1. INFORMACIÓN GENERAL 1.1. TÍTULO DEL PROYECTO Estudio de factibilidad para una planta productora de biodiesel a partir de microalgas 1.2. OBJETIVOS I. II. OBJETIVO GENERAL Estudio de factibilidad para una planta productora de biodiesel a partir de microalgas OBJETIVOS ESPECÍFICOS Aportar soluciones de nuevas alternativas de uso de biocombustibles para reducir el impacto ambiental Tener el conocimiento adecuado del marco legal impuesto por el reglamento para la comercialización de biocombustibles Realizar un correcto estudio de mercado analizando la oferta y demanda de nuestro producto Determinar una posible ubicación para la planta, tomando en cuenta factores como la disponibilidad de terreno, disponibilidad de agua y exposición a la luz solar 1.3. JUSTIFICACIÓN Actualmente el Perú tiene muchas condiciones favorables para la producción de biodiesel a partir de microalgas. El clima y la múltiple diversidad de nuestros paisajes, son capaces de abastecer de luz solar de manera excepcional, además de disponer de agua de mar, la cual es igualmente útil que el agua dulce para el cultivo de microalgas. Para el desarrollo del presente proyecto es imprescindible conocer la situación actual de la producción de biodiesel, conociendo desde los métodos convencionales hasta los más novedosos. Asimismo, también es necesario resumir los parámetros principales que afectan al desarrollo de las microalgas y sus métodos de producción, para poder determinar cuáles son las mejores opciones en términos ambientales y económicos Para lograr el desarrollo del presente proyecto, se diseñaran conceptualmente procesos para el crecimiento de las microalgas y se evaluará técnica y económicamente la factibilidad de ambos. Se buscará identificar las fortalezas y debilidades de la tecnología, definir áreas que requieran mayor atención, determinar los principales costos y las condiciones que hagan más o menos rentable el proceso, entre otros aspectos a ser estudiados. 1.4. SECTOR Proyecto de Investigación es realizado en la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa correspondiente el VII Semestre de estudios del Programa Profesional de Ingeniería Química. 1.5. RESPONSABLES DE ESTUDIO Achahuanco Chambi Katy Apaza Yana Paul Jesus Chacón Bolívar Gianelia Thalía Chávez Urday Rosa Aleska Mamani Condori Rosa María 1.6. UNIDAD EJECUTORA Programa Profesional de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa 1.7. METAS Este proyecto pretende ser una aportación para encontrar soluciones en la investigación y desarrollo de la producción de biodiesel a partir de microalgas sin originar glicerol como producto secundario. Un proceso que se encuentra en vías de desarrollo pero que puede resultar muy beneficioso ambientalmente. La elaboración de un diseño conceptual de una planta de producción de biodiesel a partir de microalgas, para que sirva como una aproximación para evaluar la factibilidad técnica y económica de la puesta en marcha de una planta en el Sur Peruano. 1.8. MARCO LEGAL LEY N° 28054: LEY DE PROMOCIÓN DEL MERCADO DE BIOCOMBUSTIBLES Promulgada en el año 2003 Establece marco general para promover el desarrollo del mercado de los Biocombustibles en el Perú sobre la base de la libre competencia y el libre acceso de la actividad económica REGLAMENTO PARA LA COMERCIALIZACIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES D.S. N° 021-2007-EM Establece requisitos para la comercialización de Biocombustibles y aplicación de sus normas técnicas de calidad. Contenido: Competencias sectoriales del mercado de Biocombustibles. Cronograma de Comercialización Obligatoria de Biocombustibles. Normas correspondientes a comercialización y distribución de Biocombustibles y sus mezclas con combustibles líquidos. Aplicación de Normas Técnicas de Calidad Normas Técnicas Peruanas - NTP 321.125:2008 BIOCOMBUSTIBLES. Biodiesel. Especificaciones PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE CALIDAD DE BIOCOMBUSTIBLES Y SUS MEZCLAS RESOLUCIÓN DE CONSEJO DIRECTIVO N° 206-2009-OS/C Base Legal: Según el Reglamento de Comercialización de Biocombustibles DS Nº 021-2007-EM, el OSINERGMIN es el órgano competente para la supervisión del control de calidad de los Biocombustibles y sus mezclas, conforme a las Especificaciones Técnicas de Calidad vigentes. Objetivo: Supervisión y fiscalización de la calidad de los biocombustibles y sus mezclas Productos a supervisar Biocombustibles (Biodiesel B100 y Etanol) Mezclas (Diésel B5 y Gasoholes) Ámbito de aplicación Aplicable a nivel nacional 2. ESTUDIO DE MERCADO Se espera alcanzar en el mercado un nivel regional en todo el sur del Perú. Los principales productores de biodiesel se encuentran en el norte y centro del Perú, debido a que es muy escaso la producción de biodiesel en el Perú, el presente proyecto resulta muy aceptable con respecto a la posible aceptación que fuera a tener por el mercado debido a los elevados costos y disconformidad con el diésel, surgiendo una nueva alternativa para el abastecimiento de combustibles. 2.1. EL PRODUCTO DEL PROYECTO 2.2. PROPIEDADES DEL PRODUCTO 2.3. USOS DEL PRODUCTO 2.4. ESTUDIO DE LA OFERTA 2.5. ESTUDIO DE LA DEMANDA 2.6. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA NO CUBIERTA 2.7. COMERCIALIZACIÓN 2.8. PRECIOS DEL PRODUCTO. 3. TAMAÑO DEL PROYECTO Para desarrollar el estudio de la producción de biodiesel a partir de microalgas se procede, en primer lugar, a la descripción de la planta: primero aclarando y justificando su localización, posteriormente mostrando el diseño del diagrama de procesos, explicando y razonando la necesidad de implantación de los equipos diseñados por Joaquín Díaz Gallardo en su proyecto “Planta piloto de producción de biodiésel libre de glicerol en condiciones supercríticas”. Almacenamiento de aceite (T-1) A este tanque llega el aceite obtenido de las microalgas. Dispone de las proporciones adecuadas para el dimensionamiento establecido. Se trata de un tanque cilíndrico a presión atmosférica. Almacenamiento de carbonato de dimetilo (T-2) En este tanque se almacena el carbonato de dimetilo. Dispone de las proporciones adecuadas para el dimensionamiento establecido. Se trata de un tanque cilíndrico a presión atmosférica Almacenamiento de la mezcla a reaccionar (T-3) Antes de llevar la mezcla a condiciones supercríticas de presión y temperatura. Los reactivos, L1 y L2, se mezclan en la proporción establecida. Dispone de las proporciones apropiadas para la producción de un lote. Se trata de un tanque cilíndrico a presión atmosférica Intercambiador de calor (IC-1) La transferencia de calor es una de las operaciones más importantes que se pueden desarrollar en una planta industrial, ya que si se realiza de manera inadecuada los costes del proceso pueden resultar insostenibles, y por el contrario si se desarrollan de una manera efectiva pueden contribuir con una disminución en los costes por el aprovechamiento de la energía que puede suponer. Las operaciones de intercambio no sólo incluyen el calentamiento de fluidos, sino también su enfriamiento, incluyendo la condensación de vapores y la solidificación de sólidos fundidos. Los intercambiadores de calor son dispositivos diseñados para transferir calor de un fluido a otro. La energía en forma de calor se transfiere por medio de una variedad de métodos, que son importantes conocer antes de elegir uno de ellos. 4. LOCALIZACIÓN La selección de la ubicación de la planta y la especie de microalga a utilizar son dos factores que están interrelacionados, pues la ubicación determina las condiciones en las que se realizará el cultivo, y cada microalga tiene sus propias condiciones óptimas de crecimiento. Condiciones ambientales como la irradiación solar, la temperatura, la oscilación térmica o la estacionalidad son determinantes para el éxito o fracaso de un cultivo. Existen otros factores además de los climáticos que son relevantes a la hora de escoger una ubicación para el cultivo: se requiere disponer de terreno barato y ojalá plano, disponibilidad de nutrientes (en particular CO2), un buen suministro de energía y una fuente de agua abundante. El agua puede ser dulce o salada, pero dependiendo de esto será la microalga que se escoja para el cultivo. De preferencia, se busca evitar locaciones en las que la temperatura en la estación fría descienda mucho, y que las precipitaciones sean bajas. Las oscilaciones térmicas altas traen como consecuencia una disminución en la productividad, mientras que en cultivos abiertos, la lluvia trae como problema la dilución de los cultivos. Esto dificulta aún más la etapa de extracción de la biomasa, proceso el cual de por sí ya es complejo dado lo diluido que son los cultivos de microalga. Las algas requiere CO2 para realizar su fotosíntesis. Éste se puede conseguir de los gases de salida de las plantas termoeléctricas de generación de energía. De esta manera se puede ocupar el CO2 proveniente de la combustión de combustibles fósiles para la generación de energía como suministro para los cultivos, fijando importantes cantidades de CO2 que hubiese ido al ambiente. Otros factores relacionados con el proceso productivo más que con la biología de las microalgas son la disponibilidad de terreno y de energía. Para la escala de producción propuesta en este trabajo se requieren terrenos extensos, a priori del orden de las miles de hectáreas. En lo posible, este terreno debe ser plano, para que el gasto en nivelación del terreno sea lo más bajo posible. Tomando en cuenta todos los factores anteriormente mencionados, se ha seleccionado como ubicación para la planta la localidad de Mejillones, por contar con las siguientes ventajas comparativas: Posibilidad de contar con agua marina de manera abundante. Disponibilidad de terrenos extensos y económicos. Baja oscilación térmica durante el día. Baja oscilación de la temperatura media mensual a lo largo del año. Bajos niveles de lluvia. Cercanía de plantas generadoras de energía termoeléctricas. 5. INGENIERÍA DEL PROYECTO Indicar los procesos de producción alternativos, y seleccionar la tecnología más apropiada, así como otros aspectos dentro del campo de la ingeniería. Debe contener lo siguiente: 5.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO TECNOLÓGICO 5.2 DIAGRAMA DE FLUJOS 5.3 REQUERIMIENTOS • • • • • 5.4 5.5 5.6 5.7 Materias primas Maquinaria y equipos (características, consumo de energía, dimensiones, etc.) Mano de obra Servicios ( energía, agua, vapor) Instalaciones (obras civiles). tipo, Distribución de planta Programa de producción Control de calidad Seguridad e higiene industrial 6. INVERSIONES Y FINANCIAMIENTO Para la evaluación económica del proyecto se consideraron los siguientes supuestos: La tasa de descuento es de un 12%. El proyecto tiene una vida útil de 20 años. Los fotobiorreactores deben reemplazarse cada 3 años. El CO2 tiene costo 0, siendo su único costo asociado el costo de comprensión para su transporte desde la central termoeléctrica de Mejillones. 6.1. Inversiones (inversiones fijas y capital de trabajo) marca, En la tabla 6.1 se muestran los costos de construcción de los equipos. Equipos Lagunas FBR Reactores 173.022.90 82.796.992 Sedimentación 98.674.114 6.334.886 Espesamiento 12.166.644 13.518.494 Centrífuga 45.203.919 45.203.919 Total 329.067.637 147.854.291 Tabla 1-Inversión necesaria en equipos para los procesos de producción de microalgas. Valores en US$ 6.2. Programa de inversión y financiamiento Total inversión Para estimar el valor de cierto ítems de la inversión, se utilizan porcentajes sobre la base del costo de los equipos o equipos instalados. Como existen importantes diferencias entre el proceso de cultivo en lagunas y el cultivo en fotobiorreactores, los porcentajes no son necesariamente iguales entre ambos procesos. Los costos del terreno en la zona desértica del norte del país tienen pocas posibilidades de aprovechamiento económico, razón por la cual su valor es considerablemente bajo. Para este trabajo se asume un valor de 5 U.F. por hectárea. El resultado de la estimación de la inversión fija se muestra a continuación en las tablas 2 y 3. Ítem Costo US$ Base de cálculo Equipos 329.067.637 Montaje 98.720.291 30% Equipos instalados Equipos instalados 427.787.928 Canalización 128.336.379 30% Equipos instalados Instrumentación 21.389.396 5% Equipos instalados Terreno 1.518.282 Obras civiles 16.453.382 5% Equipos Ingeniería 32.906.764 10% Equipos Licencias 32.906.764 10% Equipos Sub total 661.298.894 Imprevistos 66.129.889 10% Subtotal Total inversión fija 727.428.784 Capital de trabajo 109.114.318 15% Total inversión fija Inversión total 836.543.101 Tabla 2-Desglose de las inversiones para el proceso de producción de microalgas mediante el cultivo en lagunas Ítem Equipos Montaje Equipos instalados Canalización Instrumentación Terreno Obras civiles Ingeniería Licencias Sub total Imprevistos Total inversión fija Capital de trabajo Inversión total Costo US$ 147.854.291 44.356.287 192.210.578 57.663.173 19.221.058 1.113.130 7.392.715 14.785.429 14.785.429 307.171.512 30.717.151 337.888.663 50.683.299 388.571.962 Base de cálculo 30% Equipos instalados 30% Equipos instalados 10% Equipos instalados 10% Equipos 10% Equipos 10% Equipos 10% Subtotal 15% Total inversión fija Tabla 3- Desglose de las inversiones para el proceso de producción de microalgas mediante el cultivo en fotobiorreactores 7. INGRESOS Y EGRESOS 7.1. Ingresos por conceptos de ventas El proyecto cuenta con dos fuentes de ingreso: la venta del aceite para la producción de biodiesel, y la venta de la biomasa restante como afrecho para la alimentación animal. Sobre el precio de venta del aceite, éste es determinado en función de hacer rentable el proyecto, es decir, se toma como precio de venta el costo total de producción. Se calcula el precio para el cual el VAN del proyecto es 0 de manera de establecer un límite inferior para el precio de venta. Acerca del valor de la biomasa como subproducto, el valor nutritivo de ésta está dado en gran parte por su contenido proteico. La biomasa de microalgas tiene un alto porcentaje de contenido proteico que puede alcanzar hasta un 50% del peso seco normal de la microalga; si se considera que un 25% de su peso ha sido extraído en lípidos, entones se cuenta con un porcentaje de proteína de un 66%, lo cual la convierte en una opción atractiva como forraje animal o para acuicultura, comparado por ejemplo con un forraje tradicional como la alfalfa tiene entre un 10 a un 19%. El afrecho de raps, cuyo contenido proteico es cercano al 45%, tiene un precio en el mercado internacional cercano a los US$ 250 por tonelada métrica de pellet. Para este estudio, se asumirá un costo similar de este valor por tonelada métrica seca de biomasa, es decir US$250 por tonelada. Costo total de producción y flujo de caja El valor actual neto del proyecto corresponde a la suma de los flujos de caja anuales 𝑛 𝐼𝑡 − 𝐶𝑡 𝑉𝐴𝑁 = ∑ (1 + 𝑟)𝑡 𝑡=0 Donde: t : año que se está considerando. It : ingreso total que se obtiene en el año t Ct : costo total en que se incurre el año t r : tasa de descuento del proyecto n : vida útil del proyecto Si el VAN es menor que 0, el proyecto no es rentable. Si es mayor que 0, el proyecto es rentable, y un VAN igual a 0 indica que la utilidad del proyecto es cero. Para este trabajo no se calcula la tasa interna de retorno (TIR), puesto que como se determina el precio para el cual se hace 0 el VAN del proyecto, la TIR será igual a la tasa de descuento usada. A continuación se muestran los precios de venta del producto final para los cuales el VAN es igual a 0. Precio US$/t Lagunas 2.397 FBR 2.831 El precio obtenido es comparable al de otros estudios, que da cuenta de un costo de producción de US$2,95 por kilo de aceite, y de US$3,80 para el cultivo en lagunas 7.2. Egresos (costos directos, indirectos, de administración y de ventas) Costos materias primas Puesto que se utiliza agua de mar para la producción de microalgas, se asume que el costo de ésta es despreciable, siendo el costo de la energía requerida para el de bombeo el único costo asociado a esta materia prima. Para efectos de este estudio se asumió también como despreciable el costo del CO2, pues se tomó como supuesto el hecho de que éste es obtenido a partir de las emisiones de las plantas termoeléctricas, las cuales por su reducción en las emisiones podrían recibir bonos de carbono por un valor de aproximadamente 5 US$ por tonelada anual de CO2 fijado. Para las materias primas se consideró solamente como el costo del nitrato de sodio, ya que éste nutriente es el que se requiere en mayor cantidad para el cultivo de microalgas. Consumo Diario [t/d] Anual [t] Costo [US$/t] Costo anual Nutrientes [US$] CO2 3.250 1.137.500 0 0 NaNO3 837 292.845 250 73.211.250 Tabla 4-Consumo de nutrientes Costos fijos Para el presente trabajo se han considerado como costos fijos los gastos el pago de la mano de obra, y se han considerado iguales para ambos procesos. Los detalles se muestran en la tabla 5. Número de Remuneración Remuneración Remuneración Gerente de planta Personal administrativo Jefe Turno Operadores Personal aseo Personal de seguridad Personal de laboratorio Mantención Total personas mensual por persona (US$) mensual total (US$) total anual (US$) 1 4.000 4.000 48.000 1 1.000 1.000 12.000 4 16 1 4 1.500 1.000 1.000 1.000 6.000 16.000 1.000 4.000 72.000 192.000 12.000 48.000 1 1.500 1.500 18.000 2 30 1.000 2.000 35.500 24.000 426.000 Tabla 5-Detalle de costos en mano de obra 8. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS Organización necesaria para la ejecución y operación del proyecto (estructura y funciones). Los precios del petróleo están en alza, la viabilidad del biodiesel a partir de microalgas es más factible. Sin embargo, la limitante principal continúa siendo el costo de la producción de biomasa. Dentro de este contexto, la mayoría de los trabajos que hemos evaluado la situación a nivel internacional, coinciden en dos puntos como requisitos esenciales para que este proceso sea competitivo; el costo de producción de la biomasa debe ser menor a $1.00 US$/kg de biomasa microalgal. En este estudio se analizaran los siguientes aspectos para evaluación de su factibilidad económica: Datos reales, resultados de la experimentación con relación al contenido de lípidos en la cepa a utilizar en este caso la Chlorella vulgaris. Se deben producir simultáneamente una serie de coproductos de alto valor agregado a partir de la biomasa residual que queda después de la extracción del aceite. Considerar que a gran escala, los fotobiorreactores presentan numerosos problemas de operación. Se estima una vida útil de 10 años para el estudio, que se considerará a partir desde que las instalaciones físicas, eléctricas y demás estén funcionando. Este valor puede ser variable dependiendo del mantenimiento que se realice. Además se considerará una tasa anual de 12% de interés, la misma que se utiliza en proyectos de gran escala. Para la evaluación técnica económica se debe considerar la inversión del proyecto, los costos anuales de operación y mantenimiento; así también como gastos varios por cualquier problema económico que se presente durante la producción de biodiesel. 1. Análisis de datos y suposiciones 2. Hacer una lista de los costos e ingresos 3. Realizar el análisis mediante la hoja de cálculo en Excel 9. EVALUACIÓN DEL PROYECTO 9.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA Y FINANCIERA Para realizar el análisis económico del proyecto de obtención de biodiesel se va usar una proyección de 10 años, con una tasa del 12% de interés. Para se aplicó el método del VAN (valor actual neto), se calculó la TIR (tasa interna de retorno) y se hizo un análisis de sensibilidad en relación al aumento de los costos de producción, costos de energía e ingresos. 9.2 ÍNDICES DE RENTABILIDAD (TIR, VAN, B/ C ) MÉTODO DEL VAN (VALOR ACTUAL NETO) Permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros, originados por una inversión. La metodología consiste en descontar al momento actual (es decir, actualizar mediante una tasa) todos los flujos de caja futuros del proyecto. A este valor se le resta la inversión inicial, de tal modo que el valor obtenido es el valor actual neto del proyecto. El método de valor presente es uno de los criterios económicos más ampliamente utilizados en la evaluación de proyectos de inversión. Consiste en determinar la equivalencia en el tiempo 0 de los flujos de efectivo futuros que genera un proyecto y comparar esta equivalencia con el desembolso inicial. Cuando dicha equivalencia es mayor que el desembolso inicial, entonces, es recomendable que el proyecto sea aceptado. Para aplicar este método se necesita la inversión total del proyecto, los costos anuales de operación y mantenimiento, los ingresos anuales; para luego proyectarlos a 10 años al 12% de interés MÉTODO DE LA TIR Se denomina Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R.) a la tasa de descuento que hace que el Valor Actual Neto (V.A.N.) de una inversión sea igual a cero. (V.A.N. =0). Este método considera que una inversión es aconsejable si la T.I.R. resultante es igual o superior a la tasa exigida por el inversor, y entre varias alternativas, la más conveniente será aquella que ofrezca una T.I.R. mayor. La T.I.R. es un indicador de rentabilidad relativa del proyecto, por lo cual cuando se hace una comparación de tasas de rentabilidad interna de dos proyectos no tiene en cuenta la posible diferencia en las dimensiones de los mismos. Una gran inversión con una T.I.R. baja puede tener un V.A.N. superior a un proyecto con una inversión pequeña con una T.I.R. elevada. CONCLUSIONES 1. Para la producción de biodiesel, las microalgas pueden ser una de las mejores alternativas de materia prima dadas las ventajas que posee. Para este estudio la microalga elegida Chlorella vulgaris, representa la mejor alternativa, ya que ha sido estudiada ampliamente y varios estudios hablan de su eficiencia en el proceso de producción de aceites para biodiesel. 2. Se puede reducir el costo y la generación de residuos peligrosos en todas las etapas de producción de biodiesel mediante la selección del método que mejor se adapte al tipo de microalga considerando un inventario de sus entradas y salidas para una mejor elección. 3. Los principales subproductos de la producción de biodiesel que tienen alto valor en el mercado actual y compiten con muchos de su tipo son la harina de biomasa, la glicerina y los omegas 3. 4. Es viable y de gran importancia proponer una alternativa de secado ya que esta etapa representa el máximo requerimiento de energía en el proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas. Considerando la mejor alternativa como el secado solar indirecto por convección forzada. 5. El análisis económico muestra claramente que los subproductos del proceso de producción de biodiesel se pueden comercializar dando así un valor mayor de ingreso a la planta. RECOMENDACIONES Es necesario un análisis de ciclo de vida incluyendo todos los reactivos químicos que intervienen en el proceso de producción de biodiésel. Se recomienda el uso de energía solar en el proceso de secado, calculando mediante simulación dinámica, en un software correspondiente, todas las variables que intervienen enel proceso para tener una aproximación reala los costos que se tienen enesta etapa.