Diseño y evaluación de una planta de autoabastecimiento

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2007

Diseño y evaluación de una planta de autoabastecimiento Diseño y evaluación de una planta de autoabastecimiento

energético utilizado como combustible el alcohol carburante energético utilizado como combustible el alcohol carburante

derivado de la remolacha derivado de la remolacha

Sara Garzón Romero Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada Garzón Romero, S. (2007). Diseño y evaluación de una planta de autoabastecimiento energético utilizado como combustible el alcohol carburante derivado de la remolacha. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/70

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UNIVERSIDAD DE LA SALLE - FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA

SARA GARZON ROMERO

DISEÑO Y EVALUACION DE UNA PLANTA DE AUTOABASTECIMIENTO

ENERGETICO UTILIZANDO COMO COMBUSTIBLE EL ALCOHOL CARBURANTE DERIVADO DE LA REMOLACHA

SARA GARZÓN ROMERO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C.

2007


SARA GARZON ROMERO

DISEÑO Y EVALUACION DE UNA PLANTA DE AUTOABASTECIMIENTO

ENERGETICO UTILIZANDO COMO COMBUSTIBLE EL ALCOHOL CARBURANTE DERIVADO DE LA REMOLACHA

SARA GARZÓN ROMERO

Monografía para optar el titulo de Ingeniero Electricista

Director

JULIO CÉSAR GARCÍA SUÁREZ Ingeniero Electricista

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C.

2007


SARA GARZON ROMERO

Nota de aceptación

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

______________________________ Ing. Julio Cesar García Suarez

______________________________ Ing. Edgar Muela

______________________________ Ing. José Carlos Romero

Bogotá, D.C., 20 de septiembre de 2007


SARA GARZON ROMERO

“El que habita al abrigo del Altísimo morará bajo la sombra del Omnipotente.

Diré yo al Señor: “Esperanza mía y castillo mío; mi Dios en quien confiare”.

El te libera del lazo del cazador, de la peste destructora.

Con sus plumas te cubrirá y debajo de sus alas estarás seguro; escudo y protección es su verdad…”

Salmo 91


SARA GARZON ROMERO

AGRADECIMIENTOS

Gracias a Dios por haberme permitido terminar este trabajo, por poner en mi camino gente maravillosa y desinteresada que me ayudo en todo el proceso, y por darme la fortaleza necesaria para afrontar cada uno de los inconvenientes que se presentaron en el camino. Agradezco a mi padre Manuel Antonio Garzón Silva por la ayuda económica que brindo en el transcurso de la carrera. Agradezco a la familia Sánchez Sierra, por su colaboración constante, por su apoyo, por su confianza y por tratarme como una persona más de la familia. A Jairo Alberto Sánchez Sierra por su apoyo incondicional, por creer en mí, por su amor, por su compañía y por su sinceridad. Gracias al ingeniero Julio Cesar García por acompañarme y asesorarme no solo con mi proyecto de grado sino en el transcurso de la carrera, es un excelente maestro, un excelente profesional, y una excelente persona. Gracias a Jorge Ochoa de Maquitek, por toda la colaboración que me brindo, por el apoyo constante y por prestarme sus servicios desinteresadamente cada vez que los solicite. Por último gracias a la Universidad de la Salle por haberme permitido culminar mi carrera profesional, por haberme puesto el camino excelentes profesionales que me transmitieron parte de su conocimiento y me acompañaron en este duro pero muy satisfactorio camino.


SARA GARZON ROMERO

INDICE

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………... 13 CAPÍTULO 1 RESEÑA HISTORICA Y GENERALIDADES……………………………………………… 17 1.1 LOS BIOCARBURANTES……………………………………………………….. 18 1.1.1. EL BIOETANOL…………………………………………………………………… 19 1.1.2. EL BIODIESEL……………………………………………………………………. 24 1.1.3. ALCOHOL CARBURANTE EN COLOMBIA…………………………………... 27 1.2. CICLOS TERMODINAMICOS BASICOS……………………………………… 29 1.2.1 CICLO DE CARNOT……………………………………………………………… 29 1.2.2. CICLO DE RANKINE……………………………………………………………... 30 1.2.3. CICLO DIESEL……………………………………………………………………. 34 1.2.4. CICLO OTTO……………………………………………………………………… 36 CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN Y PROCESO DE LA MONOGRAFÍA…………………………………… 38 2.1. LA REMOLACHA…………………………………………………………………. 40 2.1.1. TAXONOMIA Y MORFOLOGIA………………………………………………… 42 2.1.2. REQUERIMIENTOS GENERALES…………………………………………….. 43 2.2. ETANOL…………………………………………………………………………… 43 2.2.1 ¿QUÉ ES ETANOL?...................................................................................... 43 2.2.2. PROCESO DE LA PRODUCCION DEL ETANOL……………………………. 45 2.2.3. CADENA PRODUCTIVA DEL ETANOL CARBURANTE……………………. 46 2.3. MARCO LEGAL PARA LA PRODUCCIÓN Y EL USO DE ALCOHOL CARBURANTE………………………………………………………. 48 2.4. REGIONES EN COLOMBIA EN LAS QUE SE PUEDE PRODUCIR ALCOHOL CARBURANTE………………………………………………………. 49 2.5. PRODUCCION DE ALCOHOL CARBURANTE MEDIANTE LA REMOLACHA AZUCARERA……………………………………………………. 50 CAPÍTULO 3. DISEÑO DE LA PLANTA……………………………………………………………………. 52 3.1. PASOS DEL PROCESO………………………………………………………… 52 3.1.1. PASOS PARA LA OBTENCIÓN DE ALCOHOL CARBURANTE Y EQUIPOS NECESARIOS……………………………………………………... 52 3.2. PLANTAS DE POTENCIA CONVENCIONALES……………………………... 55 3.3. CICLOS SUPERIORES E INFERIORES………………………………………. 60 3.3.1. CICLO SUPERIOR……………………………………………………………….. 60


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3.3.2. CICLO INFERIOR………………………………………………………………… 60 3.4. ASPECTOS TÉCNICOS…………………………………………………………. 60 3.4.1. RELACIÓN POTENCIA – CALOR……………………………………………… 60 3.4.2. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS NECESARIOS PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA Y ELÉCTRICA……………………. 61 3.5. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS EQUIPOS QUE SE VAN A UTILIZAR EN EL DISEÑO DE LA PLANTA………………………………… 67 3.5.1. CORTADORA DE VEGETALES INDUSTRIAL……………………………….. 67 3.5.2. MARMITA DE 150-250 LITROS EN ACERO INOXIDABLE………………… 68 3.5.3. TANQUE ENCHAQUETADO 150-250 LITROS EN ACERO INOXIDABLE……………………………………………………………………… 69 3.5.4. BOMBA CENTRIFUGA Y FILTRO PRENSA………………………………….. 69 3.5.5. BOMBA DE VACIO……………………………………………………………….. 69 3.5.6. CALDERA………………………………………………………………………….. 70 3.5.7. TURBOGENERADOR……………………………………………………………. 70 3.5.8. INTERRUPTOR…………………………………………………………………… 71 3.6. LISTADO GENERAL DE EQUIPOS Y MATERIALES………………………... 71 3.7. DISEÑO DE LA PLANTA GENERADORA…………………………………….. 73 CAPÍTULO 4. ESTUDIO ECONÓMICO…………………………………………………………………….. 75 4.1. DEFINICIONES……………………………………………………………………. 76 4.2. FLUJO DE FONDOS……………………………………………………………… 77 4.3. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL FLUJO DE FONDOS………………... 78 4.3.1. INGRESOS………………………………………………………………………… 79 4.3.2. COSTOS DE INSTALACIÓN…………………………………………………….. 80 4.3.3. COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO…………………………….. 82 4.4. MÉTODOS DE EVALUACIÓN FINANCIERA………………………………….. 83 4.4.1. VALOR PRESENTE NETO………………………………………………………. 83 4.4.2. TASA INTERNA DE RETORNO…………………………………………………. 84 4.4.3. RELACIÓN BENEFICIO – COSTO……………………………………………… 85 4.4.4. PERIODO DE RETORNO………………………………………………………… 86 4.5. CALCULOS CORRESPONDIENTES A LA EVALUACIÓN FINANCIERA………………………………………………………………………. 86 4.5.1. DESCRIPCIÓN Y COSTOS DE INSTALACIÓN………………………………. 86 4.5.2. COSTO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO………………………………. 89 4.5.3. EVALUACIÓN FINANCIERA…………………………………………………….. 91 CONCLUSIONES……………………………………………………………………………... 103 ANEXOS……………………………………………………………………………………….. 106 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………... 109


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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. Proceso para obtener alcohol carburante de la remolacha Azucarera………………………………………………………………….. 21 FIGURA 2. Ejemplo de máquina térmica que funciona según el ciclo de Carnot…………………………………………………………………... 31 FIGURA 3 Ciclo de Carnot. (a). Diagrama de Carnot en función de la presión y el volumen…………………………………………………… 31 FIGURA 3 Ciclo de Carnot. (b). Diagrama de Carnot en función de la temperatura y la entropía………………………………………….. 32 FIGURA 4. Planta de potencia de vapor simple que opera según el ciclo Rankine…………………………………………………………… 32 FIGURA 5. Diagrama T-s……………………………………………………………… 34 FIGURA 6. Ciclo de recalentamiento………………………………………………… 35 FIGURA 7. Ciclo Diesel estándar de aire……………………………………………. 36 FIGURA 8. Ciclo Otto…………………………………………………………………... 36 FIGURA 9. Remolacha azucarera…………………………………………………….. 40 FIGURA 10. Remolacha azucarera. Morfología………………………………………. 42 FIGURA 11. Cadena productiva del alcohol carburante…………………………….. 48 FIGURA 12. Refractómetro……………………………………………………………... 50 FIGURA 13. Peso aproximado de una remolacha azucarera en Colombia………. 51 FIGURA 14. Proceso de lavado de las remolachas………………………………….. 53 FIGURA 15. Esquema general de una planta térmica a vapor……………………... 56 FIGURA 16. Sistema de cogeneración………………………………………………… 61 FIGURA 17 Protección de distribuciones y generadores ETU20………………….. 67 FIGURA 18. Potencia y rendimiento a temperatura ambiente, nivel del mar……... 68 FIGURA 19. Microturbina Elliott PYR single – stage................................................ 71 FIGURA 20. Diseño de la planta de producción del alcohol carburante…………… 73 FIGURA 21 Diseño de la planta autogeneradora de energía eléctrica……………. 74 FIGURA 22 Ingresos y egresos. Caso A………………………………...……………. 94 FIGURA 23 Disponibilidad de recursos. Caso A.…………………………..……….. 95 FIGURA 24 Valor presente (Año cero)…………………………………………….…. 96 FIGURA 25 Ingresos y egresos. Caso A…………………………………………….. 100 FIGURA 26 Disponibilidad de recursos. Caso A.…………………………………… 101 FIGURA 27 Valor presente (Año cero)………………………………………………... 102


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LISTA DE TABLAS

TABLA 1. Plantas en funcionamiento productoras de alcohol carburante

en Colombia……………………………………………………………………. 28 TABLA 2. Proyectos en estudio de factibilidad de plantas productoras

de alcohol carburante en Colombia…………………………………………. 28 TABLA 3. Mieles: Propiedades…………………………………………………………... 47 TABLA 4. Características de varios sistemas de conversión de energía

utilizados en instalaciones cogeneradoras industriales…………………... 64 TABLA 5. Listado general de equipos y materiales…………………………………… 72 TABLA 6. Definición de conceptos utilizados en el estudio financiero…………….... 76 TABLA 7. Características para inversión inicial………………………………………... 81 TABLA 8. Descripción de costos de instalación. Caso A…………………………….. 86 TABLA 9. Descripción de costos de instalación. Caso B…………………………….. 88 TABLA 10 Costos de operación y mantenimiento. Caso A…………………………… 89 TABLA 11. Costos de operación y mantenimiento. Caso B…………………………… 90 TABLA 12. Interés del 20.23% anual durante los (7) siete años de

financiamiento. Caso A……………………………………………………….. 91 TABLA 13. Ingresos y egresos. Caso A………………………………………………….. 91 TABLA 14. Valor presente. Caso A……………………………………………………….. 92 TABLA 15. Valor presente neto. Caso A…………………………………………………. 93 TABLA 16. TIR. Caso A…………………………………………………………………….. 93 TABLA 17. Interés del 20.23% anual durante los (7) siete años de

financiamiento. Caso B……………………………………………………….. 97 TABLA 18. Ingresos y egresos. Caso B………………………………………………….. 97 TABLA 19. Valor presente. Caso B……………………………………………………….. 98 TABLA 20. Valor presente neto. Caso B…………………………………………………. 99 TABLA 21. TIR. Caso B…………………………………………………………………….. 99


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ANEXOS

ANEXO 1. Reservas probadas remanentes de petróleo

Relación reservas / Producción de petróleo 998-2005………………………………………………………………. 104

ANEXO 2. Producción de alcohol carburante (sin desnaturalizar) año 2005……………………………………………………………….. 105

ANEXO 3. Producción y explotación de carbón – miles de toneladas……….. 106


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PREAMBULO

Este trabajo ha querido presentar la obligatoria interdisciplinariedad que debe existir en el ejercicio de la ingeniería, tomando la habilidad del ingenio y los conocimientos académicos como recurso al servicio de una comunidad que necesita la optimización del uso de sus fuentes primarias para alcanzar un mejor nivel de vida o al menos evitar un mayor deterioro por la pérdida de competitividad en el ámbito nacional e internacional. Por lo anterior aquí se presentan definiciones y acciones de las diversas ingenierías y otras ramas del saber, que pueden ser puntos de partida para una profundización con más detallados y mejorados elementos y procesos que podrían ser llevados a cabo por grupos de investigación compuestos de diferentes disciplinas que pertenecen a esta institución académica.


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“DISEÑO Y EVALUACION DE UNA PLANTA DE AUTOABASTECIMIENTO

ENERGETICO UTILIZANDO COMO COMBUSTIBLE EL ALCOHOL CARBURANTE DERIVADO DE LA REMOLACHA”

¿Por qué un diseño? Una de las razones por la cual se utiliza la palabra diseño en el titulo del trabajo de grado es por que se pretende realizar una planta de autoabastecimiento que pueda ser implementada en diferentes lugares, permitiendo que este sea una guía que se pueda imitar o reproducir dependiendo del lugar en el que desee implantar.

¿Por qué la evaluación? Teniendo el país diferentes alternativas de recursos primarios para la producción de energía eléctrica y como energéticos para el desarrollo de su economía, la solución aquí planteada para satisfacer las necesidades energéticas de un sector, necesita justificarse dentro del marco y las condiciones de oferta y demanda que se le presentan a la comunidad colombiana. Por lo tanto se tiene que evaluar la factibilidad de la creación de una planta de generación de energía y el impacto de su instalación y producción, utilizando como materia prima alcohol carburante

¿Por qué autoabastecimiento energético? Lo que se quiere es lograr un autoabastecimiento energético alejado de los mecanismos convencionales, refiriéndonos a mecanismos convencionales como la red eléctrica nacional, facilitando la instalación de unidades productoras de alcohol en zonas que aunque no estén interconectadas, se obtenga el beneficio de la disponibilidad o acceso rentable al recurso primario, la remolacha.

¿Por qué alcohol carburante de la remolacha? Alcohol carburante por varias razones: la primera porque se necesita comenzar a proponer proyectos que permitan disminuir las emisiones contaminantes a la atmósfera; segundo porque de la misma forma hay que reducir el riesgo ante una crisis de hidrocarburos, como fuente de energía no renovable y precios cada vez más altos, que puede traer serias complicaciones al desarrollo económico de nuestra sociedad; tercero este método puede generar y mejorar el empleo y la calidad de vida en la zona rural.


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De la remolacha porque como se sabe una de las fuentes para producir alcohol etanol es la biomasa a través de un proceso de fermentación, la materia prima por excelencia es la caña de azúcar la cual ya ha sido utilizada en varios proyectos. En países como Rusia y Francia, entre otros se ha venido trabajando con la remolacha como base para la producción de azucares, como una excelente alternativa, debido a sus contenidos de sacarosa y de celulosa que permite después de un proceso de fermentación obtener el conocido bioetanol para utilizar como carburante alterno y que nos servirá de combustible para alimentar la planta generadora. ¿Por qué no utilizarla en nuestro país aprovechando que tenemos excelentes condiciones para producirla? Si bien el país ya produce alcohol derivado de la caña de azúcar y ha comenzado con el proyecto de los biocombustibles, provenientes por ejemplo de la palma africana o en un futuro de la yuca, estos proyectos tienen en común que están en zonas geográficas de tierras bajas, temperaturas altas y alta humedad, por lo cual se ha considerado una alternativa para otras zonas geográficas del país como son tierras altas y climas fríos aptos para la producción de la remolacha, que aumentarían la gran capacidad energética del país con recursos innovadores poco explotados hasta el momento.


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INTRODUCCIÓN Debido a la recurrente crisis con el precio del petróleo1 a nivel nacional e internacional y las repercusiones que esto ha tenido en la economía de los países en vía de desarrollo se ha hecho necesario la búsqueda de productos que sean capaces de reducir la dependencia que se tiene en este momento de todos los derivados del petróleo en especial de los hidrocarburos y se ha convertido en una tarea urgente e importante. Biocombustible es la palabra con la que se define un combustible de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos orgánicos, a diferencia del petróleo que aunque también es de origen biológico ya que procede de restos fósiles de seres que vivieron hace millones de años no proviene de recursos renovables. La biomasa comprende una amplísima gama de materiales orgánicos que son incorporados y transformados por el reino animal, incluido el hombre. El hombre, además, la transforma por procedimientos artificiales para obtener bienes de consumo, todo este proceso da lugar a elementos utilizables directamente, pero también a subproductos que tienen la posibilidad de encontrar aplicación en el campo energético. El combustible biológico es la primera fuente de energía en la tierra y así mismo la primera conocida por la humanidad, un ejemplo de ello es la madera e incluso los excrementos secos. Si se ve un bosque bien administrado puede llegar a ser un recurso renovable en el caso contrario se podría considerar un desastre ecológico, de esta forma se comenzó a proponer la masa biológica más conocida como biomasa para ser utilizada como fuente de energía siguiendo con el ejemplo podrían ser las virutas de la madera producto de la limpieza de bosques o de la explotación racional. Toda sustancia susceptible de ser oxidada puede producir energía y si esta procede de las plantas en el proceso de oxidación devuelve el dióxido de carbono a la atmósfera que fue tomado durante su crecimiento, en última instancia la energía que se utiliza para este proceso es la luz solar y las plantas gracias a la fotosíntesis fijan energía y dióxido de carbono en moléculas orgánicas ricas en carbono e hidrógeno, esto es una forma de energía solar indirecta, por esto se podría decir que este proceso de producción de energía a base de la biomasa es un sistema que respeta el medio ambiente ya que no produce ningún tipo de aumento de gases de efecto invernadero.

1 Ver anexo 1. Reservas probadas remanentes de petróleo; Boletín estadístico 1999-2005 UPME



Desafortunadamente el proceso de fotosíntesis no es del todo eficiente y solo un aproximado del 1% de la energía recibida por la planta es aprovechada descontando la que la misma consume en el transcurso de su vida. No es tan difícil realizar un cálculo de las hectáreas que se necesitarían para cubrir el gasto energético actual de un país, ya que conocemos la cantidad de energía que se consume y la cantidad de energía que se recibe del sol, y nos daríamos cuenta de que la superficie del cultivo que se necesitaría podría ser la misma área del país. Debido a esto se podría considerar el uso de este combustible como un soporte para aprovechar ciertos recursos que de alguna manera están siendo desperdiciados, aunque este solo represente aparentemente un pequeño porcentaje de la producción de energía total sería de gran ayuda. Analizaremos a lo largo de este trabajo, uno de los biocombustibles líquidos que pueden ser utilizados en la automoción y la industria en general, ya que como es de imaginarse el uso de virutas o aserrín directamente como combustible puede no ser útil, por lo tanto se necesita convertir la biomasa en biocombustible líquido de algún modo. La biomasa líquida como aceites vegetales, se utiliza directamente en motores o turbinas, y la biomasa húmeda se puede convertir biológicamente en gas de combustión. La energía derivada de la biomasa es renovable indefinidamente y es más fácil de almacenar y opera con otros tipos de combustibles, lo que lo hace convertirse en un muy buen argumento para economizar costos en la utilización local y sobre todo rural. En el ámbito internacional se trabaja con maíz como un cultivo energético ya que las plantas de digestión anaeróbica son propicias para la fermentación que tiene como resultado el biogás. En países como Alemania y Austria pioneros en la producción de alcohol carburante debido a la liberación del mercado del azúcar el sector de la remolacha azucarera esta buscando más salidas para no tener que reducir la producción de esta, ya que puede ser la materia prima para la producción del bioetanol. La variedad de materia prima para la biomasa hace que se desarrollen nuevas tecnologías y procesos para una valorización energética En un motor de explosión interna con la mecánica apropiada se puede llegar a utilizar varios tipos de sustancias orgánicas líquidas o gasificables. Utilizar combustibles orgánicos resulta más fácil y sencillo que el mismo uso de hidrógeno ya que el hidrógeno elemental obtenido de fuentes solares, biológicas o eléctricas cuesta mucha más energía para producirlo de la que se obtiene de su combustión.



Los motores generalmente son de tipo Otto en los cuales por lo general se quema gasolina o de ciclo diesel en donde se quema gas-oil, pero se demostró una vez más que pueden quemar otro tipo de combustibles en los tipo Otto alcohol y ésteres grasos o aceites vegetales en el diesel, lo que hace que se vuelva muy atractivo en el momento de invertir dinero para el gobierno y diferentes inversores debido al elevado costo que tiene en este momento el petróleo. En Estados Unidos en la ley del 2005 se propone la producción de 30.000 millones de litros de etanol y biodiesel para el 2012, esto representa un 5.75% de las necesidades de los carburantes para el transporte de este país. Este trabajo analiza la producción de energía eléctrica que abastezca las necesidades básicas de una planta productora de alcohol carburante inicialmente ubicada en una zona rural Colombiana del centro del país, tierras altas y frías, con pocas posibilidades de interconexión con la red eléctrica nacional, por condiciones técnicas y/o económicas del mercado y que a su vez tenga la posibilidad de cultivar remolacha, que será la materia prima del proceso. La obligación del Ingeniero es aplicar sus conocimientos e iniciativa, para que mediante una serie de transformaciones al recurso primario, logre la satisfacción que la sociedad solicita para su bienestar, nosotros como Ingenieros Electricistas, debemos crear opciones para que las personas que no tienen acceso a la energía eléctrica puedan tenerla de una forma simple y económica, o facilitar herramientas de desarrollo o empresas que promuevan el mejoramiento de la calidad de vida.



1. CAPÍTULO RESEÑA HISTORICA Y GENERALIDADES

No es raro en este momento que uno de los temas de moda sea las fuentes de energía renovables como si fuera un nuevo acontecimiento o se tratara realmente de un invento reciente. En realidad se ha utilizado desde nuestros antepasados el combustible vegetal para iluminar y calentar las cavernas y para preparar los alimentos, después fue utilizado por los primeros navegantes. El uso de energías fósiles derivadas del petróleo es un proceso relativamente reciente que se ha popularizado a lo largo del siglo XX. Otro ejemplo de estas aplicaciones de combustibles vegetales es la del ingeniero Diesel, quien asistió a la Exposición Universal de París en 1900 con el motor que lleva su nombre utilizando como carburante aceite de cacahuete y el aceite de oliva que en algunas ocasiones ha sido llamado el petróleo de la antigüedad, hoy ya es común pensar en otro tipo de aceites que serán llamados el petróleo de la modernidad. Ahora se denomina a las superficies agrarias, dedicadas a la producción de materia prima para la fabricación del alcohol carburante, “nuevos pozos de petróleo”. Actualmente en varios países, se introducen cambios legislativos que promueven la investigación que haga factible la producción de alcoholes carburantes. En Australia se ha asignado alrededor de USD$ 230 millones para que salgan adelante todos los proyectos de producción, uso y comercialización de tecnologías para energías renovables y de toda la industria relacionada, así mismo se estableció mediante el Mandatory Renewable Energy Target que al año 2010 las generadoras deberían contribuir con 9.500 GWh de energía renovable en el sistema eléctrico y de la misma manera continuar con este aporte energético hasta el año 20202, esta cantidad de energía puede llegar a satisfacer las necesidades energéticas de una ciudad de aproximadamente cuatro (4) millones de personas. A raíz del bioetanol en Brasil se descubrió la formula para utilizar el bagazo de caña de azúcar, que hizo que el país se convirtiera en el mayor productor azucarero a nivel mundial y adicionalmente elaborar un combustible limpio convirtiéndolo también en el mayor productor de bioetanol del mundo y utilizándose sólo o agregándoselo a la gasolina para ser utilizado como combustible de vehículos. Por 2El 15 de junio de 2004, el gobierno australiano reconfirmó su comisión al esquema de MRET en el nivel actual de 9,500GWh antes de 2010. Este aviso formó la parte del papel blanco de la energía del gobierno -. (http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.greenhouse.gov.au/markets/mret/&sa=X&oi=translate&resnum=1&ct=result&prev=/search%3Fq%3DMandatory%2BRenewable%2BEnergy%2BTarget%2B%26hl%3Des%26sa%3DG – abril 16 de 2007)



otro lado los excedentes del alcohol de caña son importantes generadores de divisas, exportando más de dos mil (2000) millones de litros anuales. Brasil incursiona en el biodiesel, utilizando como materia prima el ricino3 utilizado como aditivo diesel para el petróleo. Ejecutar este programa no solo reduce el volumen de importaciones sino también un menor impacto ambiental, y favorece la agricultura de la cual viven muchas familias pobres. En España se obtienen 1.3 Tm de bioetanol de los cereales de invierno, en países centroeuropeos 1.4 Tm de biodiesel de col, en Francia 6 Tm de bioetanol de remolacha azucarera, en EEUU 6 Tm de bioetanol del maíz y en Brasil 13 Tm de bioetanol de la caña de azúcar con la ayuda de nuevas tecnologías. Estos cultivos se pueden considerar como verdaderos pozos de petróleo, solo que a estos hay que atribuirles que tienen un sistema de producción renovable, proporciona trabajo en zonas rurales y no perjudica el medio ambiente entre otros. 1.1 LOS BIOCARBURANTES Los biocarburantes en realidad poseen dos líneas de productos totalmente distintas como lo son el bioetanol y el biodiesel con diferentes aplicaciones cada una de ellas y así mismo con diferentes problemas característicos para su desarrollo. El bioetanol se utiliza básicamente para sustituir completamente a la gasolina o mezclarlo con la misma en diferentes cantidades variables como tal, alcohol o transformación en ETBE (etileterbutileter o incorporado al gasóleo). Por otro lado está el biodiesel, este es un sustituto del gasóleo4 ya sea de forma parcial o total. Es necesario comenzar a desarrollar estrategias que permitan incrementar la producción y el uso de biocarburantes que permitan alcanzar objetivos comunes de rendimiento económico por sustitución de los derivados del petróleo y rendimiento socio-económico por la reactivación de nuevas regiones propiciando empleo y desarrollo. Tanto para la agricultura como para la industria este es un reto importante, sin dejar de lado su relación con los costos de los biocarburantes y otros beneficios para la sociedad como lo son las disminuciones de emisiones contaminantes de los derivados del petróleo. 3 Ricino, planta originaria de África, de la familia de las Euforbiáceas, arborescentes en los climas cálidos y anual en los templados, con tallo ramoso de color verde rojizo, hojas muy grandes, pecioladas, partidas en lóbulos lanceolados y aserrados por el margen, flores monoicas en racimos axilares o terminales, y fruto capsular, esférico, espinoso, con tres divisiones y otras tantas semillas, de las cuales se extrae un aceite purgante. 4 Gasóleo: Fracción destilada del petróleo crudo, que se purifica especialmente para eliminar el azufre. Se usa normalmente en los motores diesel y como combustible en hogares abiertos.



Teniendo en cuenta el alto y creciente precio de los hidrocarburos sin omitir la contaminación de suelos y aguas, más los problemas que se han venido causando correspondientes al efecto invernadero, se puede decir que el uso de los biocarburantes ya es completamente justificado y competitivo; el petróleo se ha incrementado a más de USD$ 60 el barril, sin comentar en este trabajo el efecto político que presiona actualmente estos precios y todo parece que será una realidad por muchos años el efecto de las posiciones políticas sobre este mercado energético. Es sabido que el carburante del futuro será el hidrógeno y no se puede pasar por alto que para producirlo es esencial el uso de los biocarburantes, teniendo en cuenta que con el hidrógeno en un proceso de descarbonización5 se podría llegar a una reducción total de las emisiones de CO2 utilizando para su fabricación ya sea la biomasa o la energía solar directamente. Lo ideal en este caso seria implantar una especie de Política Agraria en donde se garantice la compra por largos plazos de los cultivos constitutivos como materia prima de los biocarburantes para asegurarle a los agricultores una viabilidad económica y financiera de sus inversiones y a su vez la industria pueda planear también a mediano y largo plazo sus ampliaciones y como parte de sus inversiones serian en la participación del fomento de los cultivos de la materia prima para estos energéticos renovables. El efecto de un crecimiento y aseguramiento en su consumo concluiría con volúmenes y economía de escala llegando a precios cada vez más competitivos. 1.1.1. EL BIOETANOL Este es conocido por varios usos como lo son las bebidas alcohólicas, los aditivos de combustibles, el mismo combustible, en la alcoquímica, como solvente, en perfumes y como un medio de reacción. 1.1.1.1 Origen Una parte importante de la energía que almacenan las plantas está en forma de hidratos de carbono6 , estos se presentan en forma de monosacáridos (glucosa, fructosa)7, disacáridos (maltosa, sacarosa)8 y polisacáridos9 (glicógeno, almidón10)

5 Descarbonización, lograr la disminución de la masa de carbono liberada con el tiempo por la unidad de producción de energía, tiende a la utilización de combustible de hidrógeno. 6 Hidratos de carbono, grupo de compuestos, también llamados glúcidos, que contienen hidrógeno y oxígeno, en la misma proporción que el agua, y carbono. 7 Fructosa, también denominada levulosa o azúcar de las frutas. Monosacárido cuya fórmula química es C6H12O6, que aparece junto con la glucosa en las frutas dulces y en los jugos de fruta. 8 Disacáridos, es el azúcar normal de mesa, extraída de la remolacha azucarera o la caña de azúcar. Es soluble en agua y ligeramente soluble en alcohol y éter.



Dependiendo del tipo de biomasa o de hidratos de carbono que la componga es su procesamiento, de tal manera que esto define lo complicado que puede llegar a ser el proceso de la obtención del alcohol, lo que a su vez define la viabilidad técnica y económica de los procesos en donde se debe estudiar el rendimiento de la fermentación. Los tipos de biomasa pueden ser los siguientes:

Sustancias con alto contenido de sacarosa como lo son la caña de azúcar, la remolacha, la melaza11, el sorgo12 dulce, el jugo de frutas, el suero de leche entre otros.

Sustancias con alto contenido de almidón como lo son el maíz, la papa y la yuca.

Sustancias con alto contenido de celulosa como lo son la madera y los residuos agrícolas

Hidrocarburos

El proceso consiste básicamente en:

Un pre-tratamiento de la materia prima en donde se encuentra la molienda, el pesado y un análisis del primer jugo, hidrólisis13 de la misma en donde se encuentra la purificación, la decantación14, el jugo clarificado y la cachaza15

Luego la fermentación alcohólica en donde se puede ver el proceso de separación del jugo filtrado la concentración del jugo clarificado y la cocción del jugo concentrado

Por último la purificación del bioetanol obtenido después de haber realizado una separación del azúcar de mieles y la melaza.

En la figura 1, se muestra el proceso para obtener el alcohol carburante derivado de la remolacha azucarera.

9 Los polisacáridos son enormes moléculas formadas por uno o varios tipos de unidades de monosacáridos —unas 10 en el glucógeno, 25 en el almidón y de 100 a 200 en la celulosa. 10 El almidón es fabricado por las plantas verdes durante la fotosíntesis. Forma parte de las paredes celulares de las plantas y de las fibras de las plantas rígidas. A su vez sirve de almacén de energía en las plantas, liberando energía durante el proceso de oxidación en dióxido de carbono y agua. 11 Melaza, líquido más o menos viscoso, de color pardo oscuro y sabor muy dulce, que queda como residuo de la fabricación del azúcar de caña o remolacha. 12 Sorgo, cañas de dos a tres metros de altura, llenas de un tejido blanco y algo dulce y vellosas en los nudos 13Hidrólisis, reacción se le conoce a menudo como doble descomposición o intercambio. De interés especial es la hidrólisis de diversas sales que origina disoluciones ácidas o básicas. 14 Decantación, proceso de separar sustancias no miscibles de diferente densidad en un medio líquido. 14 Cachaza, Espumas e impurezas que sobrenadan en el jugo de la caña de azúcar o de la remolacha al someterlo a la acción del fuego



LAVADO

COSETAS

REMOLACHA AZUCARERA(Beta Vulgaris var Altissima)

1

LODOS

FILTRACIÓN

PARTICULAS SÓLIDAS PRIMER JUGO CRUDO

PREENCALADO PROGRESIVO LECHADA DE CAL

ENCALADO

JUGO ENCALADO

PRIMERA CARBONATACIÓN

JUGO CARBONATADO

PRIMERA FILTRACIÓN

JUGO CLARIFICADO

SEGUNDA CARBONATACIÓN

DIFUSIÓN

RESINAS

EVAPORIZADORES

JUGO CONCENTRADO

EVAPO-RACIÓN

AGUA

SULFATACIÓN SO2

2

2



Durante este proceso se pueden definir todos los tipos de azúcar de la siguiente manera

Azúcar de 1ª: refinamiento, secado, pesado, embolsado y expedición o almacenaje.

Azúcar de 2ª: se usa como azúcar crudo o se diluye en agua y retorna al cocimiento de 1ª.

Azúcar de 3ª: se diluye en mieles de 1ª y retornan al cocimiento de 2ª Mieles de 1ª: pasan en parte al segundo cocimiento y la parte restante es

usada para diluir el azúcar de 3ª Mieles de 2ª: pasan por el 3er cocimiento. Melaza: Contiene cierta cantidad de azúcar; se utiliza como M.P. para

obtener alcohol, en destilerías.

PRODUCTOS FINALES DEL PROCESO

FIGURA 1. Proceso para obtener alcohol carburante de la remolacha azucarera

1

JUGO CONCENTRADO

FERMENTACIÓN

DESTILACIÓN Y RECTIFICADO

ALCOHOL 35° MAL GUSTO

ALCOHOL 90° BUEN GUSTO

DESNATURALIZACIÓN Y GRADUACIÓN A 89°

DESTILACIÓN

ALCOHOL ANHIDRO ALCOHOL BIOCARBURANTE (ALCOHOL DE QUEMAR)

DESECHOS 2



En todo el proceso mencionado anteriormente también se obtiene un coproducto de alto valor proteínico llamado por sus siglas en ingles DDGS (Destiller’s Dried Grains and Solubles). Se podría decir que a nivel mundial la producción de bioetanol esta dividida a causa de las materias primas y su facilidad y competitividad de producción, suelos, temperaturas, luminosidad etc. En el hemisferio norte se suelen utilizar los cereales mientras que en el sur predomina el uso de la caña de azúcar, palma africana, yuca, papa y remolacha. Teniendo en cuenta que en Europa, por ejemplo, se utilizan diversas materias primas como lo son la melaza de remolacha, los cereales y alcohol vínico, aprovechando las facilidades de los suelos y luminosidad, y las facilidades o inconvenientes de las temperaturas de las estaciones climáticas durante el año. Llama la atención el esfuerzo que se está realizando a nivel mundial en la investigación y el desarrollo de la eficiencia del proceso de fermentación, así como la logística en el suministro de materias primas para alcanzar una mayor competitividad. Un ejemplo es Brasil que es considerado el mayor productor de etanol en el mundo, en donde se han venido incorporando nuevas tecnologías en el cultivo de la caña de azúcar, la reducción del consumo de energía, la utilización de nuevos sistemas de hidrólisis y la incorporación al proceso de plantas, hojas y bagazos, esto hace que Brasil pueda competir con la gasolina, sin ayudas de ninguna clase, produciendo en este momento, 5.400 millones de litros de alcohol por año16 en una fabrica que esta trabajando desde noviembre de 2002 y en la que el 50% del alcohol obtenido procede del bagazo [Corrêa Carvalho, 2003] 17 Por otro lado la multinacional española Abengoa Byoenergy R&D Inc. esta realizando un proyecto en EEUU a través de un contrato con el Departamento de Energía UU, con la intención de aumentar la productividad del proceso para la obtención del etanol a través del maíz mediante la conversión y fermentación del almidón residual, la celulosa y la hemicelulosa18 de los DDGS obtenidos con la actual tecnología, incorporando también al proceso la paja de maíz19.

16Articulo: No queda ni el bagazo, revista Pesquisa Fapesp; http://www.revistapesquisa.fapesp.br/?art=746&bd=1&pg=1&lg=es , 14 de febero 2007 17 En Brasil el porcentaje de mezcla de biocombustible con gasolina esta entre el 20% y 23% , aunque este depende del precio del azúcar y del petróleo a nivel mundial ya que este esta cambiando constantemente y hay que mantener un equilibrio. PROALCO 18 La hemicelulosa es un heteropolisacárido (polisacárido compuesto por más de un tipo de monómero), formado, en este caso un tanto especial, por un conjunto heterogéneo de polisacáridos, a su vez formados por un solo tipo de monosacáridos unidos por enlaces β (1-4), que forman una cadena lineal ramificada. Entre estos monosacáridos destacan la glucosa, la galactosa o la fructosa. 19 Planta de Generación Eléctrica alimentada con paja, en Sangüesa (Navarra): Especificaciones técnicas: Combustible principal paja de trigo, Contenido máximo de agua en la paja 25 %, Combustible alternativo paja de maíz, Consumo de combustible 19 t/h, Producción de vapor 103,5 t/h, Presión de vapor 92 bar, Temperatura de



El uso del etanol como combustible se remonta a la primera guerra mundial cuando en el Reino Unido funcionaron automóviles con la mezcla de gasolina y etanol. Después en 1935, Henry Ford fabricó un modelo con un carburador adecuado para trabajar con etanol, gasolina o mezcla de ambos, así se adelanto sesenta (60) años a los actuales vehículos flexibles (FFV). Pero todo esto terminó después de la segunda guerra mundial cuando el petróleo se convirtió en la mejor opción por ser un producto abundante y barato. Pero ahora estamos viviendo una situación completamente inversa ya que el petróleo comenzó a escasear y su precio se ha elevado día tras día. Por lo tanto nos vemos obligados a volver al uso del bioetanol, y ya en varios países se ha generalizado el empleo ya sea de etanol puro o mezclado con gasolina, o en una previa transformación en ETBE (etileterbutileter o incorporado al gasóleo). Paralelamente se esta desarrollando una logística para su distribución, así como el diseño de Flexifuel Vehicules (FFV), vehículos cuyos motores pueden utilizar mezclas, en cualquier proporción de bioetanol y gasolina. 1.1.2. EL BIODIESEL Los productos sustitutos del gasóleo que se obtienen a partir de aceites y grasas usadas o sin usar, reciben el nombre de biodiesel que al igual que el bioetanol se encuentra en la línea de los biocarburantes. Aunque inicialmente era considerado biodiesel cualquier combustible de origen orgánico que pudiera ser utilizado en motores diesel, en la actualidad se está designando con este nombre a los ésteres20, metílicos21, etílicos22, que son obtenidos de un proceso de esterificación23 de grasas animales o de aceites vegetales. El biodiesel se puede utilizar mezclando de un 2% a un 30% con el gasóleo ya que posee características físicas y químicas bastante parecidas, este proceso se puede llevar a cabo sin necesidad de realizarle ningún tipo de modificación o arreglo a un motor, solo en el caso de utilizarse un 100% se le debe hacer una pequeña modificación que consiste en agregar a los pistones un anticorrosivo para que el alcohol puro no lo corroa. A diferencia del etanol, los aceites son ésteres que provienen de una mezcla de alcohol con un ácido graso. En el caso de los aceites vegetales se les llama

vapor 542 o C, T del agua de alimentación 230 o C, Eficiencia de la caldera 92 %, Potencia neta 25 MW, Eficiencia de la planta 32 %, Producción esperada 200.000 MWh., http://www.geoscopio.org/medioambiente/temas/tema10/10casonavarra.php 20 Ésteres, en química orgánica, compuesto formado (junto con agua) por la reacción de un ácido y un alcohol. 21 Metílicos son obtenidos por la transesterificación de los ácidos grasos de los aceites vegetales, nuevos o usados, así como también de grasas animales en un proceso de bajo costo productivo. 22 Etílicos, compuesto químico que resulta de la unión de dos moléculas de alcohol con pérdida de una molécula de agua. Éter etílico, líquido transparente, inflamable y volátil, de olor penetrante y sabor dulzón, que se obtiene al calentar a elevada temperatura una mezcla de alcohol etílico y ácido sulfúrico. Se empleaba en medicina como antiespasmódico y anestésico. 23 Esterificación, formar un ester mediante la unión de un ácido y un alcohol o un fenol.



triglicéridos24, también descritos como tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a la glicerina que es un alcohol trivalente (glicerol). La diferencia entre los aceites vegetales depende de los diferentes ácidos grasos que contenga el triglicérido. Por esto mismo el proceso de producción del biodiesel está basado en un proceso de transesterificación25 de los triglicéridos. Según el nivel de oleaginosa26, es decir, dependencia del acido graso del aceite que se haya utilizado, se pueden obtener diferentes tipos de biodiesel con características distintas a efectos de utilización como biocarburante. La transformación de aceites vegetales mediante un proceso de combinación de alcohol metílico e hidróxido de carbono es el sistema más habitual, el cual produce un compuesto que se puede utilizar de forma directa en un motor diesel sin necesidad de que este sea modificado. Durante este proceso también se obtiene glicerina como un subproducto que puede ser utilizada en la industria farmacéutica, en detergentes, cremas, etc. cuyo precio, está bajando continuamente en el mercado mundial, y se aumenta la oferta de éste como consecuencia del incremento de la producción de biodiesel. A su vez se puede incrementar la demanda del DBG (di-butoxi glicerol), que es obtenido por la reacción del glicerol y el isobutileno en un proceso semejante al de la producción del ETBE. El DBG como es un producto antioxidante también puede ser mezclado con el gasóleo, lo que a su vez hace que se reduzca en un 15% la producción de partículas. Esta forma de transformar los aceites tuvo un origen casero ya que cualquier tipo de aceite o grasa puede ser utilizado en la producción de biodiesel. Esto ha hecho que una gran variedad de empresas se encarguen de reciclar los aceites utilizados para su futuro uso como biodiesel. Aunque esta no es la única forma de obtener los aceites, como se mencionó anteriormente, el biodiesel se puede obtener directamente de cierto tipo de plantas como lo son el girasol y la soya que si se destinan al consumo alimentario los requerimientos son menores y el producto se vuelve más barato. Se encontró que los aceites utilizados para realizar los fritos en McDonalds, al igual que en otros restaurantes de comida rápida son empleados después de este proceso para la producción de biodiesel. Ya que estos sitios poseen un estricto protocolo de uso, estas sustancias pueden llegar a ser transformadas en biodiesel

24 Triglicéridos, grupo de compuestos orgánicos existentes en la naturaleza que consisten en ésteres formados por tres moléculas de ácidos grasos y una molécula del alcohol glicerina. 25 La transesterificación es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi de un éster por otro alcohol. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base. 26 Oleaginosa, aceitosa



de una forma muy sencilla por su contextura homogénea, aunque años atrás este tipo de materia prima se podía obtener de forma gratuita, ahora es vendido. Luego de ser vendido en varias formas, una de ellas como aditivo de los combustibles tradicionales para las empresas petroleras, se obtiene una gran variedad de diesel para el uso de los automóviles. Se puede llegar a utilizar aceite vegetal de forma directa en motores de combustión diesel, esto conlleva a que se realicen algunas modificaciones, que consisten en un pequeño retraso en el tiempo de inyección o la sustitución de la goma natural por material sintético en aquellos mecanismos que estén en contacto con el carburante, dadas las propiedades como disolvente además teniendo en cuenta que los aceites se congelan a temperaturas que pueden ser moderadamente bajas pero no ha sido un impedimento para que muchas personas lo utilicen de este modo. El Comité Europeo de Normalización (CEN), recomienda el acatamiento en las especificaciones de las características que deben cumplir los biocarburantes, en forma especial cuando se trate de transformar ésteres de origen secundario27 , para que el biodiesel alcance todos los parámetros reproducción y pueda llegar a ser comercializado sin ningún inconveniente. El cumplimiento de esta normatividad hace que el uso de los biocombustibles sea más confiable para los usuarios, como para los fabricantes de motores, sin embargo se debe tener en cuenta que en un poco porcentaje se pueden llegar a encontrar problemas de calidad durante el proceso de distribución. Otro tipo de combustibles biodiesel se ha propuesto, uno de ellos a partir de restos orgánicos incluidos entre ellos gatos muertos encontrados en calles y carreteras lo que muy seguramente no le agrada mucho a las sociedades protectoras de animales, y de estiércol, otra opción es a partir de las aguas residuales. Aunque aparentemente el uso del biodiesel es una excelente forma de producir menos contaminación ambiental que el diesel normal, debido a la baja emisión de compuestos de azufre, el uso de recursos renovables, de grasas reutilizadas y una variada gama de materias primas etc. El señor David Pimentel de Cornell University argumenta que la producción de etanol producido en base al maíz (la producción más alta de etanol de maíz se encuentra en Estados Unidos) aumenta el consumo de petróleo, ya que esta

27 Alcoholes secundarios son los que poseen dos átomos de carbono enlazados con el átomo de carbono al que se encuentra unido el grupo hidróxido. Los alcoholes se caracterizan por la gran variedad de reacciones en las que intervienen; una de las más importantes es la reacción con los ácidos, en la que se forman sustancias como llamadas ésteres, semejantes a las sales inorgánicas.



producción consume un 29% más de la energía que en realidad se especifica, debido a que en los cultivos se utiliza fertilizante que ya sea de manera directa o indirecta proviene de la energía utilizada del petróleo así como la maquinaria que se utiliza en el proceso de sembrado. Según otros autores si la producción de etanol se optimizará podría llegar a producir un 67% más de energía de la que actualmente consume. Otro inconveniente es el uso de pesticidas y fertilizantes con los problemas de contaminación y desertificación 28 que conllevan. 1.1.3. ALCOHOL CARBURANTE EN COLOMBIA29 Uno de los factores que propicia el impulso del alcohol carburante en Colombia es la amenaza real de desabastecimiento de hidrocarburos, ya que se teme que el gobierno tendrá que comenzar a destinar parte de los recursos económicos en abastecer al país con hidrocarburos importados. En consecuencia crecería el desembolso para estos pagos afectando posiblemente la inversión social, viéndose ya no como una alternativa sino como una necesidad eminente para prolongar la existencia de hidrocarburos en este territorio. En la Ley 693 de 2001 se dictan normas sobre el uso de alcoholes carburantes, se crean estímulos para su producción, comercialización y consumo30, el Congreso de la República que se dio cuenta que esta era una alternativa para obtener progreso y desarrollo además de empleo en la zonas rurales del país, el gobierno estima que con este programa se pueden llegar a generar 170 mil empleos nuevos que estarán repartidos en las zonas deprimidas y marginales de Colombia En Risaralda, Cauca y Valle del Cauca se llevan a cabo proyectos con la producción de alcohol carburante, todo sujeto a la ley 693 de 2001 Algunos de los proyectos que se han venido llevando a cabo en Colombia son los siguientes:

Hoya del Río Suárez: producirá inicialmente 150.000 litros de alcohol diarios utilizando como materia prima la caña de azúcar. La refinería estará ubicada en la población de Güepsa, Santander. Aún esta en estudio financiero

Empresa Mieles S.A.: inicialmente producirá 100.000 litros de alcohol por día con mieles de caña como materia prima en Santander

Vegachí31: ubicada en Antioquia y avanza con el apoyo de las autoridades locales apoyado por el sector campesino y panelero de la región

28 Desertificar, transformar en desierto amplias extensiones de tierras fértiles. 29 Anexo 2. Producción de alcohol carburante en Colombia 30 http://www.secretariasenado.gov.co/leyes/L0693001.HTM, septiembre 7 de 2007 31 Vegachi: “El alivio para esta zona, con los índices más altos de pobreza, desempleo, desnutrición, falta de educación y de necesidades básicas insatisfechas, parece estar cerca. El mercadeo de etanol está asegurado, sostiene el directivo, “puesto que vamos a producir parte de los 350.000 litros/día que necesita el departamento de Antioquia”.” http://www.elcolombiano.com/antioquia/RegionesAntioquenas/Nordeste/Vegachi.htm



Quindío: espera producir 138.000 litros de etanol diarios. El proyecto inicio a partir de mayo de 2005 con un estudio financiero y estará en servicio en el año 2010

Tolima: esta en estudio de pre-factibilidad la implantación de una destiladora.

Petrotesring: está ubicada en el departamento del Meta y analiza la factibilidad de una destiladora que utilice como materia prima la yuca debido a las excelentes condiciones geográficas en los llanos de Yarí para la producción de la misma.

Maquilagro: ubicada en Boyacá termina su cierre financiero de una planta que producirá cerca de 300.000 litros diarios de etanol, para ello utilizará remolacha azucarera como materia prima en cercanías a Duitama.

En resumen de los proyectos firmes y que comenzaron con su funcionamiento son:

REGIÓN PRODUCTO CAPACIDAD INVERSIONISTAS

Valle del Cauca

Caña

250.000 litros/ día

Ingenio La Manuelita

Valle del Cauca

Caña


Ingenio Providencia

Valle del Cauca

Caña


Ingenio Mayagüez

Cauca

Caña


Ingenio del Cauca

Risaralda

Caña

75.000 litros/ día

Ingenio Risaralda

TABLA 1. Plantas en funcionamiento productoras de alcohol carburante en Colombia.

REGIÓN

PRODUCTO

CAPACIDAD

PROMOTORES

Santander – Boyacá

Caña


Mieles S.A.

Santander – Boyacá

Caña


Alcohol S.A.

Meta

Yuca

20.000 litros/ día

Petrotesting S.A.

Quindío

Caña


Gobernación

Boyacá

Remolacha


Maquilagro/Inverlink

TABLA 2. Proyectos en estudio de factibilidad de plantas productoras de alcohol carburante en Colombia.



Dependiendo del tipo de región y sus cultivos más competitivos, se puede escoger el tipo de materia prima ideal para poder producir alcohol. La materia prima favorita en Colombia es la caña de azúcar, aunque regiones como: la Costa Atlántica, Guajira, Cesar, Atlántico en general y Llanos Orientales son excelentes tierras producir como materia prima la yuca. En regiones como Tolima una de las posibilidades es el sorgo dulce; en Boyacá y Nariño es la remolacha tipo alcoholera y en el Urabá antioqueño a pesar de su identificación como región bananera, también se cree factible el cultivo de la remolacha. 1.2 CICLOS TERMODINÁMICOS BÁSICOS Los procesos de autogeneración y cogeneración tienen su origen en la necesidad de generar electricidad y de forma simultanea potencia calorífica. Para lograr este objetivo, las plantas de potencia deben ser modificadas y construidas a veces en tal grado de complejidad que no seria rentable una aplicación de estas para pequeñas necesidades de potencia. A pesar de que la tecnología moderna ofrece avances en lo referente a diseños, materiales, contracción de equipos, combustibles, etc., y cada día se mejoran la eficiencias, los procesos siguen teniendo como base los mismos fenómenos de transformación que durante el siglo pasado se fueron descubriendo: evaporación, expansión, condensación y compresión del fluido de trabajo. Bajo este punto de vista vale la pena comenzar un estudio global de la autogeneración y la cogeneración repasando brevemente el aspecto térmico en el cual se basa su tecnología. Se vera a continuación los principales conceptos termodinámicos que nos introducirán en un mejor conocimiento que los procesos cogenerativos. Los principales ciclos de calor son: el ciclo de Rankine, el de Joule Brayton y los ciclos Diesel y Otto. Adicionalmente se dará una breve explicación del proceso ideal de Carnot, pues es el primer paso para desarrollar los demás. 1.2.1 CICLO DE CARNOT En 1824 Sadi Carnot, eminente ingeniero francés publicó sus reflexiones sobre la fuerza motriz del calor. El estableció el concepto de la reversibilidad32 y demostraba que esta era esencial para obtener el rendimiento máximo. Para entender el ciclo se muestra una planta de energía similar a una planta de potencia ordinaria (Figura 2.). 32 Dados dos estados A y B de un fluido, la transformación A-B es reversible si la transformación B-A es posible. Se puede definir como una sucesión de estados de equilibrio infinitamente cercanos. En la práctica una transformación es reversible si es infinitamente lenta y sin fricción.



Supóngase que el fluido de trabajo es una sustancia pura, como el vapor de agua. Se transmite calor del depósito a alta temperatura (T1) al agua (vapor) de la caldera. Para que esta sea una transmisión de calor reversible, la temperatura del agua (vapor) debe ser solo infinitesimalmente menor que la temperatura del depósito, esto implica que la temperatura del agua debe permanecer constante. Por tanto, el primer proceso en el ciclo de Carnot es un proceso isotérmico reversible en el que se transmite calor del depósito a alta temperatura al fluido de operación. Un cambio de fase de liquido a vapor a presión constate es un proceso isotérmico para una sustancia pura (línea A-B Figura 3). El siguiente proceso ocurre en la turbina. Se produce sin transmisión de calor y es, por tanto, adiabático33 y debe ser reversible, durante el cual la temperatura del fluido de trabajo disminuye desde la temperatura del depósito a baja temperatura (T2) (línea B-C). En el siguiente proceso el fluido de trabajo cede calor al depósito a baja temperatura, mediante un proceso isotérmico reversible en el que la temperatura del fluido de trabajo sea infinitamente mayor que la del depósito de baja temperatura, proceso por el cual se condensa algo de vapor (línea C-D). El proceso final es un proceso adiabático reversible en el que la temperatura del fluido operante aumenta desde la baja hasta la alta temperatura. Si esto fuera a realizarse con agua (vapor como fluido de trabajo, implicaría el tomar una mezcla de liquido y vapor de condensador y comprimirlo (línea D-A). Lo anterior seria inconveniente en la práctica, y por tanto, en todas las plantas de vapor el fluido de trabajo se condensa completamente en el condensador y la bomba maneja solo la fase líquida Debido a que el ciclo de la máquina térmica de Carnot es reversible, todo el proceso podría ser invertido, en cuyo caso se convertiría en un refrigerador (líneas puntuadas y paréntesis figura 2.) El trabajo útil efectuado en este ciclo viene representado en la Figura 3a por la superficie A-B-C-D-A. La energía suministrada aparece en la figura 3b (diagrama T-S) por la superficie E34-A-B-F-E y la energía lanzada al recinto, por la superficie E-D-C-F-E. La diferencia es el equivalente calorífico de trabajo realizado y viene representada por la superficie A-B-C-D-A.: 1.2.2. CICLO DE RANKINE Dado que el ciclo de Carnot es un ciclo ideal, es necesario entrar a considerar algunas variaciones para que se convierta en una opción aplicable. En un ciclo real el proceso de adición de calor no se realiza a temperatura constante luego ya no es un 33 Adiabático, recinto entre cuyo interior y exterior no es posible el intercambio térmico. transformación termodinámica que un sistema experimenta sin que haya intercambio de calor con otros sistemas. 34 E= Sb-Sa



proceso reversible, se debe considerar a demás las pérdidas por la transmisión de calor, rozamientos, etc., evidencian aun más la irreversibilidad del proceso; lo anterior indica que la eficiencia del ciclo real será menor que el ciclo de Carnot.

FIGURA 2. Ejemplo de máquina térmica que funciona según el ciclo de Carnot

FIGURA 3. Ciclo de Carnot (a) Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.



La figura 4 muestra dos formas de operar un ciclo ideal. Si se pudieran conseguir las trayectorias 123’4’’1 o 1234’1 efectivamente se obtendrían ciclos reversibles. Pero veamos ahora cuales son las dificultades:

FIGURA 3. Ciclo de Carnot (b) Diagrama del ciclo de Carnot en función de la

temperatura y la entropía35. El proceso 3’4’’ en la práctica no es posible puesto que significaría la compresión isoentrópica36 de una mezcla húmeda hasta líquido saturado de alta presión, lo que requeriría un equipo especial de bombeo con alto costo de operación y mantenimiento. Es mucho más fácil condensar completamente el vapor y manejar solo líquido en la bomba.

FIGURA 4. Planta de potencia de vapor simple que opera según el ciclo Rankine

35 La entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. 36 Isoentrópico, se dice del proceso en que la entropía permanece constante.



El proceso 34’ implicaría comprimir liquido de condensado a presiones demasiado grandes, requiriendo para ellos maquinaria especialmente diseñada cuyo costo total sobrepasaría al del equipo térmico básico con la consecuente perdida de rentabilidad. Los ciclos de potencia de una máquina de combustión externa37 que funciona con vapor de agua como fluido agente, corresponden al ideado por William Rankine cuya secuencia es la indicada por 12344’’1. Procesos del ciclo: 1-2. El vapor a alta presión y temperatura se expande en la turbina (u otra máquina

motriz tal como una máquina de cilindro y émbolo). 2-3. Transferencia de calor (QL) a presión constante en el condensador. En este proceso

el vapor que sale de la turbina, que normalmente es vapor húmedo, se lleva al estado de líquido saturado a la presión del condensador.

3-4. Durante su paso por la bomba, el líquido saturado que salió del condensador se lleva al estado de líquido comprimido. Teniendo en cuenta que para los líquidos el volumen específico es aproximadamente constante y suponiendo el proceso adiabático, se puede definir el estado de entrada a la caldera así como el trabajo realizado por la bomba:

4-1. Transferencia de calor a presión constante en la caldera. El líquido comprimido se convierte en calor saturado o sobrecalentado.

Si se continúa el proceso 4-1 a presión constante se entra en la región de sobrecalentamiento (figura 5) lo que representa el aumento de expansión isoentrópica en la turbina (según el grado de sobrecalentamiento) y una disminución en las condensaciones del vapor en la máquina evitando corrosión en las toberas y alabes. La eficiencia aumenta pues es notorio que también aumenta el área bajo la curva. Además de las anteriores consideraciones se puede obtener el ciclo cuya eficiencia sea más aproximada a la ideal, perfeccionando el ciclo Rankine. Para esto se tiene en cuenta los conceptos que mejoran la eficiencia de la máquina de Carnot: Primero, se logra una menor temperatura (TL) de rechazo bajando la presión. Segundo, se aumenta la eficiencia al aumentar la temperatura (TH) a la cual se agrega calor.

37 Las máquinas de combustión externa son aquellas en las que el “combustible” arde en el aire, su calor se transmite a otro intermediario que por lo general es el agua y esta en forma de vapor, transmite la energía a un cuerpo tal como una turbina o un motor de embolo. Las máquinas de reacción interna, en las cuales la combinación química del combustible con el oxigeno se efectúa dentro de los cilindros del motor.



Esto se logra mediante:

Aumentando la presión a la cual entra el líquido a la caldera. Se hace un recalentamiento interno de vapor antes de que ingrese a la turbina.

Se extrae algo del vapor de la caldera para calentar el líquido comprimido antes de inyectarlo en la caldera.

Estas modificaciones de conocen como ciclo de recalentamiento y ciclo regenerativo.

FIGURA 5. Diagrama T-S

CICLO DE RECALENTAMIENTO: Este ciclo se ha diseñado para aumentar la eficiencia debido a las altas presiones y se evite así excesiva humedad a la salida de la turbina. Como se ve en la figura 6 el vapor se expande hasta una presión media, se inyecta de nuevo a la caldera y después se expande de nuevo a una segunda etapa de la turbina. CICLO REGENERATIVO: Se pretende aumentar la temperatura mediante la transmisión de calor a la caldera; para ello se extrae un poco del vapor que se expande en la primera etapa de la turbina y se inyecta a un calentador. El resto del vapor sigue su curso expandiéndose en las siguientes etapas de la turbina. En el calentador este vapor extraído transmite su calor al condensado de la turbina que proviene de una primera bomba de alimentación. La cantidad de vapor extraído es justamente la necesaria para que el líquido quede saturado y pueda ser de nuevo bombeado hacia la caldera, pero ahora con mayor temperatura media. 1.2.3. CICLO DIESEL En la figura 7 se muestra el ciclo Diesel estándar de aire; ciclo ideal para los motores diesel (de combustión progresiva) conocidos también como de ignición38 por compresión.

38 Ignición: acción y efecto de estar un cuerpo encendido, si es combustible, o enrojecido por un fuerte calor, si es incombustible.



FIGURA 6.Ciclo de recalentamiento

La admisión de aire se realiza durante el movimiento a-1 del pistón y la presión es la misma que la atmosférica. Al llegar al punto 1 se inicia la carrera contraria, es decir una compresión adiabática del aire hasta el punto 2 y cuando llega a su máxima presión empieza a inyectarse combustible mientras el pistón inicia el regreso al lado del cigüeñal. A diferencia del ciclo Otto, se realiza la combustión a presión constante pues dicho combustible se encuentra con aire puro y a elevada temperatura, así se va quemando conforme entra al cilindro (combustión progresiva) y la presión es constante hasta que el pistón recorre una parte de su carrera total, punto 3. Se verifica luego una expansión isoentrópica (3-4). Al llegar al embolo de nuevo al punto muerto de la derecha, se abre la válvula de escape y como la presión en el punto 4 es mayor que la atmosférica, los desechos son evacuados hasta que se igualen las presiones. El escape se realiza por completo si el pistón realiza su recorrido hasta la izquierda, isóbara39 1-a Es de notar que con este ciclo, las máquinas diesel logran obtener rendimientos del orden del 30% y en algunos casos hasta del 38%, lo cual es considerado como un alto rendimiento de máquinas térmicas.

39isóbara o isobara, curva para la representación cartográfica de los puntos de la Tierra que tienen la misma presión atmosférica en un momento determinado.



FIGURA 7. Ciclo Diesel estándar de aire

1.2.4. CICLO OTTO Este es el ciclo más apropiado bajo el cual operan las máquinas de combustión interna de encendido por chispa. A pesar de que el proceso termodinámico no es un ciclo cerrado (el producto de la combustión no retorna a su composición original) como en el caso del vapor, el movimiento mecánico de la máquina si corresponde a un ciclo cerrado y bajo este punto de vista se describirán los pasos del ciclo Otto.

FIGURA 8. Ciclo Otto.



En la figura 8 el tramo 1-2 es la compresión isoentrópica de una mezcla, adecuada de aire y combustible, el volumen se reduce pues el émbolo se desplaza del punto muerto inferior hacia al lado de la cabeza del cilindro, también por esto aumenta un poco la presión. El paso siguiente es la explosión de la mezcla mediante la chispa de la bujía, esto es análogo a la sesión de calor en una caldera, como consecuencia aumenta la temperatura y la presión considerablemente, el émbolo es impulsado en sentido contrario y luego hay expansión del gas (tramo 3-4). Al llegar el pistón al punto muerto inferior (lado del cigüeñal) la válvula de escape se abre y se expulsan los productos quemados. La eficiencia térmica del ciclo viene dada por la expresión:

)/1(1)/(1)1(

21

−∧∨−=−=

k

rTTterη



2. CAPÍTULO

DESCRIPCIÓN Y PROCESO DE LA MONOGRAFÍA Las necesidades económicas, sociales y ambientales en Colombia han dado paso para buscar salidas a esta situación, teniendo en cuenta la preocupación a nivel mundial por la disminución significante del petróleo y los altos costos que esta alcanzando el barril, la población colombiana se pegunta ¿esto como afecta a Colombia? La crisis económica puede aumentar ya que el país tiene una deficiencia de hidrocarburos y se tiene estimado que al paso que se consumen estos dentro de dos años no se va a tener la disponibilidad de este recurso no renovable, en consecuencia se deberá comprar petróleo al exterior para satisfacer las necesidades territoriales, el problema es que el gobierno tendrá que comenzar a destinar dinero que es para el pueblo en la compra del petróleo en consecuencia tendera a aumentar la pobreza; a su vez los problemas ambientales son evidentes los cambios drásticos de temperatura que se han comenzado a sentir en el país son apenas una alerta de lo que puede llegar a suceder en el mundo entero por el calentamiento global, viéndose expuestas en el caso colombiano la zona pacífica y la zona atlántica debido al crecimiento del nivel del mar y a los constantes problemas que se están presentando en el país, y en los cultivos con los inviernos y los veranos que se han venido presentando de forma desprogramada. Pensando en eso y en el beneficio que puede llegar a tener el pueblo colombiano con la producción de alcohol carburante el Congreso de la República se encargo de aprobar la Ley 693 de 2001. Por otro lado la situación política económica y social que presenta el país no es nada favorable y mucho menos para el sector rural, ellos se ven perjudicados por varios factores como lo son la topografía de sus tierras, el conflicto nacional armado, la falta de educación y capacitación. Esto ha traído como consecuencia, además de lo que significa vivir con presión día a día en sus tierras, la privación a los campesinos de disfrutar de servicios públicos adecuados para llevar una vida mas digna. Hablando específicamente del sector eléctrico, estos factores y otros de factibilidad económica han sido causa de que hoy se encuentren zonas no interconectadas al sistema energético nacional como lo decreta la ley 855 de 200340: ARTICULO 1o. Para todos los efectos relacionados con la prestación del servicio público de energía eléctrica se entiende por Zonas No Interconectadas a los

40 LEY 855 DE 2003 (diciembre 18).Diario Oficial No. 45.405, de 18 de diciembre de 2003 PODER PÚBLICO - RAMA LEGISLATIVA Por la cual se definen las Zonas No Interconectadas. "EL CONGRESO DE COLOMBIA”



municipios, corregimientos, localidades y caseríos no conectadas al Sistema Interconectado Nacional, SIN. PARÁGRAFO 1o. Las áreas geográficas que puedan interconectarse a este sistema en condiciones ambientales, económicas y financieras viables y sostenibles, se excluirán de las Zonas No Interconectadas, cuando empiecen a recibir el Servicio de Energía Eléctrica del SIN, una vez se surtan los trámites correspondientes y se cumplan los términos establecidos en la regulación vigente establecida por la Comisión de Regulación de Energía y Gas, CREG. PARÁGRAFO 2o. Para efectos de la inversión de los recursos del Fondo de Apoyo a las Zonas no Interconectadas, Fazni, se dará prioridad a las regiones de la Orinoquia, Amazonia y Costa Pacífica. ARTÍCULO 2o. La presente ley rige a partir de la fecha de su promulgación y deroga todas las disposiciones que le sean contrarias, especialmente el parágrafo 2o del artículo 105 de la Ley 788 del 27 de diciembre de 2002. Analizando esta ley se tiene la intención de crear un modelo que permita que con cultivos de remolacha que sea capaz de autogenerar energía eléctrica sin dejar de lado la producción que esta tenga para ventas externas del producto. La idea es asignar solo una parte del cultivo para este fin ya que la intención es que cubra las necesidades básicas energéticas de la finca para evitar que gran parte del cultivo sea empleado en este proceso y aprovechar la energía que se desperdicie en este proceso por ejemplo el vapor que puede llegar a utilizarse como un sistema de calefacción dentro de la misma casa. El modelo es pensado para el campesino que no tiene la posibilidad de vincularse al sistema energético nacional, que tiene la posibilidad de hacer una inversión inicial, buscando si es posible la ayuda del gobierno nacional, para obtener la maquinaria que este proceso necesita. El diseño se realizara lo mas económico posible para que pueda ser de fácil acceso, instalación y manejo. La idea no es afectar la cotidianidad del campesino simplemente hacerle un poco mas fácil la permanencia en su hogar con el beneficio que significa tener fluido eléctrico en una casa, que de una forma u otra lo que hace es mejorar de una forma significante la calidad de vida de las personas que habitan esta finca. En conclusión como el titulo lo dice aquí se quiere proponer un modelo que permita suplir las necesidades básicas energéticas de poblaciones en donde se presente carencia de abastecimiento estatal o en donde simplemente se pueda realizar un ahorro económico, Casos donde se puede situar el modelo:



El primero y puede que sea el más importante y necesitado, es el sector rural en el nos basaremos inicialmente para poder crear el modelo teniendo en cuenta las siguientes características:

Lugar en el que se pueda implantar llámese finca41, cultivo42 o hacienda43 en

donde se analicen las características rurales, la producción agrícola44, el estado energético actual teniendo en cuenta la falta de abastecimiento energético convencional estatal.

El segundo es el sector urbano, que más que la necesidad de abastecimiento

energético puede tener necesidad de ahorro en donde se debe tener en cuenta el lugar en donde puede ser situado y la facilidad para obtener la materia prima.

La producción de energía eléctrica por medio del alcohol carburante de la remolacha puede llegar a tener varios procesos, por ahora el más conocido, y a la larga el más fácil de llevar a cabo, es mediante el proceso de fermentación de la materia prima en este caso de la remolacha, luego un proceso de destilación y de secado que nos permite obtener como producto final el alcohol carburante. Otro de los procesos que se pueden utilizar es la segregación 45 molecular que consiste en fragmentar la biomasa separando las proteínas, el almidón y la fibra de tal forma que el almidón se pueda convertir en azúcar fermentable para que produzca alcohol etanol puro.

2.1 LA REMOLACHA “Plantas de jardín versátiles” es el nombre por el que eran conocidas las remolachas en la literatura griega en el año 420 a.C. aproximadamente, con el paso del tiempo esta se extendió por Francia y España y después en Europa. Aunque inicialmente se utilizaban solamente por sus hojas ya que eran tomadas como espinacas46 o acelgas47 con el tiempo se dieron cuenta de las propiedades de la raíz mencionando que esta cuando se cocinaba tenía un jugo rojo almibarado.

41 Finca, propiedad inmueble, rústica o urbana. 42 Cultivo, acción y efecto de cultivar; Cría y explotación de seres vivos con fines científicos, económicos o industriales; el que prescinde de los barbechos y, mediante abonos y riegos, hace que la tierra, sin descansar, produzca las cosechas. 43 Hacienda, finca agrícola. 44 Agricultura, arte de cultivar la tierra. 45 Segregar., separar o apartar algo de otra u otras cosas 46 Espinaca, planta hortense, comestible, anual, de la familia de las Quenopodiáceas, con tallo ramoso, hojas radicales, estrechas, agudas y suaves, con pecíolos rojizos, flores dioicas, sin corola, y semillas redondas o con cuernecillos, según las variedades. 47 Acelga, planta hortense de la familia de las Quenopodiáceas, de hojas grandes, anchas, lisas y jugosas, y cuyo pecíolo es grueso y acanalado por el interior. Es comestible.



FIGURA 9. Remolacha azucarera En 1747 el alemán Andreas Marggraf demostró que los cristales de sabor dulce obtenidos del jugo de remolacha eran iguales a los de la caña de azúcar lo que hizo que en 1801 se construyera la primera planta de azúcar derivada de la remolacha en Cunern, Baja Silesia. A comienzos del siglo XIX la caña de azúcar recibió más atención como la principal fuente de azúcar relegando la remolacha hasta que se presento un bloqueo en las líneas comerciales francesas durante las guerras napoleónicas que tuvo un efecto contrario e hizo que para 1806 no se tuviera en cuenta en ninguna de las tiendas europeas la caña de azúcar. Después de haberle dado dos barras de azúcar de remolacha a napoleón éste quedó tan impresionado que ordenó plantar 32.000 hectáreas de remolacha y así mismo contribuyo a la construcción de fábricas que produjeran azúcar con la remolacha como materia prima en los años siguientes habían más de 40 fabricas de remolacha en Francia, Alemania, Austria, Rusia y Dinamarca. Una vez terminado el bloqueo en los puertos reapareció la caña de azúcar haciendo que muchos decidieran cambiar y dejaran de producir azúcar de remolacha aunque países como Francia, Alemania y Austria continuaron con su labor. Actualmente en Europa se producen 120 millones de remolacha al año para producir 16 millones de toneladas de azúcar blanca y aunque en todos los países de Europa se sigue cultivando remolacha excepto en Luxemburgo Francia y Alemania siguen siendo los principales productores haciendo que casi el 90% del azúcar que se consume en Europa sea de producción interna.



2.1.1 TAXONOMÍA Y MORFOLOGÍA La remolacha azucarera es una planta bianual perteneciente a la familia Quenopodiáceas y cuyo nombre botánico es Beta vulgaris L. Durante el primer año la remolacha azucarera desarrolla una gruesa raíz napiforme48 y una roseta de hojas, durante el segundo, emite una inflorescencia49 ramificada en panícula50, pudiendo alcanzar ésta hasta un metro de altura.

Flores: poco llamativas y hermafroditas51. La fecundación es generalmente cruzada, porque sus órganos masculinos y femeninos maduran en épocas diferentes.

Raíz: es pivotante, casi totalmente enterrada, de piel-amarillo verdosa y rugosa al tacto, constituyendo la parte más importante del órgano acumulador de reservas.

Semillas: estas adheridas al cáliz y son algo leñosas.

FIGURA 10. Remolacha azucarera - Morfología

48Napiforme - Raíz napiforme, engrosada y parecida a la del nabo 49 Inflorescencia, forma en que aparecen colocadas las flores en las plantas. 50 Panícula, Conjunto de espigas, simples o compuestas, que nacen de un eje o pedúnculo común, como en la grama y en la avena. 51 Hermafrodita, cuyas flores reúnen en sí ambos sexos.



2.1.2 REQUERIMIENTOS GENERALES Uno de los principales factores que inciden sobre el rendimiento de la remolacha es el clima, lo conveniente es que este sea templado, húmedo y soleado lo que va a hacer que se eleve el porcentaje de azúcar en la remolacha Así mismo la intensidad de la iluminación cumple un papel súper importante ya que esta permite que la fotosíntesis se realice a plenitud lo que hace que mejore la calidad del azúcar. Por último y sin menos importancia que los factores anteriores se encuentra el suelo, el cual debe ser profundo y con un pH52 alrededor de 7, se necesita que tenga la capacidad de retener el agua pero sin que forme costras 53 y con una buena ventilación, lo que indica que suelos como los arcillosos o los arenosos, calizos y secos no son del todo convenientes ni propicios para el cultivo de la remolacha. 2.2 ETANOL 2.2.1 ¿QUÉ ES ETANOL? El Etanol también conocido como alcohol etílico que presenta la formula química CH3-CH2OH ó C2H5OH, es considerado el componente activo esencial de las bebidas alcohólicas es un líquido transparente e incoloro, con sabor a quemado y un olor agradable característico. Es el alcohol que se encuentra en bebidas como la cerveza, el vino y el brandy. Este alcohol puede obtenerse mediante dos procesos de elaboración como lo son primero la fermentación54 y la descomposición55 de azúcares contenidos en las frutas y segundo la destilación que consiste en la depuración56 de las bebidas ya fermentadas. El Etanol es uno de los productos químico orgánico sintético más importantes y más antiguos que generalmente son usados en procesos industriales medicinales y domésticos ya que es usado como disolvente para las lacas los perfumes, los

52 pH. (Sigla de potencial de Hidrógeno), indice que expresa el grado de acidez o alcalinidad de una disolución. Entre 0 y 7 la disolución es ácida, y de 7 a 14, básica. 53 Costra, cubierta o corteza exterior que se endurece o seca sobre una cosa húmeda o blanda 54 Fermentación, cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la acción de las enzimas. Esta definición general incluye prácticamente todas las reacciones químicas de importancia fisiológica. 55Descomposición, en química, la división de un compuesto en sus componentes más simples por medio de una reacción química. Esta reacción puede producir elementos o compuestos por ejemplo, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante la corriente eléctrica. 56 Depurar. limpiar, purificar



barnices, condimentos, también ha sido empleado como fluido en termómetros para medir temperaturas inferiores al punto de congelación del mercurio, -40 °C, y como anticongelante en radiadores de automóviles. Aparte de lo mencionado anteriormente como otro medio para las reacciones químicas y para recristalizaciones. La obtención del alcohol etílico puede darse de dos maneras por la hidratación del etileno o por la fermentación de melazas o almidón y sus fuentes primarias debido a esto pueden ser el petróleo, la caña de azúcar, la remolacha y varios granos. Uno de los propósitos del alcohol etílico es la preparación de bebidas alcohólicas que consiste en la fermentación de azúcar que se encuentra en una gran gama de productos vegetales. Las bebidas alcohólicas dependen en si de la materia prima que se utilice para su elaboración ya sea uvas, centeno de maíz pulpa de cacto57 o saúco 58 y se fermenta dejando que se escape todo el dióxido de carbono una forma de hacerlo es embotellándolo y después se puede llevar a cabo un proceso de destilación. Para la elaboración de estas bebidas también se utilizan otro tipo de sustancias adicionales al alcohol etílico. El alcohol etílico tiene una propiedad hipnótica (que produce sueño), y este es menos tóxico de lo que pueden llegar a ser otros alcoholes como lo son el metanol que resulta venenoso tomarlo, respirarlo por un tiempo prolongado, dejarlo en contacto con la piel durante mucho tiempo esto puede llagar a causar daños serios y graves en los seres humanos. Debido a lo mencionado anteriormente el alcohol etílico por ser una bebida asignada como reactivo industrial debe estar en la industria de tal forma que no pueda llegar a ser consumida, la forma de arreglar este inconveniente es agregándole un desnaturalizante o sustancia que le de un muy mal sabor y que en lo posible eleve su toxicidad, un ejemplo de estos desnaturalizadores es el metanol y la gasolina de alto octanaje entre más de ochenta productos que se pueden utilizar para este efecto claro hay casos en los que es necesario utilizar el alcohol etílico en su forma base este empleo debe estar estrictamente controlado por los gobiernos. 57 Cacto, planta de la familia de las Cactáceas, procedente de México, con tallo globoso provisto de costillas y grandes surcos meridianos y con grandes flores amarillas sobre las costillas. 58Saúco. arbusto o arbolillo de la familia de las Caprifoliáceas, con tronco de dos a cinco metros de altura, lleno de ramas, de corteza parda y rugosa y médula blanca abundante, hojas compuestas de cinco a siete hojuelas ovales, de punta aguda, aserradas por el margen, de color verde oscuro, de olor desagradable y sabor acre, flores blancas y fruto en bayas negruzcas. Es común en España, y el cocimiento de las flores se usa en medicina como diaforético y resolutivo



2.2.2 PROCESO DE LA PRODUCCIÓN DEL ETANOL En productos vegetales como los cereales, la caña de azúcar, la remolacha las mieles, las melazas, el jugo se frutas, los mostos, el sorgo dulce, el suero de leche o la biomasa se puede producir el alcohol etílico estos combinados en forma de sacarosa59, almidón60, hemicelulosa y celulosa61 . Todo depende de la fuente de la que sea obtenido y su producción implica el proceso de separación de los azúcares y de la fermentación y destilación de las mismas. La química por lo general nombra y clasifica las moléculas de acuerdo al número de moléculas de carbono que se encuentren en un esqueleto básico de aquí nace el termino de los monosacáridos62 que es cada uno de los componentes orgánicos que contienen varios grupos alcohólicos con un grupo adicional de aldehídico63 o cetónico, este esqueleto puede constar de hasta siete átomos de carbono un ejemplo de los monosacáridos es la celulosa. Por su lado los polisacáridos64 pertenecen a una serie de estructuras poliméricas65, algunas de estas unidades son de interés farmacéutico para ser empleadas directamente en la fabricación de medicamentos o de productos farmacéuticos; y los que se presentan con mayor interés son los correspondientes a la polimerización66 de la glucosa como lo son el almidón y la celulosa. El almidón67, sus principales fuentes de obtención son los granos de cereales por ejemplo el arroz el trigo y el maíz y varios tipos de rizomas68 y tubérculos como la papa y el ñame, este es fabricado por las plantas verdes durante el proceso de fotosíntesis y forma parte de las paredes celulares de las plantas estas liberan energía durante un proceso de oxidación69 en dióxido de carbono y agua A su vez este es difícilmente soluble en alcohol y agua fría, pero cuando el agua esta hirviendo produce una suspensión iónica que al enfriarse se vuelve gelatinosa esto es porque el agua caliente actúa lentamente en las moléculas del almidón haciéndolas más pequeñas, estas son llamadas dextrinas

59Véase pie de nota 5 60Véase pie de nota 7 61Celulosa, polisacárido que forma la pared de las células vegetales. 62 Véase nota al pie 4 63 Aldehído. cada uno de los compuestos orgánicos ternarios que se forman como primeros productos de la oxidación de ciertos alcoholes. Se utilizan en la industria y en los laboratorios químicos por sus propiedades reductoras. 64 Véase nota al pie 6 65 Poliméricas, que consiste esencialmente en unidades estructurales repetidas. 66 Polimerización, reacción química en la que dos o más moléculas se combinan para formar otra en la que se repiten unidades estructurales de las primitivas y su misma composición porcentual cuando estas son iguales. 67 Véase nota al pie 7 68 Rizoma, tallo horizontal y subterráneo, como el del lirio común. 69 Oxidar, producir óxido al reaccionar con una sustancia, dicho de un átomo o de un ion: Perder electrones.



2.2.3 CADENA PRODUCTIVA DEL ETANOL CARBURANTE En la figura 11. se muestra el proceso que se necesita para obtener el etanol en una forma reducida de la figura 1. Los tres grandes grupos de materias primas que también se necesitan para este proceso que conduce a la obtención de azúcares. En el primer grupo del flujograma (figura 11.) se tiene los granos básicos como lo son el maíz, el trigo, la cebada, el sorgo, la papá y el ñame, todos estos son productos que se cultivan en Colombia, de estos obtenemos al almidón que a partir de un proceso de hidrólisis se convierte en azúcar. Al segundo grupo se le va a hacer un énfasis especial, aquí se tiene la caña de azúcar y la remolacha, estas son transformadas en melaza y luego el etanol. Las propiedades de las mieles de la caña de azúcar y de la remolacha se mencionan en la tabla 1. que nos permite ver detalladamente los compuestos de estás. De las melazas hay que tener presentes los minerales, los colorantes, el contenido microbiano, las condiciones del proceso en la fabricación y el almacenamiento. Por último en el tercer grupo se encuentran la madera, los desechos municipales o basuras, los desperdicios forestales etc. de estos se obtiene la celulosa que continua con un proceso de hidrólisis que termina en convertirse en azúcar. Los mostos o vinazas de destilería son los residuos del proceso estos permiten que hayan fermentaciones más rápidas retornando los compuestos nitrogenados y las sales minerales haciendo que se presente una mayor acidez en los fermentadores. Otros usos que se les pueden dar a los mostos es el de fertilizantes, para la alimentación animal, para la obtención de levaduras y para el biogás entre otros. Una vez se tenga la conversión de los hidratos en azúcares simples continua el proceso de fermentación de los azúcares en etanol hidratado llamada fermentación alcohólica en donde las enzimas70 luego vienen los microorganismos como levaduras, hongos y bacterias a completar el proceso, luego se realiza una elección en donde se separa la mezcla dependiendo del tipo o genero ya sean cultivos binarios, mixtos o trabajados genéticamente, los componentes minoritarios después de la fermentación es identificar los tipos de sustancias entre ellos los alcoholes superiores, los ésteres71, los ácidos y los aldehídos72 y verificar que importancia tiene cada una de estas sustancias durante el proceso. El siguiente paso es identificar los residuos lignocelulósicos como lo son la madera dura (eucaliptus), la madera blanda (pino), los residuos agroindustriales (bagazo) y 70 Enzima, proteína que cataliza específicamente cada una de las reacciones bioquímicas del metabolismo. 71 Véase nota al pie 13 72 Véase nota al pie 30



los cultivos agroenergéticos (cardo73), teniendo en cuenta la conversión de los materiales lignocelulósicos a etanol se obtienen las siguientes etapas básica: primero la hidrólisis de la celulosa del material lignocelulosico a azúcares reductores fermentables (catalizada74 por enzimas: celulasas), segundo la fermentación de los azucares a etanol (levaduras o bacterias), teniendo en cuenta que hay factores que pueden llegar a dañar el proceso de hidrólisis como lo es la porosidad de la materia prima la cristalinidad de la fibra celulósica y el contenido de lignina y hemicelulosa, a este etanol hay que hacerle un proceso de deshidratación75, luego se procede a la separación del etanol de los subproductos y así ya está listo para ser mezclado con gasolina, el etanol se puede mezclar de un 5% a un 25 % con la gasolina dependiendo de la normativa Para la obtención del etanol se necesita tener una fuente segura de abastecimiento de materia prima para poder asegurar el continuo suministro de alcohol.

COMPONENTE MIEL DE CAÑA MIEL DE REMOLACHA

Agua (%) 15-20 16-20

Materia Orgánica (%) 74 72

Sacarosa (%) 32 50

Glucosa (%) 14 1

Fructuosa (%) 16 1

Azúcares totales (%) 62 52

Nitrógeno total (%) 0.51 1.7

Proteína (%) 3.2 10.6

Ceniza (%) 12.4 7.4

TABLA 3. Mieles: Propiedades

73 Cardo, planta anual, de la familia de las Compuestas, que alcanza un metro de altura, de hojas grandes y espinosas como las de la alcachofa, flores azules en cabezuela, y pencas que se comen crudas o cocidas, después de aporcada la planta para que resulten más blancas, tiernas y sabrosas. 74 Catalizar, favorecer o acelerar el desarrollo de un proceso. 75 Deshidratar, perder parte del agua que entra en su composición.



2.3 MARCO LEGAL PARA LA PRODUCCIÓN Y EL USO DEL ALCOHOL CARBURANTE

En Congreso de la República de Colombia en el año 2001 aprobó la ley 693 que permite que la gasolina sea mezclada con el etanol a partir de septiembre de 2005 , el Gobierno Nacional establece que por ahora será permitido mezclar la gasolina con el 10% de etanol u alcohol carburante.

FIGURA 11. Cadena Productiva del Etanol carburante

Maíz, trigo, cebada, sorgo, papa, ñame

Almidones

Hidrólisis

Azúcar

Caña de azúcar, remolacha, melaza, mostos, biomasa…

Hidrólisis

Celulosas

Madera, desperdicios forestales, basura municipal

Fermentación Etanol hidratado

Deshidratación

Etanol deshidratado

E10 90% gas + 10%

GASOLINA



Por otro lado debido a la necesidad que el gobierno ve de prolongar las existencias de petróleo en el país ha introducido estímulos tributarios con la Ley 788 de 2002 que exime de impuesto de IVA, impuesto Global y sobre tasa al componente de alcohol de los combustibles oxigenados, también exime de los aranceles para la importación de los equipos que sean necesarios para el montaje de estas destilerías, para la mejora de los cultivos y para la infraestructura. La resolución 180836 expedida por el Ministerio de Minas y Energía el 25 de julio de 2003 que asegura la estabilidad de los productores de alcohol combustible, estableciendo la estructura de los precios de la gasolina corriente oxigenada, mostrando el marco legal para la conveniencia de la industria 2.4. REGIONES EN COLOMBIA EN LAS QUE SE PUEDE PRODUCIR ALCOHOL

CARBURANTE Una serie de factores geográficos y atmosféricos hace que Colombia tenga diferentes climas, ya que por su ubicación en la Zona Tórrida (Franja Ecuatorial) este debería tener temperaturas altas y su clima en general ser tropical, pero gracias a las cordilleras, las montañas, la mesetas, la cantidad de sol que incide a lo largo del territorio, la tradición agrícola, etc., hay una gran variedad de climas que a su vez hacen que haya una amplia gama de vegetación y fauna. Por esta razón Colombia es un excelente territorio para producir la biomasa necesaria para establecer refinerías de alcohol, y satisfacer los índices de este estipulados para mezclar con gasolina. Para tal fin se estima que se deben implantar alrededor de diez a doce refinerías a lo largo del territorio para poder producir 2.5 millones de litros diarios, cada una con capacidad entre los 150 y 300 mil litros diarios de alcohol, para tal fin es necesario ampliar las hectáreas sembradas de caña azúcar, de remolacha azucarera, de yuca y de palma africana, ya que hasta el momento se encuentran sembradas solo 430 mil hectáreas de caña de azúcar. El gobierno dispone las siguientes refinerías de acuerdo a la producción agrícola en el territorio colombiano: La Guajira-Cesar, Atlántico-Bolívar, Norte de Santander, Santander-Boyacá, Antioquia, Cundinamarca, Tolima – Huila, Quindío, Risaralda, Valle del Cauca, Cauca, Nariño, Meta y Casanare.76

76, Federación Nacional de Biocombustibles, Articulo: El ABC de los Alcoholes Carburantes , http://www.fedebiocombustibles.com/articulo02.htm; mayo 30 de 2007



2.5 PRODUCCIÓN EN COLOMBIA DE ALCOHOL CARBURANTE MEDIANTE LA REMOLACHA AZUCARERA

Dadas las condiciones geográficas y climáticas mencionadas anteriormente, la región de Boyacá y Cundinamarca se vuelven un escenario perfecto para la siembra de la remolacha azucarera. Debido a esto la firma Maquiltec ha decidido llevar a cabo la construcción de una de las plantas más modernas de alcohol carburante que se haya construido en Colombia, con una inversión inicial de 2 mil millones de pesos, ya que por 8 años continuos esta empresa ha venido haciendo estudios en los terrenos de Tuta, Boyacá, teniendo excelentes resultados, y se ha descubierto que a diferencia de Europa que por el continuo cambio climático ve limitada su producción de remolacha, así como el nivel de azúcar de 9 a 10 °Bx77 y el tamaño de las mismas; en Colombia se puede tener una producción continua, con un nivel de azúcar de 14 °Bx, y el doble del tamaño78, (alrededor de 3 a 4 kg.)79

FIGURA 12. Refractómetro

77 Los grados Brix (símbolo °Bx) miden el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. La escala Brix se utiliza, sobre todo, en la fabricación del zumo y del vino de fruta y del azúcar a base de caña o remolacha. La gravedad específica de las soluciones de la sacarosa también pueden medirse con un refractómetro (Ver figura X)). Por su facilidad de empleo, los refractómetros se prefieren sobre los aerómetros marcados para la escala de Brix. Los refractómetros de temperatura compensada evitan la dependencia de la temperatura de las medidas de la gravedad específica y requieren solamente una gota o dos de la muestra para tomar una lectura. "http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_Brix" ; http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_Brix 78 Ver figura 16. 79 Datos proporcionados por la firma Maquiltec el día 13 de abril de 2007



FIGURA 13. Peso aproximado de una remolacha azucarera en Colombia

Por otra parte el departamento de Boyacá se ve beneficiado, ya que se van a producir más empleos, y las tierras que no sean compradas por Maquiltec serán arrendadas a sus propietarios, permitiéndoles tener utilidades sobre sus tierras, por esta razón el alcalde de Tuta se comprometió a exonerar de impuestos a Maquilagro (Nombre de la planta productora cinco años.80

Maquilagro tendrá una producción de alcohol de 300 mil litros diarios, utilizando 21.55 hectáreas diarias de remolacha que equivalen a 2586 toneladas, para esto Maquiltec cuenta hasta el momento con aproximadamente 195 mil hectáreas.81

80 Fuente…http://eltiempo.terra.com.co / nación / boyacá 7 días 81 Datos suministrados por la firma Maquiltec el día 13 de abril de 2007



3. CAPÍTULO

DISEÑO DE LA PLANTA

3.1 PASOS DEL PROCESO 3.1.1. PASOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ALCOHOL CARBURANTE Y

EQUIPOS NECESARIOS A continuación se mostrara paso a paso el proceso: 3.1.1.1 Recepción de la remolacha: Una vez el cultivo sea recogido, se lleva a la zona de recepción en donde la remolacha pasa por un proceso de pre-lavado y se les retiran las hojas y las raicillas. 3.1.1.2 Lavado y secado: En este punto se recibe la remolacha después del pre-lavado y se lava por completo y se cepilla para retirar el exceso de tierra que hay en ellas y tratar desde el comienzo que el jugo no quede con impurezas. 3.1.1.3 Corte: Con las remolachas limpias se procede al cortado en una cortadora de vegetales industrial, el resultado final es rodajas delgadas, es decir, en tiritas o julianas para aumentar la superficie de contacto, lo que se quiere es aprovechar al máximo el jugo que nos puede dar la remolacha y entre más pequeño el corte más azúcar se puede absorber. 3.1.1.4 Extracción ó difusión: Las cosetas (remolacha en julianas) se someten a la acción del agua caliente la temperatura de esta debe ser de 85º C con un pH=3 y este proceso solo debe demorar una hora todo esto se elabora en una marmita de acero inoxidable, luego es sulfatada, por medio de un difusor que esta instalado dentro de la marmita que nos va a permitir agregarle a la mezcla SO2, Este procedimiento lo empleamos para eliminarle el color al azúcar, mediante el contacto del jugo con Dióxido de Azufre, el cual aplicamos al jugo y, en caliente.



FIGURA 14. Proceso de lavado de las remolachas 3.1.1.5 Prensado: Una vez sulfatada la mezcla se envía el líquido por medio de una bomba centrifuga a un filtro prensa donde se prensan las cosetas para retirar el agua, el azúcar y los solubles. los resultados son partículas sólidas y un primer jugo crudo que posee los residuos de la mezcla como son las partículas en suspensión, los azucares no disueltos y las sustancias coloidales82, estas sustancias son más conocidas como lodos. 3.1.1.6 Pre-encalado progresivo: En este momento se agrega al primer jugo crudo caliente que posee del 12% al 14% de azúcar una lechada de cal que equivale a cal disuelta en agua en un tanque plástico, esto se hace para subir lentamente el pH de la mezcla a un pH = 8.8 - 9.0 (el 35% del total) y así poder recalentar el jugo, neutralizar las cargas coloidales, precipitar las partículas en suspensión, hacer una coagulación83 de proteínas, una floculación84 de proteínas, el proceso de floculación es precedido por la coagulación, por eso muchas veces se habla de los procesos de coagulación-floculación, estos facilitan la retirada de las sustancias en suspensión y de las partículas coloidales. El pre-encalado también sirve para la neutralización de ácidos libres y la neutralización de sales acidas, todo este proceso se realiza en un tanque enchaquetado esto con el fin de mantener la temperatura que posee a su vez un

82 Coloide es una sustancia cuyas partículas pueden encontrarse en suspensión en un líquido, merced al equilibrio coloidal ; dichas partículas no pueden atravesar la membrana semi-permeable de un osmómetro que es un dispositivo que permite medir la presión osmótica entre dos disoluciones de un mismo disolvente 83 Coagulación, formación de una aglomeración sólida, llamada coágulo, a partir de un fluido orgánico. 84 La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutina las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior remoción. Es un paso del proceso de potabilización de aguas de origen superficial y del tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de la minería.



visor agitador, una termocupla, un control de entrada y salida del vapor y un respiradero. 3.1.1.7 Encalado: Al jugo pre-encalado se le agrega el resto de la lechada de cal que equivale al 65% restante del tanque, esto se hace con la mezcla previamente calentada, con el fin de crear primero una reacción química ya que gran parte de los ácidos orgánicos e inorgánicos reaccionan y originan sales cálcicas insolubles que luego se separan, precipita las materias pécticas85 en general, colorantes, gomas, parte de albuminoides86, descompone el azúcar invertido, lo que confiere termo estabilidad al jugo. Por otro lado ocurre un proceso de esterilización donde se mata y arrastra en la precipitación gran cantidad de bacterias y fermentos, con lo que se evitarán fermentaciones y descomposiciones, inversión de azúcar y aumento de acidez. Y por último se ocurre una precipitación y arrastre de de finas partículas y fibras de los tejidos de las cosetas y los diferentes coloides coagulados desde el pre-encalado; todo el proceso de encalado se lleva a cabo dentro de la misma marmita enchaquetada 3.1.1.8 Primera carbonatación: De la misma forma en la que se le adiciono a la mezcla inicial SO2 por medio de un difusor, se le agrega a este jugo encalado CO2 ya que con esta operación se consigue precipitar en forma de carbonato de calcio la cal en exceso, eliminar por adsorción87, adheridas a las moléculas de CaCO3, las partículas gelatinosas más densas, continuar la precipitación de las sustancias colorantes y liberar la sacarosa que se encuentre como sacarato cálcico. 3.1.1.9 Separación de precipitados: Ya con el jugo carbonatado se hace una decantación que dura aproximadamente dos (2) horas y una filtración en donde se separan del “jugo claro” todo el CaCO3

85 Las materias pécticas son polisacáridos que se componen principalmente de ácidos poligalacturónicos coloides (poliurónidos derivados del ácido galacturónico CHO(CHOH)4COOH. Se hallan en los tejidos de las plantas. Las pectinas son útiles por su capacidad para formar geles o jaleas con compuestos polihidroxilados, como los azúcares o con cantidades diminutas de iones polivalentes. 86 Los albuminoides son los cuerpos orgánicos de mayor complicación. No solamente se componen de C, H y O, sino que en ellos entra siempre el nitrógeno (N), casi siempre el azufre (S) y a veces, también, el hierro (Fe), el fósforo (P) y todos los demás elementos biogenésicos. En realidad, los albuminoides son los únicos cuerpos orgánicos constituyentes de la materia viva. Las grasas, los hidratos de carbono y demás principios inmediatos son simples productos fabricados por parte viva de los seres orgánicos. 87 La adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.



junto con las partículas retenidas por adsorción, adheridas a sus moléculas formados con la carbonatación. 3.1.1.10 Segunda carbonatación: Para quietar el resto del carbonato se calienta el jugo y se realiza la misma operación que en la primera carbonatación pero esta es con el fin de rebajar la alcalinidad88 del jugo clarificado, precipitar en forma de CaCO3 la cal restante, eliminar por adsorción, adheridas a las moléculas de CaCO3, las partículas gelatinosas más densas (flóculos89 ya formados) y continuar la precipitación de las sustancias colorantes. La carbonatación de jugo encalado se realiza en dos etapas para evitar la redisolución 3.1.1.11 Segunda filtración: Esta filtración se hace con el fin de separar del jugo todo el CaCO3 junto con las partículas retenidas por adsorción adheridas a las moléculas. Estos lodos o residuos pueden ser utilizados en el proceso de pre-encalado. 3.1.1.12 Sulfitación: Se burbujea S02 para aclarar el jugo y reducir su viscosidad. 3.1.1.13 Evaporación: Hasta el momento el jugo tiene un contenido de 14º Brix90 entonces debe ser sometido al evaporación para que el jugo alcance su máxima concentración que equivale a 65º Brix, una vez el jugo tenga este nivel se pasa a la fermentación. 3.1.1.14 Fermentación: El proceso de fermentación puede durar entre dos (2) y cinco (5) días dependiendo de la cepa de levadura que se utilice, la levadura tiene dos componentes la urea que funciona como alimento y el ácido fosforito o el ácido cítrico, el ideal es que la solución tenga un pH = 6 y este a una temperatura constante de 30º C, la fermentación se debe hacer en el tanque enchaquetado o en un fermentador que posea como ya se había mencionado un visor, un agitador, termocupla, control de entrada y salida del vapor y un respiradero para el gas carbónico

88 La alcalinidad significa la capacidad del agua de neutralizar. Evitar que los niveles de pH del agua lleguen a ser demasiado básico o ácido. Es También añadir carbón al agua. 89 Flóculos son la concentración de bacterias filamentosas 90 Véase nota al pie 71



3.1.1.15 Destilación del alcohol: Este proceso se hace por medio de una torre que esta conectada al tanque que mide entre 7m y 8m de altura para destilar 100 litros, esta torres lleva fragmentos con distintas temperaturas y el paso del jugo concentrado por cada una de esas temperaturas va tener un resultado diferente en este caso se requiere destilar el jugo en forma de alcohol de 35º 3.2 PLANTAS DE POTENCIA CONVENCIONALES91 En general se podría definir una planta de potencia como una instalación energética cuya finalidad es convertir la energía de fuentes primarias (combustible = alcohol carburante) en energía útil para realizar un trabajo, ya sea generación de energía eléctrica o calorificación para procesos determinados. Es evidente que en una central térmica se encuentran muchos parámetros por manejar y sus formas tecnológicas varían tanto como necesidades energéticas tenga que dar solución, se podría entonces definir varias clasificaciones dependiendo de la característica escogida como criterio. Sin embargo por razones de brevedad se mencionaran las clasificaciones más importantes:

1. Una primera clasificación la otorga el tipo de ciclo de potencia usado, de ahí que se encuentren plantas con ciclos de vapor y plantas con ciclos de gas.

2. La especie de energía suministrada proporciona otro tipo de clasificación: las centrales termoeléctricas con instalación de condensado y turbogrupos de vapor de condensación que solamente suministra energía eléctrica, y las plantas térmicas que además de proporcionar al consumidor electricidad proveen una buena disposición de energía calorífica ya sea en forma de vapor o de agua caliente como calefacción, destilación, secado, ventilación, etc.

3. Según la clase de combustible empleado, es decir, la fuente de energía primaria de la cual dispone para su funcionamiento. Se encuentran plantas que operan con combustible sólido (diferentes tipos de carbón), líquido (destilaciones de petróleo, alcohol carburante), o gaseoso. La planta puede operar con una sola clase de estos energéticos o a base de adecuadas combinaciones; por ejemplo las plantas que utilizan ciclo de vapor manejan para el hogar de la caldera cualquier clase de combustible (carbón92, gas, fuel oil), las turbinas de gas usan principalmente combustible gaseoso o líquido y algunas centrales por ser de ciclos combinados emplean las tres clases.

91 LAGOS, Cesar y CORREA, Mauricio. Análisis Económico Comparativo entre Ciclos de Cogeneración y un Sistema Independiente de Generación de Vapor y Electricidad, Facultad de ingeniería. Bogotá D.C., 1995. 92 Ver anexo 3. Producción y exportaciones de Carbón; boletín estadístico UPME 1999 – 2005



Naturalmente de acuerdo a esta categorización se definen importantes aspectos técnicos.

4. La máquina motriz principal empleada para el accionamiento del generador, que tiene estrecha relación con el ciclo de potencia (vapor o gas), define las plantas con turbinas de vapor y finalmente con motores de combustión interna (motores de combustión interna de 4 y 2 tiempos)93

5. Nivel de potencia de la planta. Generalmente cuando se habla de centrales termoeléctricas se puede hacer una simple distinción según la potencia generada, así:

Centrales de gran potencia : más de 1.000 MW Centrales de media potencia: entre 100 y 1.000 MW Centrales de baja potencia: menos de 100 MW

Existen muchas más clasificaciones en concordancia con aspectos técnicos y operacionales que no serán parte del estudio.

Según la estructura tecnológica Según el tipo de generadores de vapor Según parámetros termodinámicos (presión, temperatura, etc.)

Como base del diseño de este trabajo se resaltaran los principales factores que influyen en el cálculo de una central térmica así como las principales características que debe satisfacer para su adecuado funcionamiento para el diseño, su construcción y puesta en servicio se debe tener en cuenta:

Localización geográfica y emplazamiento (recurso energético y consumidor) Disponibilidad y costo del combustible (en este caso el alcohol carburante

obtenido de la remolacha azucarera) Disponibilidad del agua Carga eléctrica y térmica a satisfacer, para calcular la capacidad Fuentes alternas de energía Costo total inicial Cargas de amortización

Una vez se escogen los equipos teniendo en cuenta los parámetros anteriormente mencionados y puesto en servicio, debe seguir cumpliendo varios requisitos:

Confiabilidad de suministro eléctrico y térmico Buena maniobrabilidad en la operación

93 Las plantas de vapor, además de la turbina de vapor, también pueden emplear máquinas de pistón y pueden ser con o sin condensador. Sin condensador tienen de 7 a 10% de aprovechamiento de la energía del combustible; condensador alcanzan hasta un 32%. Las plantas con motores de combustión interna usan gases, derivados del con petróleo o en este caso alcohol carburante, al igual que las turbinas de gas.



Eficiencia Seguridad para los operarios Cumplir normas de preservación ambiental. Rentabilidad económica

Una versión simplificada de una central termoeléctrica se encuentra en la figura 15., en la cual se identifican los cinco equipos principales de los que consta la planta: generador de vapor (GV) o caldera. Turbina (T), condensadores (C), bombas de alimentación (BA) y generador eléctrico (GE). Esta central termoeléctrica que se toma como ejemplo, es una con turbina de vapor, lo que ya define para el servicio térmico una serie de características tecnológicas que son muy propias para este tipo de plantas.

FIGURA 15. Esquema General de una planta térmica a vapor



Vía combustible – gas – aire: Entra el servicio de combustible (SC), se incluyen dispositivos de recepción y descarga, mecanismo de transporte, dispositivo de combustible (sólido y líquido), dispositivos para la preparación del combustible. Además se tiene para la preparación del combustible antes de ser quemado (PC), bombas de trasiego y calentadores; el combustible líquido o gaseoso se suministra al hogar del generador del vapor (GV) por medio de tuberías adecuadas. El combustible sólido se muele y se seca en una instalación de preparación de polvo ubicada en los generadores de vapor. La preparación del combustible gaseoso se limita a regular su presión antes de llegar al hogar. Los productos de la combustión son succionados por los aspiradores de humo (AH) y por los conductos de humo (CH) se expulsan. Para aumentar la eficiencia global de la planta, es posible que estos “desechos” de la combustión se utilicen, pues aún poseen alguna cantidad apreciable de calor; se podría emplear en una pequeña turbina de gas, para generación eléctrica o para calentar el bombeado hacia el GV. La parte incombustible de los combustibles sólidos se deposita en el hogar en forma de escoria (E), y una parte insignificante en forma de pequeñas partículas es arrastrada por los gases de combustión. Para proteger la atmósfera de estas pequeñas partículas, se instalan los captadores de cenizas (CC). Las escorias y las cenizas (C) se evacuan (EEC) por vía hidráulica fuera de los límites de la central. El aire necesario para la combustión se suministra al hogar con ayuda de los ventiladores sopladores (VS). Los aspiradores de humo, el conducto de humo y los ventiladores sopladores componen la instalación de tiro y soplado. Vía vapor – agua: Incluye la sección de vapor y agua del generador de vapor, la turbina (T), la instalación del condensado, incluyendo el condensador (C) y la bomba del condensado (BC), el sistema de suministro de agua técnica (SAT) con bombas de agua refrigerante (BAR), la instalación de preparación del agua de alimentación, que incluye la depuración del agua (DA), los calentadores de alta y baja presión (CAP y CBP), las bombas de alimentación (BA) y también las turbinas de vapor y agua. En el ciclo de combustible su energía se transmite en forma de calor por radiación y convección a través de las paredes del sistema de tubos del generador de vapor, al agua y al vapor. La energía térmica del vapor se transforma en la turbina de energía cinética y hay un aumento de velocidad del rotor a expensas de una caída de la presión del vapor. La energía mecánica de rotación se transforma en energía eléctrica gracias al acoplamiento de rotores, que se suministra a las necesidades del usuario. El calor del cuerpo de trabajo usado en las turbinas puede ser usado por la necesidad térmica del consumidor; después el condensador retorna el vapor al ciclo con ayuda de las bombas de condensado.



3.3 CICLOS SUPERIORES E INFERIORES Los proyectos de cogeneración pueden emplear ciclos de potencia superior (topping cycles) o inferior (bottoming cycles). El ciclo superior es el más utilizado en la industria. El ciclo inferior es de limitada aplicación por su alto costo y la posibilidad de ser más eficiente la recuperación de la corriente de vapor. 3.3.1 CICLO SUPERIOR En este ciclo la fuente de energía primaria es utilizada para producir potencia útil de salida eléctrica o mecánica partiendo del vapor a alta presión (o de combustible). El calor reinyectado de la producción de potencia es entonces usado para suministrar energía térmica útil. El ciclo superior, utilizado en muchas industrias en su proceso consiste e calderas de alta presión (generalmente de 600 – 1500 psig94), las cueles generan vapor para turbinas de contrapresión. La turbina a su vez mueve un generador o impulsa otra máquina, suple sus pérdidas y la mayoría del contenido energético restante permanece en el vapor para luego ser utilizado para el proceso (Ver figura 15). En cuanto a la generación eléctrica se obtienen rangos típicos de 4500 BTU95/kWh a 6500 BTU/kWh 3.3.2 CICLO INFERIOR En el ciclo inferior la fuente de energía primaria es utilizada para procesos de calor y la reinyección del calor de salida desde los procesos es entonces usada para la producción de la potencia. En este ciclo se usa temperaturas de trabajo bajas en varios arreglos para producir vapor de proceso o electricidad.

3.4 ASPECTOS TÉCNICOS 3.4.1 RELACIÓN POTENCIA – CALOR

La relación potencia – calor es un parámetro muy importante para determinar los requerimientos de potencia y vapor del proceso de un sistema cogenerativo. Este parámetro se define como la cantidad de potencia al eje de generación (típicamente en kW) producida por un MBTU/hora de vapor entregado. En este caso se requiere

94 Siglas de "pounds per square inch gauge" - libras por pulgada cuadrada manométrica. La presión manométrica siempre ignora la primera atmósfera absoluta (14,696 psia). 95 The British thermal unit (BTU or Btu) is a unit of energy used globally in the power, steam generation and heating and air conditioning industries. Although it is in common use in these industries, in scientific use it has been replaced by the SI unit of energy, the joule (J). http://en.wikipedia.org/wiki/British_thermal_unit



0.3265 MMBTU/hora de calor (130 BHP) y 100 kW de potencia entonces la relación potencia calor será:

RPC = 100Kw / 0.3265 Mbtu/hora RPC = 306.25 kW/ Mbtu/hora

FIGURA 16. Sistema de cogeneración simple de ciclo superior

En la tabla 4. se muestra un resumen de usos y características de los diferentes tipos de cogeneración industrial. 3.4.2 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS NECESARIOS PARA LA PRODUCCIÓN

DE ENERGÍA TÉRMICA Y ELÉCTRICA

A continuación se mencionaran los equipos más importantes para el sistema de cogeneración, sus aspectos técnicos más importantes así como sus ventajas, desventajas y aplicabilidad, estos equipos han sido escogidos de acuerdo a los criterios mencionados anteriormente (numeral 3.2. PLANTAS DE POTENCIA CONVENCIONALES), entre otros:

Se debe tener en cuenta que la producción de jarabe y de alcohol carburante es de 250 litros diarios por lo tanto los equipos (marmitas, prensas) deben cumplir con un volumen adecuado para el almacenamiento de esta cantidad.

El costo de los equipos es esencial ya que a la larga de esto depende que el proyecto sea viable por lo tanto uno de los factores en la escogencia de los equipos es el precio, esto sin que se altere la calidad y la funcionalidad de los mismos.

Cada uno de los equipos deben cumplir con las características y los parámetros técnicos necesarios para el buen funcionamiento de la planta y que a su vez vayan de la mano con el sistema de cogeneración, esto quiere



decir que tengan implantado un sistema que les permita entrar en funcionamiento en este tipo de plantas.

3.4.2.1 Calderas También llamados generadores de vapor; es un grupo de elementos que convierten agua en vapor. La instalación de una caldera depende de tres partes fundamentales:

El hogar, que es el lugar donde se lleva a cabo la combustión La caldera propiamente dicha, que es el receptáculo que contiene el agua que

se va a evaporar, la cual recibe a través de sus paredes el calor de los gases producto de la combustión.

Las galerías que son conductos por los cuales circulan los gases de la combustión, cediendo calor al agua de la caldera.

Las calderas de vapor se clasifican atendiendo a la posición relativa de los gases calientes y del agua, en acuatubulares y pirotubulares; por la posición de los tubos en verticales, horizontales e inclinados; por la forma de los tubos, de tubos rectos y tubos curvados; y por la naturaleza del servicio que prestan en fijas, portátiles, locomóviles y marinas. Las calderas también se pueden clasificar de acuerdo a la presión en: baja presión (BP) ≤ 30 bares y caldera de alta presión (AP) > 60 bares; y de acuerdo al combustible utilizado. 3.4.2.2 Turbinas de vapor 3.4.2.2.1. Aspectos generales: La turbina de vapor, el fluido de trabajo se genera en una caldera mediante agua líquida comprimida y calor; en las turbinas de gas existe preinstalado un quemador alimentado por aire a presión y el combustible apropiado. Las turbinas presentan bastantes ventajas prácticas como buen aprovechamiento de la energía térmica, fácil regulación de la velocidad, puesta en marcha rápida y la posibilidad de ocupar en otros procesos el vapor descargado. Pero con respecto a los motores de combustión interna la mayor ventaja es que el combustible utilizado para generar el vapor es más barato que el combustible refinado que necesitan los motores Otto y Diesel; además las turbinas son un modelo más eficiente cuando se requiere generar a altas potencias, pues con ellas se ha logrado llegar hasta los cientos de megavatios. Las turbinas ya sean de vapor o de gas, pueden ser de tipo axial o radial. En las de tipo radial el fluido sigue la dirección del radio pudiendo ser hacia adentro o hacia fuera aunque la mayoría de turbinas corresponde a los de tipo axial en donde la dirección del fluido es paralela al eje.



3.4.2.2.2. Clasificación: las turbinas que descargan el calor residual a la atmósfera a través del agua de refrigeración son conocidas como de condensación; tienen a la salida una unidad de condensado (intercambiador de calor) y requieren menos vapor para una cierta potencia que otros equipos. En el condensador abate el volumen del vapor y a través de una bomba el líquido se reingresa a la caldera. Las turbinas de contrapresión no poseen unidades de condensado sino que más bien descargan el vapor a una presión menor que la atmosférica y aún con alto contenido de energía térmica. El vapor es útil en otros procesos. El campo de aplicación de estas turbinas se circunscribe a la industria que demanda continuamente grandes cantidades de vapor a una o más presiones. Las turbinas de extracción posibilitan la salida la salida del vapor en alguna de las etapas de la turbina. Combinando estas tres opciones se puede en una primera aproximación, clasificar las turbinas en los siguientes tipos.

Turbina de contrapresión sin extracción. Turbina de condensación sin extracción Turbina de contrapresión con extracción simple Turbina de contrapresión con doble extracción Turbina de condensación y extracción simple Turbina de condensación y doble extracción.

El vapor del generador a presión PO se suministra a una turbina, donde se expande en cada una de sus etapas para que finalmente presente a la salida una presión menor. El calor residual es dirigido hacia el proceso. El vapor que sale de la turbina de contrapresión reconsume solo en la cantidad necesaria para el consumidor de calor, razón por la cual la potencia que desarrolla la turbina no puede ser arbitraria, sino que se determina por la carga del proceso.

Es evidente que seria muy difícil asegurar simultáneamente el total del consumo de calor y electricidad, por lo que generalmente se diseña la turbina para suministrar el ciento por ciento de calor o de electricidad; en el primer caso el déficit de electricidad se supera comprándola a la red pública y en ele segundo caso el resto del vapor se asegura instalando un pequeño generado de vapor. Estas turbinas tienen la característica de ser económicas gracias a su sencillez de instalación. Cuando algunas industrias requieren para las procesos más de una presión de utilizan turbinas de contrapresión con extracción, las cuales se combinan con la red de la Empresa de Energía para balancear la demanda de vapor y electricidad. La extracción es automática, lo que implica que el flujo de vapor en la extracción es controlado para mantener la presión en el cabezal de vapor independiente del flujo de extracción.



TABLA 4.Características de varios sistemas de conversión de energía usados en

instalaciones cogeneradoras industriales

SISTEMA CAPACIDAD (MW)

RELACIÓN DE POTENCIA A

CALOR (KW/MTBU/H)

COMBUSTIBLE CARACTERÍSTICAS

CICLOS SUPERIORES

Con motores Diesel 0.5 a 2.2 400:1

Aceites combustibles, destilados ligeros o residuales, biodiesel, bioetanol. También gas natural.

Industrias que requieren poco vapor. La capacidad de generación de electricidad es alta

Con Turbina a Gas 0.5 a 75 200:1

Gas natural, gases sintéticos de bajo BTU, aceites destilados ligeros, etanol, metano, bioetanol y biometanol.

Se puede producir un exceso de electricidad, la instalación debería ser capaz de vender este exceso.

En Ciclo Combinado (Turbina de gas y de vapor)

1 a 150 150:1

Combustibles líquidos y gaseosos para la turbina a gas. Las calderas de vapor pueden utilizar combustibles sólidos líquidos o gaseosos.

Requiere de transmisión de electricidad en los casos donde toda la energía eléctrica no puede ser consumida por la industria.

Con Turbinas de Extracción 1 a 600 45 a 75:1

Mayor flexibilidad en el uso del combustible

Cogeneración preferida por las empresas de energía. Adaptabilidad de los requerimientos de vapor de proceso.

Con Turbina de Contrapresión

1 a 600 45 a 75:1 Mayor flexibilidad de combustibles (de todo tipo)

Industrial donde el vapor se requiere como parte del calor del proceso

CICLOS INFERIORES Con Calderas de recuperación de Calor

0.5 a 10 -----

Calor a alta temperatura que de otra forma se desperdiciaría

Incineradores y hornos industriales

Con Máquina de Ranking con fluido Orgánico

0.5 a 1 ----- Calor de desecho a temperatura superior a 316 °C (600 °F)

Los fluidos orgánicos son tóxicos e inflamables, por lo tanto peligrosos



El grupo de turbinas con extracción tiene una amplia gama de aplicaciones industriales y puede tener presiones de entrada entre 150 psig hasta más de 1000 psig, temperaturas iniciales que van desde 500 °F hasta 900 °F y presiones de extracción comprendidas entre la atmosférica y 400 psig. Las turbinas de extracción poseen válvulas automáticas que mantienen constante la presión del vapor en una o más aberturas en la carcasa de de la turbina. Cuando la presión sube en la línea de la extracción el controlador abre la válvula lo suficiente para normalizar la presión. Por otro lado están las microturbinas96 que generan electricidad en rangos comprendidos entre 30 y 500 kW, produciendo bajas emisiones de óxido de nitrógeno y otros contaminantes. La microgeneración, se refiere a centrales que producen electricidad y calor con potencia eléctricas inferiores a los 500 kW, sus aplicaciones son normalmente en climatización de edificios pequeñas industrias, hoteles, escuelas, hospitales, oficinas, centros deportivos etc., en este caso este es el tipo de generación que vamos a emplear ya que necesitamos generar 100 Kw, ya que la energía eléctrica que se requiere en los diferentes sectores es la siguiente:

1. Un centro educativo agropecuario que va ser utilizado por los estudiantes del SENA para realizar prácticas en cultivos de tierras frías, y utilizar la planta productora de alcohol carburante de forma experimental, la energía que se produzca en la planta va a alimentar una centro de mecánica agroindustrial y metalmecánica con motores de 60hP que van a consumir aproximadamente 45 kW.

2. Plantas ordeñadoras, se van a disponer aproximadamente de 2 equipos para 5 ó 4 vacas, estas plantas tienen un consumo aproximado de 20 kW.

3. La iluminación de toda la finca (12 hectáreas), incluyendo las zonas de práctica de los estudiantes, la zona residencial, etc. Junto con las diferentes necesidades energéticas de la finca tienen un consumo aproximado de 30 KW

Utilizaremos la microgeneración ya que se trata de un centro aislado y para minimizar también los costos de generación autónoma y recuperación térmica. El modo de funcionamiento de la microturbina no difiere mucho de una turbina convencional. La diferencia principal se encuentra en el hecho de tener un ciclo de recuperación para mejorar el rendimiento eléctrico.

96 Microturbinas, aplicaciones en microgeneración, Manel Blasco i Busquets, Ingeniero Industrial



A diferencia de otras turbinas, las microturbinas tienen limitada la potencia máxima por la electrónica. Esto permite que, cuando hay otros efectos que afectan a la carga como la altitud, se pueden compensar por la temperatura. Otras características de las microturbinas son: las microturbinas disponen de un sistema de control automático que permite una regulación de potencia variable según las necesidades, puede funcionar a plena carga constante, el modo de funcionamiento permite adaptarse a las limitaciones del emplazamiento en cuanto a las posibilidades de exportar a la red. 3.4.2.3. Generador eléctrico97: Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y secundarios. Son generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, mientras que los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente. Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento. 3.4.2.4 Interruptor ETU20 3.4.2.4.1 Campo de aplicación: dependiendo de su ejecución, los interruptores automáticos son apropiados:

Para distribuciones trifásicas, como interruptor de alimentación y de derivación

Para maniobrar y proteger motores, generadores, transformadores y condensadores,

Para máquinas de mecanización y procesos, como interruptores principales; aquí se deberá tener en cuenta las prescripciones relacionadas con la seguridad, el montaje y el accionamiento

Como dispositivo de PARADA de EMERGENCIA, cuando el interruptor automático esté equipado con un disparador de mínima tensión y se emplee asociado a un aparato de mando de PARADA de EMERGENCIA.

97 Generador eléctrico http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctrico



3.4.2.4.2. Selección de interruptores automáticos: a la hora de seleccionar los interruptores automáticos, se han de observar, por ejemplo, los siguientes criterios:

La intensidad de empleo de la distribución/salida determina el tamaño y la intensidad asignada In del interruptor

La intensidad de cortocircuito prevista en el lugar de instalación del interruptor y la tensión de empleo de la distribución determinan el poder de corte del interruptor

3.4.2.4.3. Generalidades:

No se requiere alimentación auxiliar para el sistema de disparo Tienen una memoria térmica Tiene un LED verde intermitente señaliza el funcionamiento correcto del

microprocesador El estado de sobrecarga (I > 1,05 × IR) se señaliza con luz permanente del

LED amarillo Función de autoverificación integrada Entrada para equipo de comprobación

FIGURA 17. Protección de distribuciones y generadores - ETU20

3.5. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS EQUIPOS QUE SE VAN A UTILIZAR EN EL DISEÑO DE LA PLANTA

A continuación se mencionaran las especificaciones técnicas de los equipos que van a ser empleados en la planta según las cotizaciones realizadas, desde la producción del jarabe hasta la producción de energía eléctrica. 3.5.1. CORTADORA DE VEGETALES INDUSTRIAL: Construida en su totalidad en materiales inoxidables, referencia: SD: 1390 / MC; producción hasta 4.000 Kg/h., monofásico o trifásico según necesidades (220-50Hz.1,5 Kw. 6, 4 A ó 380-50Hz.1,5 Kw. 3,7 A.).



Compuesta por cabezal alimentador automático y cabezal, Alimentador hortalizas alargadas (puerros, zanahorias, remolachas, etc.), dotada de los siguientes accesorios:

FIGURA 18. Potencia y rendimiento a temperatura ambiente, nivel del mar.

Discos de corte: de 3, 10 y 16 mm. Cortadora en tiras de 10X10 mm. Rejillas cortadoras de cubos de 12.5X12.5 y 25X25 mm. Rallador de 3 y 6 mm. Hueco en parte inferior para guardar discos y rejillas

3.5.2. MARMITA DE 150-250L EN ACERO INOXIDABLE

Dimensiones: 1200X900X850mm. Capacidad 250 litros. Potencia: 34 kW Referencia: SD : 1855 / MC Superficie trabajo en acero inoxidable AISI 304 Espesor 15/10. Revestimiento frontal, lateral y posterior en acero inoxidable. AISI 304, fondo

en acero inoxidable AISI 316.



Recipiente de bordes redondeados, quemadores de combustión optimizada y elevada potencia, con válvula de seguridad termopar y llama piloto, grifo de agua caliente y fría y grifo para descarga.

Calentamiento indirecto con visor para control de nivel de agua y sistema para la detección de ausencia de agua.

3.5.3. TANQUE ENCHAQUETADO 150-250L EN ECERO INOXIDABLE

Dimensiones: 1200X900X850mm. Groen modelo DTA-30-80 Marmita enchaquetada de vapor tipo inclinación con labio que vierte. Base

tubular 14,500.00, 150 litros, Acero inoxidable. Agitación moción doble con las láminas del raspador estilo

inclinación hacia fuera. 45 psi asme Chaqueta. Número de serie 51850.

3.5.4. BOMBA CENTRIFUGA Y FILTRO PRENSA

Bomba centrífuga de acero inoxidable con componentes internos pulidos. Caudal máximo: 18,0 litros/min Carga máxima: 2,0 bar Motor: 0,25kW, 2.800 rpm

Un filtro prensa totalmente autónomo de placa y marco construido totalmente en acero inoxidable. Una bomba centrífuga integrada en el bastidor está conectada a la entrada del filtro mediante una válvula de mariposa y un manómetro. El paquete filtrante consiste en cuatro placas y cuatro marcos que aceptan un total de siete hojas filtrantes de 200mm x 200mm. El paquete filtrante y las hojas son comprimidos manualmente usando un tornillo de acero endurecido. La superficie filtrante tiene un área de 0,22m2 y la capacidad de sólidos es de 1,5 litros. Una válvula de contrapresión está situada en la salida del filtro.

El filtro prensa tiene una altura: 0,57m – Ancho: 0,73m

Profundidad: 0,30m Volumen: 0,5m3 Peso Bruto: 1 20kg

3.5.5. BOMBA DE VACIO

Marca: Thomas (USA) Vacío a nivel del mar: 15 "hg Peso: 6kg Sistema de vacío: Diafragma



Potencia: 1/12 hP Máxima presión 20psi Motor: 1700 rpm. Voltaje: 110 - 115 v.a.c. Desplazamiento: 1.4 cfm 40 litros-min.

3.5.6. CALDERA

Marca : “CONTINENTAL” Modelo: F92C150E-2M Operación : Modulada Capacidad: 150 BHP Generación a 212 °F: 5.175 Libras/hora Presión de trabajo máxima: 250 Psig Presión de prueba hidrostática: 375 Psig Piloto : Alcohol carburante Combustible: ACPM-alcohol carburante. y/o carbón.

3.5.7 TURBOGENERADOR Turbina

Marca Elliott PYR single stage stem turbine Potencia 110 kw Velocidad 3600 rpm Vapores de entrada 250 psig Temperatura hasta 752ºF Vapores de salida 30 psig Tarifa estimada de vapor 5.175 Libras/hora

Generador

Marca Elliott Tipo 2 polos sincrono Voltaje 440 V Factor de la energía 80% Temperatura hasta 752ºF Velocidad 3600 rpm

Características y beneficios

Costo inicial bajo Alta fidelidad



Tiempos de proceso competitivos Diseño compacto mantenimiento simple Soporte central fuerte Recubrimiento exterior en acero Boquilla reemplazable Vida útil 50.000 horas Válvula de escape separada Almacenamiento del combustible horizontal

3.5.8. INTERRUPTOR

Marca Siemens Serie ETU20 Protección contra sobrecarga IR 0,4; 0,45; 0,5 a 0,95; 1 × In Protección contra cortocircuito (retardo breve) Isd = 1,5 a 10 × IR, tsd = 0

a 0,5 s I2t activable/desactivable Protección contra cortocircuito (instantánea) Ii = 11 × In (fijo) 1)

FIGURA 19. Microturbina Elliott PYR single – stage

3.6. LISTADO GENERAL DE EQUIPOS Y MATERIALES El listado de todos los equipos y materiales que se necesitan en la planta es el siguiente.



ITEM PLANTA PROCESADORA DE ALCOHOL CARBURANTE CANT UNID

1 Cortadora de vegetales 1 UNI

2 Cuchillas para la cortadora de vegetales 2 UNI

3 Marmita de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI

4 Tanque enchaquetado de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI

5 Bomba centrífuga 20 LPM en acero inoxidable 1 UNI

6 Tanque plástico de 250 L. 2 UNI

7 Bomba de vacío de 15 mm Hg. 1 UNI

8 Filtro prensa 1 UNI

9 Cilindro de CO2 * 25 kilos 1 UNI

10 Cilindro de So2 * 25 kilos 1 UNI

11 Tubos de 6m * 1/4" en acero inoxidable 3 UNI

12 Codos de 1/4" en acero inoxidable 12 UNI

13 "T" de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI

14 Uniones tri-clamp de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI

15 Válvulas de bola 1/2 vuelta de 1/4" en acero inoxidable 6 UNI

16 Manómetro 0- 100 psi 2 UNI

17 Manómetro de vacío 1 UNI

18 Termómetro bi-metálico 3 UNI

19 Caneca de acero inoxidable 2 UNI

20 Difusor 1 UNI

21 Fermentador 1 UNI

22 Destilador 1 UNI

23 Caldera 1 UNI

24 Turbogenerador 1 UNI

25 Subestación, protecciones, montaje, pruebas y puesta en servicio, obra civil y planta de tratamiento 1 GL

TABLA 5.Listado general de equipos y materiales



3.7. DISEÑO DE LA PLANTA GENERADORA

FIG

UR

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4. CAPÍTULO

ESTUDIO FINANCIERO

Desde el punto de vista de cualquier inversionista este estudio es el de mayor importancia, pues provee una buena idea acerca de la gerencia financiera del proyecto. Un análisis financiero, además da cuenta de la situación económica que atraviesa la entidad que ejecutará el proyecto. Adicionalmente se establece información relevante sobre las posibles fuentes y los costos del financiamiento, si es con recursos propios o con modalidad de prestamos (nacionales o internacionales); o si corresponde a un modelo mixto de financiación. Se establecen criterios y términos para el manejo de las inversiones y de la deuda, así como, se identifican la necesidad de liquidez y de fondos de inversión para construir el mejor plan de financiamiento. El estudio financiero otorga recomendaciones entre el manejo de las depreciaciones y establece bases para definir costos de oportunidad de los recursos del inversionista, y los costos que se pueden catalogar como muertos. Para finalizar una comparación, se requiere establecer parámetros adecuados y en este sentido el aspecto financiero se constituye como herramienta fundamental para llegar a la etapa de decisión. Una vez que se realiza el estudio financiero se pasa a la etapa de evaluación; ésta cumple tres objetivos básicos: primero determina hasta donde todos los costos pueden ser cubiertos oportunamente y así contribuye a diseñar el plan de financiamiento a través de un proceso de realimentación de información. Segundo, mide la rentabilidad de la inversión realizada. Tercero, genera la información necesaria para realizar la comparación buscada. Los costos que genera el proyecto no son fácilmente distribuibles entre los dos productos de la cogeneración (vapor y electricidad), es más, esta asignación de recursos no es univoca. Proyectos en los que se tiene propósito múltiple siempre presentan la dificultad de establecer un equilibrio en el porcentaje de inversión del estudio financiero Una manera de repartir las inversiones para cada necesidad se ilustra empleando algún método basado en contenido de energía primaria que resulta en los productos, se distribuyen los costos en proporción a la energía requerida para la producción de cada uno de ellos. En primera instancia se supone que se abastece por completo los requerimientos del vapor, y la energía eléctrica se considera como subproducto.



A esto se le llama método de prorrateo basado en la prioridad del uso: el vapor requiere prioridad y la instalación para el otro propósito se debe acomodar a las posibilidades que se quedan una vez satisfecho el objetivo principal. Así pues, al objetivo secundario se le asigna el incremento de costos necesario para lograrlo, por encima de los costos que de todas maneras se requerirán para atender el objetivo primero. La asignación de los egresos para la opción de cogeneración se transforma en un costo incremental. 4.1. DEFINICIONES A continuación se definirán conceptos muy importantes que se deben tener en cuenta siempre que se realice una evaluación de proyectos, se indicaran por tanto su definición, su aplicabilidad y la forma como se encontraran.

NOMBRE DEFINICIÓN

Costo de oportunidad

Se define como el valor que se dejaría de recibir si se vende un bien que aporta ganancias y/o el costo de oportunidad como el valor o beneficio que genera un insumo en su mayor uso alternativo

Depreciación y amortización

La depreciación consiste en la disminución del valor o del precio de activos fijos con el uso, a través del tiempo. A diferencia de la depreciación, la amortización se aplica a activos diferidos o intangibles, y significa el cargo anual que se hace para recuperar la inversión.

Valor de salvamento

Es un valor que busca encontrar el valor de un activo al finalizar el periodo de evaluación, gracias a la realización de un proyecto que no existiría si este no se hubiera realizado. Este valor se registra independientemente de que el final del proyecto el activo se venda o no. Un valor de salvamento igual a cero significa cortar la vida del proyecto y dejar la planta abandonada. El valor del salvamento hace referencia al valor obtenido al vender los activos al final de la vida útil del proyecto o periodo determinado, o a la potencialidad de los activos para generar ingresos hacia el futuro.

Inflación

Es un desequilibrio del mercado en el que hay un aumento superior en la demanda con respecto a la oferta. El proceso de inflación va unido a la elevación progresiva del nivel general de precios de una manera relativa, es decir, no todos los precios suben a la misma proporción y a la vez, sino que algunos suben más rápidamente que otros, y algunos pueden no subir. Este hecho ocasiona perjuicios a unos sectores sociales e incluso beneficia a otros.



NOMBRE DEFINICIÓN

Vida útil

La vida útil de un proyecto se define como la vida esperada del sistema a evaluar. Esta vida útil depende del tiempo que el inversionista le de al proyecto y es un aspecto muy importante para realizar la evaluación económica, ya que nos da el periodo a tener en cuenta.

Escalamiento de costos

Es una de las consideraciones útiles para hacer exacta una evaluación, la construye el escalamiento de los precios. Como se verá es necesario considerar un efecto del tiempo en el cálculo de los elementos del flujo de caja, y en particular en el cálculo de costos que acarreará anualmente el proyecto

TABLA 6. Definición de conceptos utilizados en un estudio financiero

4.2. FLUJO DE FONDOS El flujo de fondos o flujo de caja es un diseño organizado que muestra de manera esquemática cuales son los ingresos y egresos del proyecto a evaluar y además el momento en el horizonte del tiempo en el cual ocurren. Deben ser datos obtenidos de fuentes confiables y que se derivan de estudios de mercado, técnicos, etc. Esta información tomada para generar el flujo de caja debe ser lo más confiable posible y corresponder a lo que se supone sucederá en el futuro del proyecto para así evitar distorsiones que conllevan a decisiones erróneas. Esta presentación organizada de los costos y de los beneficios son la base para encontrar un indicador de rentabilidad que compare el proyecto con otros y que finalmente se tome una decisión al respecto a la conveniencia de realizarlo se resume a dos grandes etapas: en la primera de ella se sistematizan y se presentan los costos y beneficios del proyecto, en la segunda se resumen en un indicador adecuado que permita compararlos, esto último consiste en el descuento íntertemporal, es decir cuando la tasa de oportunidad trae todos los valores como si correspondieran al año de inicio del proyecto (año cero) El descuento temporal al valor presente permite calcular un parámetro de evaluación y comparar sumas que se suceden en diferentes momentos teniendo en cuenta la compensación del costo de oportunidad. En cualquier que sea el proyecto, incluso cogeneración el flujo de fondos se compone de cuatro elementos básicos:

Ingresos por operación de la planta Costos iniciales



Costos de operación Valor de salvamento de los activos al final del proyecto.

Como durante todo el periodo de la planta se tienen gastos y beneficios, y durante toda la vida útil del proyecto se requiere vapor de proceso y generación de electricidad el flujo de fondos debe abarcar y definirse para toda la vida útil. Los n años durante los cuales los equipos trabajan hasta llegar a su agotamiento De ahí que se haya definido como componente básico los costos periódicos que se han de desembolsar. La vida útil del proyecto, para propósitos de evaluación financiera se define igual para ambos tipos de opciones, la instalación de operación para ambos tipos de proyecto se define igual y se denomina como el final del periodo cero. Esto es, las alternativas se evalúan como si comenzasen y terminasen operación en el mismo momento del tiempo. La razón es obvia: La instalación industrial requiere de los mismos insumos para proceso durante ese lapso de tiempo, cualquier variación de sus requerimientos e insumos, vapor o electricidad durante el horizonte de operación implica un cambio en sus condiciones de evaluación y esto solo significa que se trata de la evaluación de un proyecto. Es tan vital la necesidad de tener un adecuado flujo de fondos que sin esta información es imposible determinar las características rentables del proyecto. Para cogeneración, la metodología que se sigue para asignar beneficios con respecto al caso base se fundamenta en la diferencia (resta) de los flujos de caja de cada alternativa; de esta manera se obtiene un nuevo flujo correspondiente a la inversión de oportunidad del proyecto que determina el mérito económico de la opción cogeneradora con respecto a la opción convencional. 4.3. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL FLUJO DE FONDOS Como ya se mencionó un adecuado flujo de fondos recoge información acerca de ingresos, costos iniciales y de operación, a lo largo de la vida útil y el valor de salvamento de la máquina y equipos en el caso de que los hubiere; todo esto para realizar un adecuado análisis de rentabilidad, pues en última instancia, es este, un factor de peso para optar por un sistema cogenerativo. Es usual, en la mayoría de los casos comparar los meritos económicos del sistema de cogeneración contra los costos del caso de regencia de compra de electricidad y la generación interna del vapor para el proceso por medio de la caldera.



4.3.1. INGRESOS Dependiendo de las necesidades existen puntos de operación para escoger el equipo adecuado para generar, en uno de ellos abastece por completo la necesidad de vapor y se tiene déficit o exceso de electricidad: En el primer caso simplemente se compran lo kW necesarios para cubrir el faltante. En el segundo caso se generan los kW necesarios y en el caso que haya un exceso se puede comercializar, ya sea por contrato con otros usuarios o directamente a la red, de esta forma se pueden considerar los kW que se consuman o se vendan como ingreso adicional y como en este caso que se presenta una extracción de vapor se debe tener en cuenta el valor del vapor por hora que consumirá la planta y se deben tener en cuenta así para el flujo de caja. Otra manera de considerar ingresos es tomando el ahorro en el que se incurre, cuando debido a la nueva planta cogeneradora ya no es necesario comprar electricidad a la red pública ni el combustible para lo equipos reemplazados. El hecho de utilizar cogeneración es una manera directa, sencilla y que proporciona resultados (índices de rentabilidad) confiables. En este proyecto se estuvo investigando y se encontró que el SENA esta interesado en utilizar este tipo de proyectos para hacer prácticas con sus estudiantes teniendo una especie de centro educativo agropecuario, en el que estarán alrededor de 200 estudiantes por año, por lo tanto esta es otra de las utilidades que se le puede dar a la finca o al lugar en donde se realice el proyecto. En este caso los ingresos que consideraremos son los siguientes:

Regalías para la finca productora, de la venta del alcohol carburante restante, ya que se piensa comercializar entre la región.

El valor anual de la energía eléctrica que se consumirá, esta se considera como un ingreso ya que no se le esta pagando este servicio a la red nacional, esta energía va a ser utilizada en el proceso como tal para algunos equipos, será utilizada en las ordeñadoras de la finca y en iluminación y usos varios.

Alquiler por hora de las instalaciones y de los equipos al SENA (fermentador, marmitas, bomba centrifuga, picadora equipos en general de la producción del jarabe), según los precios estipulados según el SENA de Duitama.



4.3.2. COSTOS DE INSTALACIÓN98 Estos son los costos originados por cualquier ítem que convenga en el emplazamiento y puesta en marcha del proyecto y corresponde a la inversión inicial que se hace. Básicamente para tener una idea de la magnitud de los costos iniciales se debe conocer el tipo de sistema elegido y sus especificaciones de potencia de salida y de recuperación del calor; se pueden clasificar estos egresos en tres grupos:

1. Costos de ingeniería y estudios: Son costos hundidos, o sea que se realizan y deben ser cancelados aún cuando el proyecto se deseche posteriormente. Esto es obvio, pues para fundamentar una decisión se debe contar con los datos técnicos y financieros pertinentes; y para elaborar ese trabajo se requiere un trabajo que tiene un costo determinado.

El estudio de ingeniería es un estudio de factibilidad que desarrolla teóricamente alternativas susceptibles a ser realizadas por el industrial; presenta los requerimientos de los equipos de cada una, así como las especificaciones y evalúa las necesidades financieras. Los costos en los que incurre el estudio de ingeniería dependen en gran medida de las configuraciones planteadas, del tamaño y su grado de complejidad.

2. Costos de construcción y puesta en marcha: Una vez que se hayan aprobado los pasos de factibilidad y se han satisfecho todos los requerimientos exigidos, se pasa a la ejecución de los planes. En la mayoría de los casos se deben ejecutar obras civiles para instalar los equipos y maquinaria seleccionados.

De acuerdo con los planos de diseño seleccionado, será entonces necesario el emplazamiento y para esto se tiene en cuenta, estructuras, readecuación de los sistemas de suministro de agua y combustible y sistemas del centro de control. En resumen los costos de construcción y puesta en marcha son todos aquellos generados por adquisición de materiales, mano de obra y pruebas, requeridos para dejar la planta funcionando satisfactoriamente.

3. Costos de equipos: Por equipo se entiende el elemento principal que genera vapor y energía eléctrica y los aditamentos anexos que son los justamente

98Ver tabla 8 y tabla 9. Descripción y precios de todos los costos de instalación



necesarios para que opere. Estos costos se obtienen de cotizaciones con base en las especificaciones de ingeniería.

El listado exacto de los ítems que se tendrán en cuenta como parte de la inversión inicial es:

ITEM DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDAD

INGENIERIA

1 Costos de ingeniería y estudios 1 GL

2 Transportes 1 GL

3 Materiales, insumos y material bibliográfico 1 GL

4 Equipos 1 GL

5 Viajes 1 GL

6 Recurso humano 1 GL

MATERIA PRIMA Y MATERIALES

7 Terreno 4 HEC

8 Semillas * 140000 3 PAQ

9 Sembrado y cultivo (riego, abono, mano de obra) 1 GL

10 Mantenimiento 1 GL

PLANTA PROCESADORA DE ALCOHOL CARBURANTE

11 Cortadora de vegetales 1 UNI

12 Marmita de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI

13 Tanque enchaquetado de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI

14 Bomba centrífuga 20 LPM en acero inoxidable 1 UNI

15 Tanque plástico de 250 L. 2 UNI

16, Bomba de vacío de 15 mm Hg 1 UNI

17 Filtro prensa 1 UNI

18 Cilindro de CO2 * 25 kilos 1 UNI

19 Cilindro de So2 * 25 kilos 1 UNI



ITEM DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDAD

20 Tubos de 6m * 1/4" en acero inoxidable 3 UNI

21 Codos de 1/4" en acero inoxidable 12 UNI

22 "T" de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI

23 Uniones tri-clamp de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI

24 Válvulas de bola 1/2 vuelta de 1/4" en acero inoxidable 6 UNI

25 Manómetro 0- 100 psi 2 UNI

26 Manómetro de vacío 1 UNI

27 Termómetro bi-metálico 3 UNI

28 Caneca de acero 2 UNI

29 Difusor 1 UNI

30 Fermentador 1 UNI

31 Destilador 1 UNI

32 Mano de obra (instalación y puesta en servicio, obra civil) 4 GL

GENERACION

33 Caldera 1 UNI

34 Turbogenerador 1 UNI

35 Interruptor ETU20 1 GL

TABLA 7. Características de la inversión inicial 4.3.3. COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO99 Los costos de O&M también llamados costos de producción, son conformados por:

Materias primas: incluyen fletes de compra, de manejo y de almacenamiento. Mano de obra directa: utilizada para transformar la materia prima en producto

determinado, que se puede identificar debido a que su número depende del número de unidades a producir.

99 Ver tabla 10 y tabla 11. Costos de operación y mantenimiento caso A y caso B



Mano de obra indirecta: es el personal necesario en el proceso de producción y que no interviene directamente en la transformación de la materia prima (personal de supervisión y control)

Costos de los insumos: puede ser agua, energía, combustibles (diesel, carbón, alcohol carburante).

Costos de administración: debido a gerentes, contadores, etc., son gastos importantes para el buen funcionamiento de la planta.

Costos de mantenimiento: son costos que garantizan el buen mantenimiento de los equipos. Para fines de evaluación se consideran como un porcentaje del costo de adquisición de los equipos.

Otros costos: se pueden tener otros gastos como impuestos, imprevistos, seguros, etc.

4.4. METODOS DE EVALUACIÓN FINANCIERA Los métodos de estudio económico de rentabilidad de un proyecto de cogeneración son básicamente los mismos que se utilizan para la evaluación financiera de proyectos de inversión: valor presente neto, periodo de retorno, tasa interna de retorno, etc. El análisis económico se basa en un valor temporal del dinero y se realiza utilizando una cualquiera de las técnicas de análisis de inversión financiera, comparando con los costos de las diferentes opciones. A continuación se verán las principales técnicas de evaluación. 4.4.1 VALOR PRESENTE NETO Es un índice para medir la bondad financiera de un proyecto. En esencia es el equivalente en pesos actuales de todos los ingresos y egresos presente y futuros que constituyen el proyecto durante su vida útil o periodo de ejecución. El VPN depende grandemente de la distribución de entradas y salidas de capital en el tiempo. Matemáticamente se define así:

( )∑= +

−=

N

nni

EnInVPN0 1

Donde: In = Representa los ingresos En = Representa los egresos, En se toma como valor negativo ya que representa

los desembolsos de dinero.



N = Es el número de períodos considerado (el primer período lleva el número 0, no el 1...).

In - En = Indica los flujos de caja estimados de cada período. Como se nota, el valor VPN depende también de la tasa de oportunidad que asigne el evaluador, volviéndose esto en un gran problema cuando no es fácil tener dicho valor. Cuando para el cálculo del VPN se utiliza la tasa de oportunidad i, los diferentes resultados se pueden interpretar como sigue: VPN>0 Indica que los ingresos invertidos en el proyecto rinden más de i%; por

lo tanto el proyecto es conveniente. VPN=0 Señala que los dineros invertidos rinden justamente la misma tasa de

oportunidad de ese dinero. Invertir allí es indiferente. VPN<0 Muestra que los dineros invertidos no rinden lo mismo que la tasa de

oportunidad i asignada. El proyecto no es atractivo. Este índice se considera como el más adecuado para determinar la viabilidad de proyectos de inversión, y el más seguro entre los existentes. 4.4.2. TASA INTERNA DE RETORNO Para calcular el VPN es necesario asignar in valor de interés que depende de quien invierte en el proyecto, esto es, un valor de oportunidad o tasa de oportunidad del dinero que se invierte. Si el VPN es igual a cero, los dinero invertidos otorgan un rendimiento exactamente igual al costo de oportunidad i; no existe una ganancia adicional a la que esos mismos dineros dirían si se invirtieran en otro proyecto; es decir la suma de los flujos descontados son iguales a la inversión inicial. Esto no quiere decir que no haya ganancia, sino simplemente que la ganancia lograda, al aplicar el descuento íntertemporal solo satisface la inversión en el momento de inicio. La TIR, se define como el valor i que hace que el VPN sea igual a ceros; se puede interpretar como un valor critico de la tasa de interés de oportunidad. Entre más alto sea este valor más atractivo se vuelve el proyecto. Los proyectos de generación combinada de calor y electricidad son en realidad, muy rentables desde el punto de vista financiero y económico por que proporciona buenas TIR, haciéndolos muy atractivos. Financieramente las TIR sin mayores del 17% pero en muy pocos casos superan el 30%, y en cuanto al punto de vista



económico la tasa de rentabilidad se halla entre el 15% y el 27%. Obviamente estos niveles son los que proporciona el análisis aplicado a una industria que demanda gran cantidad de vapor y electricidad y además con un alto factor de carga. El cálculo de la TIR es un proceso iterativo en el cual se busca que la ecuación del VPN se haga igual a cero; en muchos casos la búsqueda se hace dispendiosa puesto que la solución se halla despejando i de la formula del VPN cuando se hace cero:

( )∑= +

=N

nni

BNnVPN0 1

Donde: VPN = Valor presente neto BNn = Beneficio neto en el año n n = Año considerado i = Valor a encontrar 4.4.3. RELACIÓN BENEFICIO-COSTO Es otro índice medidor de rentabilidad. La relación B/C se apoya en el VPN, se encuentra de la siguiente manera:

Se relaciona el VPN de los ingresos del proyecto. Se calcula el VPN de los egresos. Se establece una relación entre el VPN de los ingresos y de los egresos.

B/C(i) = VPN(i) ingresos / VPN(i) egresos

Cabe anotar que la relación B/C es una función de la tasa de interés que se emplea en el cálculo de los VPN; de modo que al calcular este índice para tomar una decisión, es necesario utilizar la tasa de interés de oportunidad. Al igual que el VPN la relación B/C puede tener tres resultados: B/C>1 Significa que los ingresos son mayores que los egresos; el proyecto es rentable. B/C=0 Indica que el VPN tanto de los ingresos como los egresos es igual. La

elección del proyecto es indiferente. B/C<1 El proyecto no es atractivo ya que el VPN de los egresos es mayor que el de

los ingresos.



4.4.4. PERIODO DE RETORNO También llamado periodo de restitución (payback period); mide la ganancia de un proyecto de inversión en términos del tiempo que se demora en recuperar la inversión. Este método provee grandes deficiencias ya que por una parte asigna el mismo valor a cantidades que aparecen en diferentes momentos, y por otra parte ignora las sumas que aparecen después de que se ha recuperado la inversión, hecho que tiene muy poca importancia cuando la tasa de interés de oportunidad es muy alta. 4.5. CALCULOS CORRESPONDIENTES A LA EVALUACIÓN FINANCIERA 4.5.1. DESCRIPCIÓN Y COSTOS DE INSTALACIÓN 4.5.1.1. Caso A: Caldera alimentada con un 20% de alcohol carburante y un 80% de

carbón

ITEM DESCRIPCION CANT. UNDPRECIO

UNITARIO COP

PRECIO TOTAL COP

INGENIERIA

1 Costos de ingeniería y estudios 1 GL 15.000.000,00 15.000.000,00

2 Transportes 1 GL 800.000,00 800.000,00

3 Materiales e insumos, material bibliográfico 1 GL 3.240.000,00 3.240.000,00

4 Equipos 1 GL 5.000.000,00 5.000.000,00

5 Viajes 1 GL 1.800.000,00 1.800.000,00

6 Recurso humano 1 GL 38.400.000,00 38.400.000,00


7 Terreno 4 HEC 15.000.000,00 60.000.000,00

8 Semillas * 140000 3 PAQ 450.000,00 1.285.695,00

9 Sembrado y cultivo (riego, abono, mano de obra) 1 GL 4.500.000,00 4.500.000,00

10 Mantenimiento 1 GL 1.500.000,00 1.500.000,00


11 Cortadora de vegetales 1 UNI 3.500.000,00 3.500.000,00

12 Marmita de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI 5.500.000,00 5.500.000,00



ITEM DESCRIPCION CANT. UNDPRECIO

UNITARIO COP

PRECIO TOTAL COP

13 Tanque enchaquetado de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI 6.300.000,00 6.300.000,00

14 Bomba centrífuga 20 LPM en acero inoxidable 1 UNI 3.000.000,00 3.000.000,00

15 Tanque plástico de 250 L. 2 UNI 96.000,00 192.000,00

16 Bomba de vacío de 15 mm Hg 1 UNI 2.000.000,00 2.000.000,00

17 Filtro prensa 1 UNI 2.500.000,00 2.500.000,00

18 Cilindro de CO2 * 25 kilos 1 UNI 100.000,00 100.000,00

19 Cilindro de So2 * 25 kilos 1 UNI 640.000,00 640.000,00

20 Tubos de 6m * 1/4" en acero inoxidable 3 UNI 117.480,00 352.440,00

21 Codos de 1/4" en acero inoxidable 12 UNI 8.000,00 96.000,00

22 "T" de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI 10.000,00 80.000,00

23 Uniones tri-clamp de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI 19.000,00 152.000,00

24 Válvulas de bola 1/2 vuelta de 1/4" en acero inoxidable 6 UNI 36.000,00 216.000,00

25 Manómetro 0- 100 psi 2 UNI 125.000,00 250.000,00

26 Manómetro de vacío 1 UNI 150.000,00 150.000,00

27 Termómetro bi-metálico 3 UNI 130.000,00 390.000,00

28 Caneca de acero 2 UNI 150.000,00 300.000,00

29 Difusor 1 UNI 100.000,00 100.000,00

30 Fermentador 1 UNI 24.000.000,00 24.000.000,00

31 Destilador 1 UNI 15.000.000,00 15.000.000,00

32 Mano de obra (instalación y puesta en servicio, obra civil) 4 GL 11.000.000,00 44.000.000,00

GENERACION

33 Caldera 1 UNI 183.370.000,00 183.370.000,00

34 Turbogenerador con tablero de control 1 UNI 25.000.000,00 25.000.000,00

35 Interruptor ETU20 1 GL 3.280.000,00 3.280.000,00

TOTAL COP 451.994.135,00

TABLA 8. Descripción y costos de instalación, Caso A.



4.5.1.2. Caso B: Caldera alimentada con un 20% de alcohol carburante y un 80% con ACPM

ITEM DESCRIPCION CANT. UND Precio

Unitario COP Precio Total

COP

INGENIERIA

1 Costos de ingeniería y estudios 1 GL 15.000.000,00 15.000.000,00

2 Transportes 1 GL 800.000,00 800.000,00

3 Materiales e insumos 1 GL 3.240.000,00 3.240.000,00

4 Equipos 1 GL 5.000.000,00 5.000.000,00

5 Viajes 1 GL 1.800.000,00 1.800.000,00

6 Recurso humano 1 GL 38.400.000,00 38.400.000,00


7 Terreno 4 HEC 15.000.000,00 60.000.000,00

8 Semillas * 140000 3 PAQ 450.000,00 1.285.695,00


10 Mantenimiento 1 GL 1.500.000,00 1.500.000,00


11 Cortadora de vegetales 1 UNI 3.500.000,00 3.500.000,00

12 Marmita de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI 5.500.000,00 5.500.000,00

13 Tanque enchaquetado de 150 - 250 L en acero inoxidable 1 UNI 6.300.000,00 6.300.000,00

14 Bomba centrífuga 20 LPM en acero inoxidable 1 UNI 3.000.000,00 3.000.000,00

15 Tanque plástico de 250 L. 2 UNI 96.000,00 192.000,00

16 Bomba de vacío de 15 mm Hg 1 UNI 2.000.000,00 2.000.000,00

17 Filtro prensa 1 UNI 2.500.000,00 2.500.000,00

18 Cilindro de CO2 * 25 kilos 1 UNI 100.000,00 100.000,00

19 Cilindro de So2 * 25 kilos 1 UNI 640.000,00 640.000,00

20 Tubos de 6m * 1/4" en acero inoxidable 3 UNI 117.480,00 352.440,00

21 Codos de 1/4" en acero inoxidable 12 UNI 8.000,00 96.000,00

22 "T" de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI 10.000,00 80.000,00

23 Uniones tri-clamp de 1/4" en acero inoxidable 8 UNI 19.000,00 152.000,00



ITEM DESCRIPCION CANT. UND Precio Unitario COP

Precio Total COP

24 Válvulas de bola 1/2 vuelta de 1/4" en acero inoxidable 6 UNI 36.000,00 216.000,00

25 Manómetro 0- 100 psi 2 UNI 125.000,00 250.000,00

26 Manómetro de vacío 1 UNI 150.000,00 150.000,00

27 Termómetro bi-metálico 3 UNI 130.000,00 390.000,00

28 Caneca de acero 2 UNI 150.000,00 300.000,00

29 Difusor 1 UNI 100.000,00 100.000,00

30 Fermentador 1 UNI 24.000.000,00 24.000.000,00

31 Destilador 1 UNI 15.000.000,00 15.000.000,00

32 Mano de obra (instalación y puesta en servicio, obra civil) 4 GL 11.000.000,00 44.000.000,00

GENERACION

33 Caldera 1 UNI 166.700.000,00 166.700.000,00

34 Turbogenerador 1 UNI 25.000.000,00 25.000.000,00

35 Interruptor ETU20 1 GL 3.280.000,00 3.280.000,00

TOTAL COP 435.324.135,00

TABLA 9. Descripción y costos de instalación, Caso B.

4.5.2. COSTO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 4.5.2.1. Caso A: Caldera alimentada con un 20% de alcohol carburante y un 80% de

carbón

ITEM DESCRIPCION CANT. UND PRECIO UNITARIO COP

PRECIO TOTAL COP

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ANUAL AÑO (2 VECES POR AÑO)

1 Semillas * 140000 6 PAQ 5.400.000,00 30.856.680,00

2 Arado (Conjunto) 2 GL 26.400.000,00 52.800.000,00


4 Mantenimiento (Combustible, equipos y herramientas) 1 GL 176.035.200,00 176.035.200,00

5 Consumible (combustibles, aceites, soldaduras, etc.) 2 GL 12.000.000,00 24.000.000,00

6 Salarios personal 12 MEN 93.300.000,00 1.119.600.000,00



ITEM DESCRIPCION CANT. UND PRECIO UNITARIO COP

PRECIO TOTAL COP

7 Interés 1 ANUAL 326.565.762,54 326.565.762,54

TOTAL 1.837.857.642,54

MANTENIMIENTO GENERAL - QUINTO, DECIMO Y QUINCEAVO AÑO

8 Este valor equivales al 15% de la inversión inicial 1 GL 203.397.360,75 203.397.360,75

9 Salarios personal 12 MEN 23.325.000,00 279.900.000,00

10 Interés 1 ANUAL 39.187.891,50 39.187.891,50

TOTAL 522.485.252,25

TOTAL COP 2.360.342.894,79

TABLA 10. Costo de operación y mantenimiento Caso A

4.5.2.2. Caso B: Caldera alimentada con un 20% de alcohol carburante y un 80%

con ACPM

ITEM DESCRIPCION CANT. UND Precio Unitario COP Precio Total COP

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ANUAL AÑO (2 VECES POR AÑO)

1 Semillas * 140000 6 PAQ 5.400.000,00 30.856.680,00

2 Arado (Conjunto) 2 GL 26.400.000,00 52.800.000,00


4 Mantenimiento (Combustible, equipos y herramientas) 1 GL 300.060.000,00 300.060.000,00

5 Consumible (aceites, soldaduras, etc.) 2 GL 12.000.000,00 24.000.000,00

6 Salarios personal 12 MEN 93.300.000,00 1.119.600.000,00

7 Interés 1 ANUAL 314.521.687,54 314.521.687,54

TOTAL 1.949.838.367,54

MANTENIMIENTO GENERAL - QUINTO, DECIMO Y QUINCEAVO AÑO

8 Este valor equivales al 20% de la inversión inicial 1 GL 261.194.481,00 261.194.481,00

9 Salarios personal 12 MEN 23.325.000,00 279.900.000,00

10 Interés 1 ANUAL 37.742.602,50 37.742.602,50

TOTAL 578.837.083,50

TOTAL COP 2.528.675.451,04

TABLA 11. Costo de operación y mantenimiento. Caso B



4.5.3. EVALUACIÓN FINANCIERA 4.5.3.1. Caso A: Caldera alimentada con un 20% de alcohol carburante y un 80% de

carbón 4.5.3.1.1. Interés del 20.23% anual durante los siete (7) años de financiamiento

AÑO DEUDA AMORTIZACIÓN INTERES ACTIVO ANUAL

VALOR DE LOS INTERESES

1 451.994.135,00 64.570.590,71 0,2023 91.438.413,51

2 387.423.544,29 64.570.590,71 0,2023 78.375.783,01

3 322.852.953,57 64.570.590,71 0,2023 65.313.152,51

4 258.282.362,86 64.570.590,71 0,2023 52.250.522,01

5 193.711.772,14 64.570.590,71 0,2023 39.187.891,50

6 129.141.181,43 64.570.590,71 0,2023 26.125.261,00

7 64.570.590,71 64.570.590,71 0,2023 13.062.630,50

TABLA 12. Interés del 20.23% anual durante los siete (7) años de financiamiento. Caso A

4.5.3.1.2. Ingresos y egresos

AÑO INGRESOS EGRESOS INGRESOS - EGRESOS

0 - 451.994.135,00 -451.994.135,00

1 265.893.873,30 217.379.403,51 48.514.469,79

2 265.893.873,30 204.316.773,01 61.577.100,29

3 265.893.873,30 191.254.142,51 74.639.730,79

4 265.893.873,30 178.191.512,01 87.702.361,30

5 231.325.118,67 200.287.011,75 31.038.106,92

6 265.893.873,30 152.066.251,00 113.827.622,30

7 265.893.873,30 139.003.620,50 126.890.252,80

8 265.893.873,30 125.940.990,00 139.952.883,30

9 265.893.873,30 125.940.990,00 139.952.883,30

10 231.325.118,67 161.099.120,25 70.225.998,42

11 265.893.873,30 125.940.990,00 139.952.883,30

12 265.893.873,30 125.940.990,00 139.952.883,30




13 265.893.873,30 125.940.990,00 139.952.883,30

14 265.893.873,30 125.940.990,00 139.952.883,30

15 231.325.118,67 161.099.120,25 70.225.998,42 TOTAL 3.884.701.835,64 2.812.337.029,79

TABLA 13. Ingresos y egresos. Caso A

4.5.3.1.3. Valor presente

VP Vf/(1+I)^n

VP0 -451.994.135,00

VP1 45.682.174,95

VP2 54.597.178,59

VP3 62.315.561,72

VP4 68.946.657,95

VP5 22.975.905,75

VP6 79.341.528,65

VP7 83.283.054,57

VP8 86.493.947,08

VP9 81.444.394,62

VP10 38.481.567,57

VP11 72.212.464,33

VP12 67.996.670,74

VP13 64.026.996,93

VP14 60.289.074,32

VP15 28.485.914,81

VP TOTAL 916.573.092,58

TABLA 14. Valor presente. Caso A



4.5.3.1.4. Valor presente neto

VPN VPI - VPE

VPN 464.578.957,58

TABLA 15. Valor presente neto. Caso A 4.5.3.1.5. TIR

TIR 10,31%

TABLA 16. TIR. Caso A



4.5.3.1.6 Representación gráfica de los ingresos y los egresos

FIG

UR

A 2

2. In

gres

os y

egr

esos

. Cas

o A

.



4.5.3.1.7 Disponibilidad de recursos

FIG

UR

A 2

3. D

ispo

nibi

lidad

de

recu

rsos

. Cas

o A

.



4.5.3.1.8. Valor presente (año cero)

FIG

UR

A 2

4. V

alor

pre

sent

e (A

ño c

ero)

. Cas

o A

.



4.5.3.2. Caso B: Caldera alimentada con un 20% de alcohol carburante y un 80% con ACPM

4.5.3.2.1. Interés del 20.23% anual durante los siete (7) años de financiamiento

AÑO DEUDA AMORTIZACIÓN INTERES ACTIVO ANUAL

VALOR DE LOS INTERESES

1 435.324.135,00 62.189.162,14 0,2023 88.066.072,51

2 373.134.972,86 62.189.162,14 0,2023 75.485.205,01

3 310.945.810,71 62.189.162,14 0,2023 62.904.337,51

4 248.756.648,57 62.189.162,14 0,2023 50.323.470,01

5 186.567.486,43 62.189.162,14 0,2023 37.742.602,50

6 124.378.324,29 62.189.162,14 0,2023 25.161.735,00

7 62.189.162,14 62.189.162,14 0,2023 12.580.867,50

TABLA 17. Interés del 20.23% anual durante los siete (7) años de financiamiento. Caso B

4.5.3.2.2. Ingresos y egresos


0 - 435.324.135,00 -435.324.135,00

1 265.893.873,30 224.342.462,51 41.551.410,79

2 265.893.873,30 211.761.595,01 54.132.278,29

3 265.893.873,30 199.180.727,51 66.713.145,79

4 265.893.873,30 186.599.860,01 79.294.013,30

5 231.325.118,67 218.107.429,50 13.217.689,17

6 265.893.873,30 161.438.125,00 104.455.748,30

7 265.893.873,30 148.857.257,50 117.036.615,80

8 265.893.873,30 136.276.390,00 129.617.483,30

9 265.893.873,30 136.276.390,00 129.617.483,30

10 231.325.118,67 180.364.827,00 50.960.291,67

11 265.893.873,30 136.276.390,00 129.617.483,30

12 265.893.873,30 136.276.390,00 129.617.483,30




13 265.893.873,30 136.276.390,00 129.617.483,30

14 265.893.873,30 136.276.390,00 129.617.483,30

15 231.325.118,67 180.364.827,00 50.960.291,67

TOTAL 3.884.701.835,64 2.963.999.586,04

TABLA 18. Ingresos y egresos. Caso B 4.5.3.2.3. Valor presente

VP Vf/(1+I)^n

VP0 -435.324.135,00

VP1 39.125.622,21

VP2 47.996.246,19

VP3 55.697.777,98

VP4 62.336.488,23

VP5 9.784.371,88

VP6 72.809.029,82

VP7 76.815.725,76

VP8 80.106.443,52

VP9 75.429.796,16

VP10 27.924.585,64

VP11 66.879.635,98

VP12 62.975.175,12

VP13 59.298.658,30

VP14 55.836.778,06

VP15 20.671.126,93

VP TOTAL 813.687.461,79

TABLA 19. Valor presente. Caso B



4.5.3.2.4. Valor presente neto

VPN VPI - VPE

VPN 378.363.326,79

TABLA 20. Valor presente neto. Caso B 4.5.3.2.5. TIR

TIR 8,88%

TABLA 21. TIR. Caso B



4.5.3.1.6 Representación gráfica de los ingresos y los egresos

FIG

UR

A 2

5. In

gres

os y

egr

esos

. Cas

o B

.



4.5.3.1.7 Disponibilidad de recursos

FIG

UR

A 2

6. D

ispo

nibi

lidad

y re

curs

os. C

aso

B.



4.5.3.1.8 Valor presente (año cero)

VALOR PRESENTE

-600.000.000,00

-400.000.000,00

-200.000.000,00

0,00

200.000.000,00

400.000.000,00

600.000.000,00

800.000.000,00

1.000.000.000,00

0

AÑO 0

VALO

RPR

ESEN

TE

Serie1 Serie2

FIG

UR

A 2

7. V

alor

pre

sent

e. C

aso

B.



CONCLUSIONES

Aunque como ya se sabe la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma, las fuentes fósiles de esa energía no son inagotables; el hombre moderno se enfrenta al desafío de economizar lo recursos naturales y a su vez de encontrar sustitutos o fuentes alternas sin perder la calidad de vida, ni renunciar a las comodidades que hoy brinda la tecnología. Pero las soluciones a los problemas energéticos, no son puramente técnicas, sino que involucran en un alto grado el componente económico. El uso del alcohol carburante como uno de los sustitutos de las fuentes fósiles y la cogeneración se presentan como una alternativa viable de ahorro y uso económico de la energía a nuestra disposición. Desde el punto de vista global y para el país, la producción y el uso de alcohol carburante como el de la autogeneración y la cogeneración representan un importante avance en materia de ahorro de recursos, pues produciendo alcohol carburante se crea una alternativa para sustituir el consumo masivo y la dependencia que se tiene actualmente de los hidrocarburos, además de la disminución de emisiones de CO2. Por otro lado esta la autogeneración y la cogeneración que nos permiten autoabastecer las necesidades energéticas presentes, utilizando con la cogeneración una tecnología que puede llegar a economizar el 30% de combustible en un proceso, este sistema aplicado a gran escala logra efectos similares; esto, consecuentemente, reduciría y liberaría otras fuentes para ser empleadas en otros usos. Además en la medida en la que en los diferentes sectores se genere energía eléctrica para su propio consumo, hará que las diferentes empresas prestadoras de este servicio público puedan cubrir con más eficiencia los picos de demanda o como potencia de emergencia, lo cual hace al sistema más confiable. El caso de producir coincidentemente potencia eléctrica y calórica, y de poder vender posibles excedentes significa que el país está generando kW más baratos que si se hiciera en plantas convencionales especialmente destinadas para este fin. La producción de alcohol carburante por medio de la remolacha azucarera abre las puertas a otra opción latente y completamente viable y es un excelente aliado para aumentar la producción de alcohol carburante en Colombia que hasta el momento solo se elabora por medio de la caña de azúcar, ya que la remolacha tiene un mayor contenido de sacarosa que la misma caña de azúcar, a su vez puede ser sembrada en gran parte del territorio colombiano y que junto con un sistema de cogeneración, además de un ahorro de combustible y en algunos casos beneficioso a nivel



económico provee menor contaminación ambiental, aspecto que es de extrema importancia por el gran deterioro del medio ambiente por parte del hombre. Teniendo en cuenta este importantísimo factor, en el proceso de la monografía se demostró que económicamente es rentable utilizar (así sea en pequeñas cantidades) el alcohol carburante dentro de cualquier proceso gracias a su poder calorífico, y que este puede ser usado en conjunto con otros para satisfacer las necesidades de la planta, en este caso se comparo el uso del alcohol carburante y el carbón vs. Alcohol carburante y ACPM, y se obtuvo que la forma más económica de alimentar la planta autogeneradora y cogeneradora de energía eléctrica es mezclar el alcohol carburante con el carbón. Esta mezcla se hace debido al precio del alcohol carburante, ya que si solamente se utilizara este como combustible los precios serían demasiado elevados y el proyecto como tal no seria rentable en lo absoluto, el único beneficio sería que se reduciría casi en su totalidad las emisiones de CO2. Por otro lado se podría discutir que de una u otra forma las mezclas mencionadas son con minerales y con hidrocarburos (carbón y ACPM), pero hay que tener en cuenta que se esta en un proceso evolutivo y que se van a empezar a sustituir estos poco a poco, y que de una u otra forma el hecho de usar alcohol carburante como acompañamiento hace que se empiece a presentar una pequeña disminución de CO2 en las emisiones. Este estudio permitió conocer procesos no muy comunes entre la industria colombiana, teniendo como todo incidencias en todos los sectores tanto económico, como político, agrario, social y la que se podría considerar la más importante la ambiental. Económicamente se puede ver que desafortunadamente la producción de alcohol carburante en Colombia es bastante costosa con respecto a otros países, esto se debe a que hasta ahora se está comenzando a implementar el funcionamiento de las plantas lo que hace que este sea un sector relativamente nuevo en la industria colombiana, esto con respecto al valor del galón de alcohol carburante, pero analizando otros puntos de vista, se pudo ver que frente a la producción de hidrocarburos, el valor de la extracción, el traslado y los diferentes procesos a los que se ve expuesto el petróleo es demasiado elevado con respecto al costo de la infraestructura y la producción del alcohol carburante como tal, lo que representa en nuestro caso un alivio económico a la inversión del Gobierno Nacional en la producción de combustibles, así mismo hace que disminuya la necesidad de la compra de hidrocarburos en gran masa. Debido a lo mencionado anteriormente, políticamente el gobierno nacional ve una alternativa para reducir costos de inversión en hidrocarburos, viéndose beneficiado



con la producción de alcohol carburante, ya que tiene acceso a un sustituto casi ideal para estos y que le permite seguir vendiendo la mezcla de la gasolina y el alcohol carburante (híbridos) al mismo precio. El sector agrario y el social, se ve completamente beneficiado ya que la producción de las tierras no se ve limitada por el consumo de determinado producto sino que comienza a tener otro tipo de aplicaciones, en el caso de la remolacha azucarera aparte de ser utilizada para la producción de alcohol carburante, puede ser consumida como cualquier vegetal, adicionalmente este cultivo permite que entre cada cosecha se varié la siembra en la misma tierra, lo que amplia la gama de productos que pueden ofrecer los trabajadores de estas, otra gran ventaja es que la remolacha puede ser sembrada en cualquier época del año en el altiplano cundiboyacense, debido su posición geográfica y su clima, aunque esta también puede ser sembrada en gran parte del territorio colombiano, lo que hace que las tierras sean más rentables ya que la producción puede llegar a ser vendida en su totalidad y se genere más empleo. Teniendo en cuenta el sector social, en el concepto del diseño de la planta productora de alcohol carburante y generadora de energía eléctrica y cogeneradora se contempla que esta una vez construida pueda llegar a ser utilizada como planta piloto para un centro de enseñanza del SENA la idea de este centro de entretenimiento y enseñanza lo que permite es capacitar diferentes sectores en diferentes campos, primero concienciar y mostrar lo importante que es la producción del alcohol carburante y segundo instruirles en que se basan cada uno de los procesos de la elaboración de los diferentes productos (alcohol, energía eléctrica, vapor, etc.) Por último la razón más importante por la que se comenzó la búsqueda de fuentes renovables no contaminantes es el deterioro del medio ambiente debido al uso indiscriminado de los hidrocarburos, y a la escasez de los mismos. En el estudio económico realizado en este trabajo se tuvo en cuenta una tasa de interés relativamente alta ya que este tipo de proyectos pueden tener un trato especial o subsidio, por que tiene como fin un bien social en el ámbito educacional, así mismo, estos proyectos pueden ser pasados ante el gobierno y después de un estudio el gobierno puede llegar destinar subsidios para la elaboración del mismo.



ANEXOS

ANEXO 1.

RESERVAS PROBADAS REMANENTES DE PETRÓLEO RELACIÓN RESERVAS / PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO

1998 - 2005



ANEXO 2.

PRODUCCIÓN DE ALCOHOL CARBURANTE (SIN DESNATURALIZAR) AÑO 2005



ANEXO 3.

PRODUCCIÓN Y EXPORTACIÓN DE CARBÓN MILES DE TONELADAS 1999-2005



BIBLIOGRAFIA

1. ABC de los alcoholes carburantes, Federación Nacional de biocombustibles,

en línea: WWW.ninminas.gov.co/minminas/pagesweb.nsf/energia?OpenFrameSet. Fecha de consulta: mayo 30 de 2007

2. Antecedentes de la comisión de regulación de energía y gas, MINISTERIO DE

MINAS Y ENERGIA. En línea: WWW.creg.gov.co, Fecha de consulta: Agosto 10 de 2006

3. Antolinez Olarte, Ramón Fernando. Análisis de incentivos de la cogeneración:

sus efectos y reglamentación. Bogotá, 1992, 150 h Tesis (Ingeniero Eléctrico) Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. 4. Asociación de productores de energías renovables APPA:

http://www.appa.es/03renovables08/03renovables1-8.htm 5. Autogenerador - Productor marginal o independiente. Ministerio de Minas y

Energía. En línea: WWW.creg. gov.co/ sspd/conceptoCREG0960376. Fecha de consulta: Septiembre 5 de 2006 6. Baca Urbina, Gabriel. Evaluación de proyectos 7. Butler, C. Cogeneration: engineering, design and regulatory compliance.

Editorial Mc Graw Hill. New York, 1984, 442p. 8. Cardenas Troncoso, Luís. Factibilidad técnico económica de autogeneración

eléctrica industrial. Bogotá, 1983, 234 h Tesis (Ingeniero Electricista) Universidad Nacional, Facultad de Ingeniería 9. Chapman, Stephen J. Máquinas Eléctricas. Bogotá. Editorial Mc Graw Hill, última edición, 655 p. 10. Federación Nacional de biocombustibles, en línea ¿Cuál es el marco legal

para la producción y uso del alcohol carburante?: WWW.ninminas.gov.co/minminas/pagesweb.nsf/energia?OpenFrameSet. Fecha de consulta: Agosto 8 de 2006 11. Garcia Robles, Elkin. Metodología de análisis para proyectos de cogeneración

en la industria colombiana. Bogotá. 1991, 290 h. Tesis (Ingeniero Eléctrico) Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería



12. Infante Villarreal, Arturo. Evaluación de proyectos de inversión, Bogotá 1974.

Publicaciones de la Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes.

13. Jolodovsky, G.Y. Introducción a las centrales térmicas. Barcelona. Editorial Labor, 1973, 126 p

14. Lagos, Cesar y Correa, Mauricio. Análisis Económico Comparativo entre Ciclos

de Cogeneración y un Sistema Independiente de Generación de Vapor y Electricidad. Bogotá D.C., 1995.

Tesis (Ingeniero Electricista) Universidad Nacional, Facultad de Ingeniería 15. Llamado de Uribe a producir alcohol carburante de diversos cultivos. En línea:

WWW.presidencia.gov.co/sne/sne.htm. Fecha de consulta: Agosto 8 de 2006 16. Osorio Ramos, Jaime. Modelos de evaluación económica de proyectos de

generación termodinámica. Bogotá, 1985, 230 h., Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad Nacional. Facultad de Ingeniería 17. Palacio Llanes, Hernán. Fabricación de alcohol. Primera edición, Salvat

Editores, Barcelona, España,1956 18. Petit, E. El motor de explosión: motores de 2 y 4 tiempos. Barcelona, Editorial

Gustavo Pili, 1968, 444 p.

19. Pezzano, Pascual. Construcción de los motores térmicos. Buenos Aires. Ediciones El Ateneo, 1967, 233 p.

20. Planta de Generación Eléctrica alimentada con paja, en Sangüesa (Navarra)

http://www.geoscopio.org/medioambiente/temas/tema10/10casonavarra.php 21. Polo Encinas, Manuel. Turbomáquinas de fluido compresible. México Editorial

Limusa, 1984, 452 p- 22. Reyes Sterling, Jorge Humberto. Cogeneración de energía eléctrica a nivel

industrial: Caso Bavaria. Bogotá, 1987, 2v. Tesis (Ingeniero Eléctrico) Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. 23. Rizhkin, V. Ya. Centrales Termoeléctricas. Moscú, Editorial MIR, 1979. 24. Roselio Coria, Francisco. Energía y máquinas térmicas. 25. Schmidt, Fritz. Motores de combustión interna. México Editorial labor, 1960



26. Severns, W. H. La producción de energía mediante vapor, agua y aire.

Barcelona, Editorial Reverté. 1982, 503 p. 27. Shield, Carl. Calderas: tipos, características y sus funciones. México. Editorial

Continental, 1980 28. Van Wylen, Gordon. Fundamentos de termodinámica. México, Editorial Limusa,

1986, 734 p. 29. Blanco obligatoria de la energía reanudable

http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.greenhouse.gov.au/markets/mret/&sa=X&oi=translate&resnum=1&ct=result&prev=/search%3Fq%3DMandatory%2BRenewable%2BEnergy%2BTarget%2B%26hl%3Des%26sa%3DG

Fecha de consulta: abril 16 de 2007 30. En Vegachí, el etanol es la alternativa

http://www.elcolombiano.com/antioquia/RegionesAntioquenas/Nordeste/Vegachi.htm

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Diseño y evaluación de una planta de autoabastecimiento