Evaluación integral de esquemas tecnológicos de revalorización energética de la biomasa residual del proceso de extracción de aceite de palma en el departamento de Magdalena, Colombia
La valorización energética de la biomasa es fundamental para cumplir los objetivos de mitigación de GEI y apoyar la transición energética. La agroindustria de la palma de aceite, uno de los sectores de mayor crecimiento en la agricultura colombiana, se caracteriza por tecnologías de baja eficiencia...
- Autores:
-
Barrera Hernández, Juan Camilo
- Tipo de recurso:
- Doctoral thesis
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Corporación Universidad de la Costa
- Repositorio:
- REDICUC - Repositorio CUC
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.cuc.edu.co:11323/13167
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/11323/13167
https://repositorio.cuc.edu.co
- Palabra clave:
- Palm oil
Biomass energy
Energy modelling
Energetic scenarios
Energy valorization
GHG emissions
Palma de aceite
Energía de la biomasa
Modelamiento energético
Escenarios energéticos
Valorización energética
Emisiones gases de efecto invernadero
- Rights
- openAccess
- License
- Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)
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La valorización energética de la biomasa es fundamental para cumplir los objetivos de mitigación de GEI y apoyar la transición energética. La agroindustria de la palma de aceite, uno de los sectores de mayor crecimiento en la agricultura colombiana, se caracteriza por tecnologías de baja eficiencia para la producción de bioenergía. Este estudio evaluó cuatro escenarios de generación de energía a partir de biomasa considerando la disponibilidad de aplicaciones energéticas basadas en biomasa en turbinas de contrapresión o de extracción condensación y sistemas de digestión anaerobia en 28 plantas extractoras de aceite de palma, que representan el 68 % de la producción colombiana de aceite de palma crudo. En conjunto, los cuatro escenarios pueden soportar entre 61 y 227 MW de electricidad, coincidiendo con el 0,4-1,5 % de la capacidad nacional instalada, al tiempo que producen entre 44 y 222 kWh de electricidad excedente por tonelada de racimo de fruta fresca procesada, con un coste nivelado de la electricidad entre 92,4 y 201,1 USD∙MWh-1 que pone de manifiesto la viabilidad económica. La emisión de GEI de 22,2 a 55,1 gCO2eq por kWh podría reducir las emisiones nacionales de GEI hasta en un 2,1%. Enfocada en el ámbito regional, se presenta resultados de investigación que analiza el potencial de generación de electricidad en el departamento del Magdalena, centrándose en seis plantas extractoras de aceite de palma. Se plantean dos escenarios de revalorización energética. El primer escenario propone reemplazar el proceso de esterilización convencional por uno continuo, integrando un sistema de cogeneración con turbina de extracción-condensación. Además, se añade un pretratamiento mecánico a los racimos de fruto vacío para aumentar la disponibilidad de energía. El segundo escenario sugiere la co-digestión de los racimos procesados junto con los efluentes, con el fin de incrementar la producción de biogás en un sistema de digestión anaeróbica. Este enfoque incluye un pretratamiento térmico por explosión de vapor para mejorar la degradabilidad de los racimos de fruto vacío. Utilizando la biomasa residual de la agroindustria del aceite de palma en el Magdalena, se estima que se podrían generar entre 35.2 y 42.3 MW, distribuidos en seis plantas extractoras. Los escenarios evaluados permiten alcanzar la autosuficiencia energética del proceso y generar excedentes promedio de 130 a 230 kWh∙tRFF-1 . Estos excedentes de electricidad podrían cubrir aproximadamente el 4.2% al 7.2% de la demanda eléctrica del departamento, estimada en 2430 GWh al año. Este potencial energético adicional podría satisfacer entre 3 y 5 veces la demanda eléctrica residencial rural del departamento. Desde el punto de vista financiero, para lograr la viabilidad económica se requerirían precios de venta de electricidad superiores a 302 a 1047 COP∙kWh-1 . En términos ambientales, la generación de energía eléctrica a partir de estos residuos podría tener un menor impacto que el Sistema Interconectado Nacional (SIN), con una potencial reducción de las emisiones específicas GEI entre el 67.4% y el 33.1% en comparación con el SIN (163.4 gCO2eq por kWh). El potencial energético de la biomasa residual generada por la agroindustria del Magdalena podría satisfacer las necesidades eléctricas de la población local y mejorar la disponibilidad y calidad del servicio eléctrico |
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Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2García-Núñez, Jesús AlbertoSagastume Gutierrez, AlexisBarrera Hernández, Juan CamiloVidal Medina, Juan RicardoCabello Eras, Juan Josè2024-07-17T19:45:25Z2024-07-17T19:45:25Z2024https://hdl.handle.net/11323/13167Corporación Universidad de la CostaREDICUC - Repositorio CUChttps://repositorio.cuc.edu.coLa valorización energética de la biomasa es fundamental para cumplir los objetivos de mitigación de GEI y apoyar la transición energética. La agroindustria de la palma de aceite, uno de los sectores de mayor crecimiento en la agricultura colombiana, se caracteriza por tecnologías de baja eficiencia para la producción de bioenergía. Este estudio evaluó cuatro escenarios de generación de energía a partir de biomasa considerando la disponibilidad de aplicaciones energéticas basadas en biomasa en turbinas de contrapresión o de extracción condensación y sistemas de digestión anaerobia en 28 plantas extractoras de aceite de palma, que representan el 68 % de la producción colombiana de aceite de palma crudo. En conjunto, los cuatro escenarios pueden soportar entre 61 y 227 MW de electricidad, coincidiendo con el 0,4-1,5 % de la capacidad nacional instalada, al tiempo que producen entre 44 y 222 kWh de electricidad excedente por tonelada de racimo de fruta fresca procesada, con un coste nivelado de la electricidad entre 92,4 y 201,1 USD∙MWh-1 que pone de manifiesto la viabilidad económica. La emisión de GEI de 22,2 a 55,1 gCO2eq por kWh podría reducir las emisiones nacionales de GEI hasta en un 2,1%. Enfocada en el ámbito regional, se presenta resultados de investigación que analiza el potencial de generación de electricidad en el departamento del Magdalena, centrándose en seis plantas extractoras de aceite de palma. Se plantean dos escenarios de revalorización energética. El primer escenario propone reemplazar el proceso de esterilización convencional por uno continuo, integrando un sistema de cogeneración con turbina de extracción-condensación. Además, se añade un pretratamiento mecánico a los racimos de fruto vacío para aumentar la disponibilidad de energía. El segundo escenario sugiere la co-digestión de los racimos procesados junto con los efluentes, con el fin de incrementar la producción de biogás en un sistema de digestión anaeróbica. Este enfoque incluye un pretratamiento térmico por explosión de vapor para mejorar la degradabilidad de los racimos de fruto vacío. Utilizando la biomasa residual de la agroindustria del aceite de palma en el Magdalena, se estima que se podrían generar entre 35.2 y 42.3 MW, distribuidos en seis plantas extractoras. Los escenarios evaluados permiten alcanzar la autosuficiencia energética del proceso y generar excedentes promedio de 130 a 230 kWh∙tRFF-1 . Estos excedentes de electricidad podrían cubrir aproximadamente el 4.2% al 7.2% de la demanda eléctrica del departamento, estimada en 2430 GWh al año. Este potencial energético adicional podría satisfacer entre 3 y 5 veces la demanda eléctrica residencial rural del departamento. Desde el punto de vista financiero, para lograr la viabilidad económica se requerirían precios de venta de electricidad superiores a 302 a 1047 COP∙kWh-1 . En términos ambientales, la generación de energía eléctrica a partir de estos residuos podría tener un menor impacto que el Sistema Interconectado Nacional (SIN), con una potencial reducción de las emisiones específicas GEI entre el 67.4% y el 33.1% en comparación con el SIN (163.4 gCO2eq por kWh). El potencial energético de la biomasa residual generada por la agroindustria del Magdalena podría satisfacer las necesidades eléctricas de la población local y mejorar la disponibilidad y calidad del servicio eléctricoThe energy valorization of biomass is critical to meeting the GHG mitigation goals and supporting the energy transition. The oil palm agroindustry, one of the fastest-growing sectors in Colombian agriculture, is characterized by low-efficiency technologies for bioenergy production. This study assessed four biomass-based energy generation scenarios considering the availability of biomass-based energy applications in backpressure or extraction-condensation turbines and anaerobic digestion systems in 28 palm oil mills, accounting for 68 % of Colombian crude palm oil production. Overall, the four scenarios can support 61–227 MW of electricity, coinciding with 0.4–1.5 % of the national installed capacity, while producing 44 to 222 kWh of surplus electricity per ton of fresh fruit bunch processed, with a levelized cost of electricity between 92.4 and 201.1 USD∙MWh−1 that highlights the economic feasibility. The emission of GHGs accounting for 22.2 to 55.1 gCO2eq per kWh could reduce the national GHG emissions by up to 2.1 %. Focused on the regional level, research results are presented that analyze the potential for electricity generation in the department of Magdalena, focusing on six palm oil mills. Two energy revalorization scenarios are proposed. The first scenario proposes replacing the conventional sterilization process with a continuous one, integrating a cogeneration system with an extraction-condensation turbine. In addition, a mechanical pretreatment is added to the empty fruit bunches to increase energy availability. The second scenario suggests co digestion of the processed bunches together with the effluent to increase biogas production in an anaerobic digestion system. This approach includes a thermal pretreatment by steam explosion to improve the degradability of the empty fruit bunches. Using the residual biomass from the palm oil agroindustry in Magdalena, it is estimated that between 35.2 and 42.3 MW could be generated, distributed in six palm oil mills. The evaluated scenarios allow reaching energy self-sufficiency of the process and generating average surpluses of 130 to 230 kWh∙tRFF-1 . These electricity surpluses could cover approximately 4.2% to 7.2% of the department's electricity demand, estimated at 2430 GWh per year. This added energy potential could satisfy 3 to 5 times the department's rural residential electricity demand. From a financial point of view, to achieve economic viability, electricity sales prices above 302 to 1047 COP∙kWh-1 would be needed. In environmental terms, electricity generation from these residues could have a lower impact than the National Interconnected System (SIN), with a potential reduction of specific GHG emissions between 67.4% and 33.1% compared to the SIN (163.4 gCO2eq per kWh). The energy potential of the residual biomass generated by Magdalena's agroindustry could satisfy the electricity needs of the local population and improve the availability and quality of electricity service.Lista de figuras 14 -- Lista de tablas 17 -- Planteamiento del problema 19 -- Problemática 19 –Justificación 24 -- Pregunta de investigación 27 -- Objetivos de disertación 28 -- Estructura de disertación (Metodología) 28 -- Área de estudio 31 -- Estructura del documento 34 –Publicaciones 34 -- Revistas internacionales arbitradas 34 -- Estado del arte 36 -- Agroindustria de la palma de aceite en Colombia 37 -- Características fisicoquímicas de biomasa generada en planta extractoras de aceite 38 -- Composición química de la biomasa sólida y líquida 39 -- Disponibilidad de biomasa 42 -- Procesos de extracción de aceite de palma 44 -- Recepción de fruto 44 -- Esterilización 45 -- Desfrutado 50 -- Digestión y prensado 51 -- Recuperación de aceite 52 -- Palmistería 56 – Almacenamiento 57 -- Tecnologías de biomasa a energía 57 -- Cogeneración de calor y electricidad en plantas de aceite de palma 59 -- Digestión anaeróbica 60 --Modelos energéticos basados en biomasa 62 – Metodología 67 -- Estudio de revalorización energética de la biomasa residual de palma de aceite. 67 Fuente de los datos 70 -- Características de la biomasa usadas en este estudio 71 -- Consideraciones de integración proceso de extracción y sistema de generación 72 -- Escenarios de revalorización energética 76 -- Estructura matemática aplicada en modelo 78 -- Esterilización convencional 79 -- Esterilización continua 81 -- Digestión y prensado 83 -- Clarificación estática 85 -- Secado de nueces 87 -- Almacenamiento de aceite 90 -- Calentamiento de agua 91 -- Calderas de biomasa 92 -- Evaluación termodinámica 92 -- Evaluación de esquemas tecnológicos en el departamento del Magdalena 93 -- Industria de palma de aceite en el departamento del Magdalena 94 -- Escenarios de revalorización energética en el departamento Magdalena......... 97 Costo nivelado de energía 108 -- Emisiones de gases de efecto invernadero (GEI 113 -- Rendimiento social 115 -- Comparación de escenarios 115 -- Potencial energético de biomasa nacional 116 -- Plantas extractoras evaluadas 116 -- Potencial energético de la biomasa residual en plantas extractoras de aceite .... 124 Escenario de línea base 130 -- Escenario 1 132 -- Escenario 2 134 -- Escenario 3 135 -- Escenario 4 136 -- Resumen de resultados 137 -- Excedente de electricidad 140 -- Emisiones de gases de efecto invernadero (GEI 142 -- Desempeño económico 143 -- Beneficios sociales 148 -- Discusión 152 -- Modelo de valorización energética biomasa residual proceso extracción de aceite de palma en Magdalena 158 -- Demanda energética plantas 160 -- Eficiencia térmica de caldera 167 -- Eficiencia térmica de esterilización 169 -- Eficiencia eléctrica. 172 -- Eficiencia energética proceso de extracción de aceite 174 -- Potencial de revalorización energética de biomasa residual de palma de aceite en Magdalena 175 -- Desempeño económico 185 -- Desempeño ambiental 188 -- Posible impacto social 190 -- Conclusiones y recomendaciones 192 – Conclusiones 192 – Recomendaciones 193 -- Referencias 196 --Doctor(a) en Ingenieria EnergéticaDoctorado218 páginasapplication/pdfspaCorporación Universidad de la CostaEnergiaBarranquilla, ColombiaDoctorado en Ingenieria EnergéticaEvaluación integral de esquemas tecnológicos de revalorización energética de la biomasa residual del proceso de extracción de aceite de palma en el departamento de Magdalena, ColombiaTrabajo de grado - Doctoradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06Textinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://purl.org/redcol/resource_type/TDinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionMagdalenaA Aziz, M. 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