a lo que implica
climatizar 100m2 de vivienda a las temperaturas estándar recomendadas por
ASHRAE
Como se muestra en la Figura IV, se determinó una fuerte variabilidad en
la demanda diaria, tanto de climatización como de agua caliente sanitaria, con
picos elevados a ciertas horas de la noche, por lo que se sugirió el uso de
reservorios térmicos para acumulación que permitían aplanar las curvas y
minimizar los costos por sobredimensionamiento. Además, se observó que para
Uruguay, estacionalmente, se tienen bien marcados tres meses de suministro de
frío y cinco meses de abastecimiento de calor para climatización.
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Tabla II.- Resultados de demandas térmicas de climatización por zonas
(Uruguay) |
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Figura IV.- Demanda tipo estimada José Enrique
Rodó. Soriano para viviendas de 100 m2 promedio climatizadas
completamente. Fuente: Elaboración Propia |
4. Tecnología.- Para el caso de las pequeñas
comunidades, dada la alta dispersión de hogares y la práctica inexistencia de
viviendas en bloque, se debe optar por aquellas modalidades de red que utilicen
los caños de PEX (Polietileno expandido) en lugar de acero y que se minimicen
los tendidos (Por ejemplo: Utilizando redes ramificadas en lugar de anilladas) [13].
En lo que respecta a centrales térmicas (Como se muestra en la Figura V),
se estudiaron las tecnologías de combustión (calderas con parrilla, cámaras
torsionales, lechos fluidizados, entre otros), resaltando aquellas de probable
manufactura nacional, así como también los equipos de producción de frío,
electricidad y sistemas anexos (Bombas, ventiladores, pretratamientos, etc.).
Se realizó una comparación de las distintas características de los
chillers presentes en el mercado de la que se dedujo que la opción más
favorable para operar las redes de distribución con biomasa era la
implementación de enfriadoras térmicas de absorción de doble efecto, dado su
buen rendimiento y la posibilidad de utilizar, como fuente, calores residuales
de bajo costo.
En lo asociado a turbinas de vapor, que operan según el ciclo Rankine
convencional, se denota un potencial interesante en generación eléctrica para
las comunidades de mayor porte, donde la recuperación térmica rentabiliza las
inversiones por el incremento de la eficiencia global del sistema al
potenciarse las bondades de la cogeneración.
Como guía general, para modelar un sistema de redes completo, primeramente,
se selecciona la localidad, se escoge la biomasa más cercana, se determina la
población, la cantidad de viviendas y la demanda. Se sectoriza la comunidad y
se ubica la central en un padrón disponible. Se seleccionan los equipos
(Calderas, Chillers, Turbinas) que cumplan con la demanda media y los picos se
cubren mediante tanques de acumulación, aplanando la curva. Con las demandas
calculadas, se determinan las longitudes de las cañerías principales,
secundarias e internas. Se realiza la distribución como se ejemplifica en la
Figura VI. Luego, se define la sección en función del caudal demandado por cada
zona y por cada ramal en base a la densidad poblacional. Con el criterio de una
velocidad fija se determina la sección y el diámetro. Para aquellos diámetros
inferiores a 100 mm se usa PEX y para mayores se usa acero. Con los caudales y
las pérdidas de carga de la cañería seleccionada se define la potencia máxima
de las bombas de distribución.
Del estudio económico, que incluyó el establecimiento de líneas de base
rescatadas de una serie de encuestas realizadas por la Dirección Nacional de
Energía y UTE
No se contempló el impacto sustancial que tendría para la empresa de
servicios eléctricos estatal (UTE) el gran descenso en la demanda, que podría
incluso aplanar la curva, generándole amplios beneficios para su operativa
diaria. Se podría plantear inclusive que sea esta misma empresa la que colabore
en las inversiones para promover su desarrollo.
Por último, el ahorro de emisiones de gases de CO2 es depreciable para
una vivienda individual, [14] pero el ahorro que supone para la población desde
el punto de vista medioambiental es considerable, no sólo por el hecho de que
mientras mayor sea el sistema donde se produce la energía, mayor será su
rendimiento; sino también porque se estaría concentrando todas las emisiones
que produce una comunidad completa en un punto específico, con lo cual la
reducción de estos gases sería además de sencilla, mucho más eficaz.
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Figura
V.- Equipos de una Central térmica para District Heating con Biomasa. Fuente:
Elaboración propia
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5. Conclusiones.- En cierta forma, se
presenta una guía que permite establecer qué tecnologías se pueden utilizar
para la biomasa seleccionada, cómo será la operación a lo largo de los días
tipo que componen el año en concomitancia con la demanda y cómo estimar la
rentabilidad de los proyectos, favoreciendo con este primer acercamiento la
replicabilidad a cualquier tipo de comunidad. Es evidente que muchas de las
variables intervienen de forma más notoria que otras en los resultados, pero en
definitiva, teniendo conciencia de cuáles son los parámetros más influyentes,
se pueden sacar rápidamente varias conclusiones al respecto de la viabilidad.
En conclusión, el recorrido hacia el éxito de estas redes térmicas debe
vencer primero los escollos de la rentabilización y aceptación comunitaria para
seguir apostando a su desarrollo. El camino a seguir puede ser largo, pero
queda abierta una veta hacia la posibilidad del uso de un recurso autóctono y
de una tecnología que aporta flexibilidad y beneficios a muchos actores a un
costo relativamente moderado.
6. Referencias.-
|
[1]
|
DHcar, “The Case of District Heating: 1000 cities can´t be
wrong,” 2017. |
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[2]
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mapping. Deliverable 2.3: A final report outlining the methodology and
assumptions used in the mapping,” H2020-EE-2015-3-MarketUptake, 2012-2015. |
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[3]
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R.
Al-Karany, “Caracterizacion y preparacion de residuos de Biomasa con ensayos
experimentales de secado termico y combustion no contaminante”, Tesis de
maestría, Portoalegre: IPP - ESTG, 2013. [Online], Available: http://hdl.handle.net/10400.26/17064 |
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[4]
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P.
Curto, G. Pena, C. Mantero, G. Siri, N. Tancredi, A. Amaya, A. Durante, A.
Ibañez, F. Ernst, L. Braga and M. Flores, “Cuantificación y evaluación del
potencial energético de residuos agrarios y agroindustriales no
tradicionales,” Montevideo: Instituto de Ingeniería Mecánica y Producción
Industrial, Facultad de Ingeniería, Universidad de la República, 2017. |
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[5]
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C.
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de residuos o subproductos de biomasa a nivel nacional,” Montevideo: MIEMDNETN,
2010. |
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MGAP-DIEA,
“Censo General Agropecuario. Resultados finales,” 2011. |
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[7]
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P.
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Ramillo, 2016. |
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[8]
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to conversion facility when biomass yield density and road network vary with
transport radius,” Applied Energy, vol.
164, pp. 321-331, 2016. |
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[9]
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Instituto Nacional de Estadística., “Censo 2011,” 2011. |
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[10]
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Estadística y Balance,” Montevideo: MIEM, 2013. |
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[11]
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MIEM, “Especificaciones técnicas uruguayas de instalaciones solares
térmicas,” URSEA. ETUS 2014.03, 2014. |
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[12]
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Except Low-Rise Residential Buildings,” 2016. |
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[13]
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Efiterm, Logstor, “Catálogo técnico District Heating and
Cooling. Tuberías de acero preaisladas,” Logstor, 2015. |
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[14]
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impact of CHP (combined heat and power) planning restrictions on the
efficiency of urban energy systems,” Energy,
vol. 41, n.º 1, pp. 93-103, 2012. |
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[15]
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MIEM, “Balance Energético Nacional,” 2015. |