UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA INDUSTRIAL
ESTUDIO EXPLORATORIO DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL EN CHILE A PARTIR DE RESIDUOS FORESTALES
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL
TANIA SONIA CORREA MORCHIO
PROFESOR GUÍA: RODRIGO DONOSO HEDERRA
MIEMBROS DE LA COMISIÓN: PABLO DAUD MIRANDA JUAN TAMPIER BITTNER CARLOS LONZA LAZO
SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2008
RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL POR: TANIA CORREA MORCHIO FECHA: 10/03/2008 PROF. GUIA: SR. RODRIGO DONOSO
“ESTUDIO EXPLORATORIO DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL EN CHILE A PARTIR DE RESIDUOS FORESTALES”
El presente trabajo de título tuvo como objetivo estudiar a nivel exploratorio la viabilidad de la producción de etanol en Chile utilizando residuos forestales como materia prima. El trabajo se realizó con el apoyo de las empresas Copec y Arauco. El aumento del precio del petróleo, los problemas de contaminación y la incertidumbre de su abastecimiento para los próximos años, han incrementado la búsqueda de fuentes de energía renovable. El etanol es un biocombustible que puede sustituir a la gasolina ya que se adapta al actual sistema de transporte, por esta razón se ha implementado su uso en varios países. La regulación en Chile permitiría una mezcla de 5% de etanol con gasolina y el etanol no se vería agravado con el impuesto específico de la gasolina. Las producciones de etanol en el mundo son principalmente de maíz y caña de azúcar, lo que implicó el aumento del precio de éstos alimentos. Para solucionar este problema se está impulsando el desarrollo de tecnologías para producir etanol lignocelulósico y se espera que esta tecnología esté disponible el año 2012. Al producir etanol de madera se aprovecharían las fortalezas forestales del país y no se competiría con la producción de alimentos. Una planta de etanol es de interés para empresas Copec ya que participa en la industria de los combustibles y en la industria forestal (Arauco). La planta se encontraría ubicada en el Complejo Industrial Nueva Aldea de la empresa Arauco, en la Región del Biobío, para funcionar como biorefinería y aprovechar las sinergias. Su capacidad sería de 100 mil m3 de etanol al año, a partir de 385 mil toneladas de madera seca. Se investigó la disponibilidad de residuos forestales, se determinó cuales se utilizarán como materia prima y se realizó una estimación de su costo para dos ubicaciones en la Región del Biobío. El costo de la biomasa puesto en planta en el Complejo Industrial Nueva Aldea es igual a US$3,8 millones al año. Se elaboró un estudio económico de la planta, donde se estima la inversión inicial del proyecto en US$200 millones. El costo de producción de etanol que resultó es de US$530/m3. Si el precio de venta del etanol es US$600/m3, el VPN del proyecto es US$39 millones en 20 años y la TIR es 16%, superior a la utilizada por Copec para evaluar los proyectos, por lo que el proyecto es atractivo y se debe profundizar su estudio.
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A mi familia que siempre ha estado junto a mí
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al Sr. Rodrigo Donoso, mi profesor guía en la memoria, quien confió en mí y me apoyó en todo momento. Su dedicación por los detalles me animó a realizar un mejor trabajo.
Agradezco al Sr. Juan Tampier, por compartir conmigo su motivación en el tema e incentivarme a pensar con gran proyección en el futuro.
Al Sr. Carlos Lonza, subgerente de Ingeniería y Operaciones de Copec, quien además de ayudarme, me acompañó en mis iniciativas y me entregó oportunidades para desarrollarme como profesional.
A todas las personas de Arauco que me recibieron y respondieron mis consultas. Especialmente a Alvaro Saavedra, Eduardo Rodríguez, Saúl Espinoza y Carlos Livesey.
A mi familia, con quienes compartí todos los momentos del desarrollo de la memoria. A mis padres por confiar en mí y a mi hermana por ser como es. A mis amigos y a todos los que involucré en este importante proceso de mi vida.
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ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN ...... 1
1.1 ANTECEDENTES GENERALES ...... 1
1.2 OBJETIVOS ...... 3
1.2.1 Objetivos Generales ...... 3
1.2.2 Objetivos Específicos ...... 3
1.3 JUSTIFICACIÓN ...... 4
1.4 METODOLOGÍA ...... 5
1.5 ALCANCES ...... 6
2. CARACTERÍSTICAS DEL ETANOL CELULÓSICO ...... 8
2.1 PROPIEDADES ...... 8
2.2 VENTAJAS ...... 9
2.3 DESVENTAJAS...... 11
3. ESTUDIO DE MERCADO ...... 12
3.1 SITUACIÓN ENERGÉTICA MUNDIAL ...... 12
3.2 PRODUCCIÓN MUNDIAL DE BIOETANOL ...... 12
3.3 IMPORTACIÓN ...... 14
3.4 MATERIAS PRIMAS ...... 16
3.5 PLANTAS DE ETANOL LIGNOCELULÓSICO EN OTROS PAÍSES ...... 18
3.6 SITUACIÓN EN CHILE ...... 20
4. ESTUDIO LEGAL ...... 22
4.1 ESPECIFICACIONES ...... 22
4.1.1 Tratamiento Tributario ...... 22
4.1.2 Especificaciones del bioetanol ...... 23
4.2 INICIATIVAS DEL GOBIERNO DE CHILE ...... 24
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5. ESTUDIO TÉCNICO ...... 26
5.1 MATERIA PRIMA ...... 26
5.1.1 Ubicación y tipo de madera ...... 26
5.1.2 Tipos de residuos forestales y disponibilidad ...... 30
5.1.3 Precios de la materia prima ...... 34
5.1.4 Costo de transporte de la materia prima ...... 35
5.1.5 Otras fuentes de biomasa forestal ...... 39
5.2 LOCALIZACIÓN ...... 40
5.3 NIVEL DE PRODUCCIÓN ...... 41
5.4 PROCESOS ...... 42
5.5 TECNOLOGÍAS DE HIDRÓLISIS Y FERMENTACIÓN ...... 44
5.6 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO ...... 45
5.6.1 Manipulación de la biomasa (A100) ...... 46
5.6.2 Pretratamiento (A200) ...... 48
5.6.3 Sacarificación y Co-Fermentación Simultaneas (A300-SSCF) ...... 48
5.6.4 Producción de enzimas (A400) ...... 48
5.6.5 Recuperación del producto (A500) ...... 48
5.6.6 Tratamiento de aguas residuales (A600) ...... 49
5.6.7 Almacenamiento del producto e insumos químicos (A700) ...... 49
Los insumos químicos que se almacenan en esta área son: ...... 49
5.6.8 Quemador, Caldera y Turbogenerador (A800) ...... 49
5.6.9 Recursos (A900) ...... 50
6. ESTUDIO ECONÓMICO ...... 51
6.1 PROCEDIMIENTO ...... 51
6.2 INVERSIÓN DE PLANTAS SIMILARES ...... 51
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6.3 EQUIPOS ...... 52
6.4 COSTOS OPERACIONALES ...... 57
6.4.1 Costos Variables de Operación ...... 57
6.4.2 Costos Fijos de Operación ...... 59
6.5 CAPITAL DE TRABAJO ...... 61
6.6 PLANIFICACIÓN ...... 61
6.7 FLUJO DE CAJA...... 62
6.8 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ...... 66
6.8.1 Precio Venta Etanol ...... 66
6.8.2 Precio Materia Prima ...... 67
6.8.3 Costo de la Inversión Inicial ...... 68
7. ESCENARIO FUTURO ...... 68
8. CONCLUSIONES ...... 71
9. BIBLIOGRAFÍA ...... 73
10. SIGLAS Y CONVERSIONES ...... 76
11. ANEXOS ...... 77
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ANEXOS
Anexo 1: Costos Etanol con distintas materias primas ...... 77
Anexo 2: Precio Gasolina y Diesel ...... 77
Anexo 3: Precio de Productos de la Madera ...... 80
Anexo 4 Tipos de residuos forestales ...... 80
Anexo 5: Ajuste de precios IPC ...... 81
Anexo 6: Posibles ubicaciones de la planta en la VIII Región ...... 82
Anexo 7: Provincias y comunas de la VIII Región ...... 82
Anexo 8: Navegador de Disponibilidad de Residuos ...... 83
Anexo 9: Costo de Materia Prima a Nueva Aldea ...... 84
Anexo 10: Costo de Materia Prima a Cabrero ...... 85
Anexo 11: Capacidad de la planta v/s Costo Materia Prima ...... 86
Anexo 12: Exceso de energía generada...... 87
Anexo 13: CPI EE.UU...... 87
Anexo 14: Tipo de Cambio ...... 88
Anexo 15: Costo de Equipos ...... 88
Anexo 16: Gráfico del Precio de la Electricidad ...... 89
Anexo 17: Ajuste de Precios de Insumos ...... 89
Anexo 18: Análisis de Sensibilidad ...... 90
Anexo 19: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$1.150/m3 ...... 91
Anexo 20: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$800/m3 ...... 92
Anexo 21: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$680/m3 ...... 93
Anexo 22: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$600/m3 ...... 94
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1. INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES GENERALES
La actual dependencia que Chile tiene con los países proveedores de energía (debido a la falta de diversificación de la matriz energética), las presiones exteriores para disminuir las emisiones contaminantes y las fluctuaciones del precio del petróleo han puesto como prioridad para el Gobierno de Chile el desarrollo de las energías renovables. Dentro de las posibilidades que se evalúan se encuentra la utilización de biocombustibles, que son combustibles obtenidos a partir de restos orgánicos. La característica de los biocombustibles es que pueden sustituir a los combustibles fósiles tradicionales debido al menor deterioro ambiental que provocan y a sus características de renovación.
Figura 1-1 Bioetanol, Energía Renovable
Fuente: sitio web www.biogasol.dk
Los biocombustibles, al igual que los combustibles fósiles, emiten dióxido de carbono, pero la ventaja que tienen es que es el mismo que habían fijado las plantas en su desarrollo a través del proceso de fotosíntesis. Este efecto se puede apreciar en la Figura 1-1, donde se muestra que el dióxido de carbono emitido al quemar el etanol es el mismo que fue capturado por la masa vegetal que se utilizó para producirlo. En el caso de los combustibles derivados del petróleo se libera al ambiente dióxido de carbono del petróleo que lleva millones de años enterrado, por lo que no se cierra el ciclo. Los pronósticos indican que el petróleo alcanzará solo para 40 años más por los altos niveles de consumo y la creciente demanda de los países en desarrollo. Por estas razones se necesitan formas alternativas de energía.
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Frente a los combustibles tradicionales los biocombustibles tienen ventajas medioambientales, económicas y sociales. Al ser una energía renovable, son inagotables (el petróleo es finito), disminuyen la dependencia de las importaciones de energía, crean nuevos puestos de trabajo, favorecerían a la economía de zonas rurales del país e incentivarían el desarrollo científico.1 Las leyes de distintas naciones (Brasil, Argentina, EE.UU., U.E., entre otros) han establecido la obligación de mezclar biocombustibles con los combustibles tradicionales. Estas naciones han lanzado políticas de incentivos para el desarrollo y consumo de los biocombustibles.2 El biocombustible más utilizado para el transporte es el bioetanol (o etanol), que es alcohol etílico producido a partir de la fermentación de los azúcares que se obtienen del almidón, la sacarosa y la celulosa de los productos vegetales.3 Los motores de los vehículos comunes pueden utilizar gasolina mezclada hasta con 10% de etanol sin afectar el funcionamiento del motor. Brasil es el país pionero en cuanto al uso de etanol como combustible. En la década del ´70 comenzó su producción y política de mezcla de gasolina con etanol con el programa “Pro alcohol”. Al comienzo se subsidiaba la producción, pero se fue eliminando en forma progresiva. En el año 2003 se introdujeron a Brasil los vehículos Flex-fuel E85, que funcionan hasta con 85% de etanol. Estos automóviles funcionan indistintamente con gasolina o etanol ya que poseen sensores de oxígeno que reconocen el combustible y ajustan el funcionamiento del motor. De esta forma el usuario puede escoger en cada carga entre los dos combustibles según su conveniencia (precio, disponibilidad, calidad y desempeño). Desde su ingreso al mercado han sido preferidos por los usuarios. Durante el año pasado (2007), el 86% de los autos nuevos vendidos en dicho país fueron de este tipo (se comercializan 63 modelos flex-fuel).4 Para referirse a la mezcla de etanol con gasolina se utiliza la nomenclatura En, donde n corresponde al porcentaje de etanol en la mezcla. Algunos países de Europa venden obligatoriamente en las estaciones de combustible E5 (mezcla con 5% de etanol) y en EE.UU. hasta con E10 (10% de etanol). Los mayores productores de etanol son Brasil, a partir de caña de azúcar, y Estados Unidos, a partir de maíz. Actualmente no se produce etanol a partir de celulosa en forma industrial, llamado etanol de segunda generación (porque no utiliza alimentos como materia prima)5, pero en EE.UU., Brasil, Suecia, China y Nueva Zelandia (entre otros) se desarrollan investigaciones6. En Örnsköldsvik, Suecia se encuentra operando una planta piloto desde el año 2004, que produce etanol a partir de madera. En esta planta piloto se ensayan variaciones en la línea de producción en busca de la configuración óptima en términos de eficiencia y costos7. La
1 Sitio web www.biocombustibles.cl 2 VILDÓSOLA, P. 2008 3 Worldwatch Institute. 2007. 4 Embajada de Brasil en Santiago. www.brasembsantiago.cl y ANFAVEA: Asociación Nacional de Fabricantes de Vehículos Automotores de Brasil. 5 El etanol producido a partir de madera también se denomina en algunos textos como treethanol por las palabras en inglés tree (árbol) y etanol (etanol). 6 The Economist. 2007. 7 FRANSSON, G & LINDSTEDT,J. 2005.
2 empresa responsable, SEKAB, espera tener desarrollada la tecnología en el año 2015 y ser el proveedor líder de la tecnología de etanol de segunda generación. En EE.UU. el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) también opera una planta piloto que produce etanol a partir de biomasa celulósica que está abierta a negociar para hacer pruebas y llegar a acuerdos de investigación.8 Se estima que el costo para producir etanol de madera podría llegar a ser, en el futuro, cercano a US$300/m3 considerando la venta de los productos secundarios del proceso9. Este valor se encuentra muy por debajo del actual precio de la gasolina (US$680/m3)10. La urgencia y recursos que se destinan para la investigación del etanol de segunda generación se deben a que la demanda mundial por biocombustibles es mayor a la producción que se podría alcanzar con el etanol de azúcar y almidón. La biomasa de celulosa es mucho más difícil de degradar y convertir a etanol comparada con el azúcar y el almidón, es por esto que aún falta investigación para alcanzar un costo competitivo del etanol celulósico. Se espera que su producción a gran escala comience alrededor del año 2012.11 Actualmente el costo de producción del etanol de segunda generación superaría el del petróleo por lo que no son competitivos sin ayudas públicas. Por el momento las energías no renovables son más económicas, pero sin considerar externalidades como las emisiones de gases y los riesgos de la dependencia12. El costo de producción del etanol depende de la materia prima utilizada y el tipo de proceso productivo empleado. El valor de la materia prima en el etanol representa alrededor del 50% del costo total de producción del etanol de caña de azúcar13.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivos Generales
Realizar un estudio exploratorio14 de la producción de etanol en Chile a partir de residuos forestales.
1.2.2 Objetivos Específicos
Determinar las ventajas de utilizar residuos forestales como materia prima para producir etanol
8 NREL, 2000. The DOE Bioethanol Pilot Plant, A Tool for Comercialization. 9 THE ECONOMIST. 2007. Ver Anexo 1. 10 Precio de gasolina en Chile. Enero 2008. Ver Anexo 2. 11 WÄNNSTRÖM, S. 2008 y Seminario CNE marzo 2008. 12 LE MONDE DIPLOMATIQUE. 2007. 13 ALMADA, M. 2006 14 En el punto 1.5 ALCANCES se explica en qué consiste un estudio exploratorio.
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Definir las variables relevantes involucradas en el negocio Recopilación de antecedentes de producción de etanol a partir de madera de los últimos años Determinar la especie de árbol y tipos de residuos forestales más apropiados de Chile para utilizarlos como materia prima Determinar los procesos y tecnología disponible para la planta Estimar los costos de producir etanol a partir de residuos forestales, en base a la información disponible Realizar una estimación económica de la producción de etanol a partir de madera en Chile
1.3 JUSTIFICACIÓN
El trabajo consiste en realizar un estudio exploratorio de la producción de etanol a partir de residuos forestales en Chile. Se busca entregar una idea general del mercado del etanol mundial y de como Chile comienza a estudiar este biocombustible que ya forma parte del sector de transportes de los países más desarrollados y de algunos países de Latinoamérica. En el estudio se hace una revisión de la tecnología para producir etanol de madera, se entrega una primera estimación de los costos de inversión y operación de la planta y un análisis de distintos escenarios. Las estimaciones se realizan en base a los datos existentes y con una serie de supuestos ya que no existe ninguna planta de etanol a partir de madera a nivel industrial. La información disponible corresponde a documentos publicados de estudios, plantas pilotos y entrevistas. El uso de etanol como combustible alternativo a la gasolina representa actualmente la opción más prometedora a corto plazo para disminuir el elevado consumo de combustibles fósiles y para enfrentar las alzas del petróleo. El Gobierno de Chile ha manifestado su interés en la utilización de etanol como biocombustible. En mayo del año pasado (2007) se entregó la primera propuesta de la reglamentación del etanol, donde se acepta hasta un 5% de etanol en la mezcla con gasolina y se deja exento de impuesto específico al porcentaje de biocombustible.15 También se fomentará la producción de etanol celulósico, aprovechando las fortalezas forestales del país16. Recientemente (marzo 2008) la CORFO hizo el llamado a concurso para participar en la “Convocatoria nacional de consorcios tecnológicos empresariales de investigación en biocombustibles a partir de material lignocelulósico 2008”, cuyo objetivo es impulsar la producción de etanol a partir de material lignocelulósico. Con respecto a los otros insumos que se utilizan para producir etanol, la
15 Propuesta de CNE. 2007. 16 El subgerente de la CORFO (Corporación Nacional de Fomento), Orlando Jiménez, transmite el interés del Gobierno de Chile al declarar: “Nosotros creemos que de las ventajas competitivas que Chile puede ofrecer, una opción que hay que mirar con detención es el etanol celulósico”. Revista Bioplanet. 2007. 4 celulosa es más eficiente energéticamente que el maíz y la caña de azúcar, y tiene muy buenas proyecciones17. Las actividades de la empresa interesada, Copec, se desarrollan en la distribución de combustibles líquidos, con la mayor participación de mercado en esta área, y en la industria forestal con la empresa Arauco, principal productor forestal de Chile18. Al aprobarse la ley para el etanol la empresa deberá trabajar con este nuevo producto por lo que se encuentra estudiando sus oportunidades y nuevas medidas frente a los posibles escenarios futuros. La producción de etanol es de interés para Copec por su experiencia en las industrias de combustibles y forestal. Los estudios de Suecia apuntan en la dirección de producir etanol celulósico integrando procesos, como por ejemplo, en biorefinerías, lo que se podría lograr en Arauco produciendo etanol a partir de los residuos forestales A Copec le interesa las sinergias que podría tener con la industria de la celulosa. En varios países se ha prohibido el uso de MTBE como aditivo para aumentar el octanaje a la gasolina y se utiliza etanol con estos fines. Copec podría reducir o eliminar el uso de MTBE reemplazándolo con etanol, que es una energía renovable y que contamina menos. Aunque la tecnología para producir etanol a partir de madera aún no se encuentra disponible, los esfuerzos de distintos países apuntan a esta dirección. Se espera que en los próximos años se logre reducir los costos y optimizar los procesos para que el proceso sea rápido y eficiente. En la reciente Conferencia Internacional sobre Energía Renovable en Washington, EE.UU. (WIREC 2008), del 4 al 6 de marzo del presente año (2008), el presidente de EE.UU., G. Bush declaró que en el futuro se espera dejar de producir etanol a partir de alimentos para evitar el incremento en sus precios, para lograr esto hizo un llamado a las naciones a gastar más fondos en encontrar alternativas para producir etanol a partir de celulosa, ya que el costo de esta clase de etanol se puede reducir en un 60% aplicando nuevas tecnologías.19 El interés mundial hacia el etanol de segunda generación comenzó por las fuertes alzas de los precios de los alimentos que se están utilizando como materia prima para producir etanol. Además de provocar el alza en precios de tierras y de otros productos, (provocando escasez de alimentos), el aumento del costo de la materia prima ha aumentado el costo del etanol.
1.4 METODOLOGÍA
El trabajo consiste en un estudio exploratorio porque no existen modelos probados de plantas comerciales de etanol a partir de madera, la tecnología no está disponible y solo hay plantas piloto de este tipo. En los estudios exploratorios gran parte del trabajo es una búsqueda cuidadosa de la información disponible. La información utilizada para este trabajo proviene de fuentes actuales debido a que recientemente se han realizado estudios para plantas de etanol celulósico (a partir
17 THE ECONOMIST. 2007 18 Memoria Anual 2006 de Copec, Antecedentes Financieros e Información Corporativa, Empresas Copec, Chile 19 News & Policies, White House. 2008, marzo. Consulta online en sitio web: www.whitehouse.gov
5 de material rico en celulosa) como biocombustible. Estos documentos se obtuvieron por búsquedas en internet, correos electrónicos, reuniones y contactos. La participación en seminarios que trataban el tema del etanol en Chile permitió corroborar el interés del Gobierno en este biocombustible y tener nueva información. Estos seminarios fueron el primer Workshop de biocombustibles CNE20 “Uso de etanol en Chile” (octubre 2007), el 5°Congreso World Class “Ingeniería para la sustentabilidad” (octubre 2007), CNE “Etanol lignocelulósico” (marzo 2008). Para estudiar la factibilidad de la construcción de la planta en Chile se realizaron una serie de reuniones con distintos especialistas y entendidos en el tema. Se estudiaron informes del sector forestal para la utilización de residuos forestales como materia prima del etanol y se realizaron visitas a la planta de celulosa, Nueva Aldea en la VIII Región. A pesar de ser un estudio exploratorio, se realizó una evaluación económica para analizar la viabilidad económica del proyecto. Bajo una serie de supuestos, con el flujo de caja se determinó el costo final del etanol producido en Chile. Se calculó el Valor Presente Neto (VPN) del proyecto y se realizó un análisis de sensibilidad con las principales variables.
1.5 ALCANCES
El estudio exploratorio permite una aproximación a temas poco abordados, con el fin de familiarizarse a ellos y contribuir con ideas para las futuras investigaciones. Requieren una exhaustiva investigación bibliográfica y se caracterizan por ser más flexibles en la metodología. Es el primer paso para determinar si el proyecto es de interés y tener una estimación muy preliminar de la inversión. Son una base para proseguir con investigaciones y desarrollos de mayor profundidad. En el trabajo se hace una revisión de la información disponible de la producción de etanol a partir de madera. Se estudian los procesos necesarios y el requerimiento de insumos y materias primas. Se investigó la disponibilidad de residuos forestales en Chile, los costos y su ubicación, con lo que finalmente se determina la ubicación de la planta. Debido a que la tecnología aún no se encuentra disponible, se realizó una primera estimación económica del costo de la planta en Chile (con las aproximaciones y supuestos necesarios). Se estimó la inversión inicial, los costos fijos y los costos de operación. Con estas estimaciones se construyó un flujo de caja de la planta para analizar la viabilidad económica del proyecto. En el estudio exploratorio no se incluye la cadena de operación después de la fabricación del etanol hasta el punto de venta. No se estudian las posibles ayudas financieras al tratarse de un proyecto innovador que contribuye al desarrollo de Chile hacia los biocombustibles. Tampoco se trata el impacto social y ambiental que tendría el biocombustible en el país. Sólo se consideran como materia prima los residuos forestales y no la posibilidad de tener plantaciones de árboles exclusivos para la planta.
20 CNE: Comisión Nacional de Energía
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La biotecnología tiene un papel importante en la eficiencia de conversión de la madera a etanol. Las investigaciones van desde modificar genéticamente las enzimas que participan en el proceso hasta modificar las características de los árboles para mejorar su eficiencia de conversión a etanol. En el estudio exploratorio no se incluyen los avances ni las investigaciones que se realizan en ésta área. Existen estudios que cuestionan las ventajas de los biocombustibles debido a la contaminación que producen al requerir fertilizantes, pesticidas y la utilización de combustibles fósiles. Sin embargo estos cuestionamientos surgen de la producción de etanol con alimentos por lo que no se abordará el tema. Greenpeace impulsa el desarrollo de tecnologías de etanol celulósico.21 En el estudio no se incluye el estudio ambiental porque, al no estar la tecnología del proceso, no se conoce el impacto ambiental de la planta al medio ambiente. El estudio ambiental es un punto fundamental al continuar el proyecto de la planta de etanol celulósico ya que sería algo completamente nuevo para el país. En este aspecto se recomienda la supervisión y colaboración de naciones que tienen mayor experiencia.
21 COTTER, J. Y TIRADO, R. 2007.
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2. CARACTERÍSTICAS DEL ETANOL CELULÓSICO
2.1 PROPIEDADES
El etanol tiene un buen rendimiento en los vehículos de combustión. Al ser líquido es más compatible con la existente infraestructura para el manejo de la gasolina, favoreciendo su almacenamiento y transporte.
Tabla 2.1 Propiedades del etanol en relación a la gasolina Valor de etanol Propiedad del combustible relativo a la Impacto cualitativo gasolina Densidad energética 0,65-0,69 Menos km/litro Tanques más largos y vehículos más pesados para algunos Calor de vaporización 2,3 rangos Entra una mayor masa de aire al cilindro Aumento de poder Disminuye el congelamiento en el sistema Temperatura de llama baja 0,976 Mayor eficiencia en un motor optimizado Volumen relativo de combustión de 1,07 Aumenta el trabajo disponible de la expansión del gas productos Permite el aumento del ratio de compresión y por lo tanto Número de octanos 1,15 mayor poder y eficiencia
Fuente: Lynd. 1996.
De acuerdo con la Tabla 2.1, la densidad energética del etanol es alrededor de 70% del que tiene la gasolina en cuanto a distancia recorrida por volumen de combustible (km/litro). El contenido energético del etanol es 22.200 BTU22/litro y el de la gasolina 33.600 BTU/litro. Pero al mezclarlo con gasolina para vehículos corrientes esta disminución de energía no es significativa, ya que la mezcla puede ser hasta con 10% de etanol para estos vehículos, donde el rendimiento se vería disminuido en menos de 1,5%. Además esta disminución de energía no significa necesariamente un menor rendimiento ya que el etanol tiene 113 octanos, lo que corresponde a 15% más de octanaje que la gasolina. Aumentando la compresión del motor mejoraría el rendimiento. 23 El etanol mejora los problemas de enfriamiento del motor en la puesta en marcha del vehículo porque tiene una mayor temperatura de vaporización y menor volatilidad.
22 BTU: Unidad de energía inglesa. 23 Consulta al Sr. Patricio Cavieres Korn, Consultor en Biocombustibles, abril 2007
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Se llama etanol celulósico o lignocelulósico al etanol producido a partir de celulosa de residuos agrícolas y madera. También se le llama etanol de segunda generación porque no usan las actuales materias primas.
2.2 VENTAJAS
El desarrollo de esta tecnología es de principal interés para los países productores de etanol. El Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) junto a las principales empresas multinacionales productoras de etanol como Abengoa (España) y Novozymes (Dinamarca) invertirán 70 millones de dólares para que la producción de etanol celulósico sea competitiva en el año 2012. Actualmente se utilizan alimentos para producir etanol (maíz y caña de azúcar) y al haber aumentado su precio significativamente se ha abierto un debate mundial en cuanto a su uso para producir energía. Esto ha implicado en un fuerte impulso para la investigación de la producción de etanol celulósico
El etanol tiene un excelente desempeño en el vehículo. Entrega buena potencia, torque, alta velocidad y aceleración, y da mayor durabilidad de motor.
Al mezclar la gasolina con etanol aumenta el octanaje (debido al mayor octanaje del etanol). En la Tabla 2.1 se puede ver que el número de octanos del etanol es 15% superior al de la gasolina. En Chile se utiliza el MTBE (metil-ter-butil-eter) para incrementar el octanaje de la gasolina, compuesto que se encuentra prohibido en numerosos países por ser potencialmente cancerígeno. El etanol puede sustituir al MTBE y oxigenar a la gasolina24, la mezcla de 5,7% de etanol con gasolina cumple con la regulación de máximo 2% de oxigeno en las gasolinas25.
Un automóvil con etanol de celulosa genera 50% del anhídrido carbónico que un mismo tipo de automóvil a gasolina. Esto se debe a que, en la mezcla, la molécula de oxígeno (el etanol tiene 35% de oxígeno) se une a la de monóxido de carbono en la combustión26. Se puede apreciar en la Figura 2-1.
24 CAVIERES KORN. 2007. 25 Consulta online sitio web de ENAP (Empresa Nacional de Petróleo). www.enap.cl. 26 CAVIERES KORN. 2007.
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Figura 2-1 Comparación de emisiones de etanol y gasolina
120%
100%
80%
60% gasolina E22 40% E100 20%
0% CO monóxido HC Nox óxidos de de carbono hidrocarburos nitrógeno
Fuente: KHOSLA, V. 2005.
El etanol de celulosa reduce significativamente las emisiones de gases de efecto Invernadero (GEI)27 comparado con la gasolina. El E1028 de maíz reduce el total de las emisiones de GEI en un 10-20%, mientras que el etanol de celulosa reduce las emisiones entre 80-100%. Esta diferencia se debe a que para cosechar la materia prima de productos agrícolas se requiere mucho más combustible fósil que para producir el etanol celulósico. Además el material celulósico tiene un alto contenido en lignina, compuesto que puede ser quemado y convertido en energía suficiente para todo el proceso de producción de etanol celulósico.
El costo de la biomasa celulósica es menor al de las materias primas que tienen uso como alimento (maíz, remolacha y caña de azúcar, entre otros) y no presenta estacionalidad. Este aspecto es muy importante ya que el costo de la materia prima representa en el etanol de primera generación el 50% del costo de producción29. Es por esto que la disponibilidad de mayor oferta de materias primas a precio competitivo es actualmente la mejor opción para estabilizar los costos de producción.
El balance energético del etanol celulósico es mejor que a partir de otras materias primas. Esto se puede apreciar en la Tabla 2.2. En la misma tabla se puede ver que el costo estimado de producción de etanol es menor al de la producción a partir de maíz.
27 Los Gases de Efecto Invernadero (GEI) son el dióxido de carbono, metano, vapor de agua, óxidos de nitrógeno y ozono. 28 E10 corresponde a la mezcla de 10% de etanol con 90% de gasolina. 29 Informe de la OCDE de la producción en Brasil a partir de caña de azúcar. 2006.
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Tabla 2.2 Comparación de etanol de distinta materia prima Materia Prima Costo US$/m3 Balance Energético Caña de azúcar 250 8,3 Maíz 379 1,3 Madera 297 16
Fuente: Elaboración propia basado en The Economist. 2007, ver Anexo 1.
2.3 DESVENTAJAS
La tecnología para producir etanol a partir de madera aún no se encuentra disponible debido a lo complejo que resulta liberar los componentes que sirven para producir etanol. Por su parte, las tecnologías de producción de etanol de primera generación (de maíz y caña de azúcar principalmente) son maduras, por lo que no se esperan importantes reducciones en el costo (en este caso la materia prima es la que más contribuye al costo).
Los residuos forestales tienen uso alternativo como pellets de madera y para producir vapor y energía eléctrica (principalmente para plantas de celulosa y aserraderos). Sin embargo la fuente de la energía térmica se encuentra en la lignina, un compuesto de la madera que no se transforma en etanol, por lo que separando la lignina del resto de los compuestos que sí se convierten a etanol (celulosa y hemicelulosa), se puede continuar aprovechando la lignina como fuente energética.
Versus otras energías renovables más limpias (como el hidrógeno y la energía solar) el etanol utilizado en vehículos de combustión interna contamina más. Pero esas energías renovables solo estarán disponibles en el largo plazo.
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3. ESTUDIO DE MERCADO
3.1 SITUACIÓN ENERGÉTICA MUNDIAL
La demanda por energía mundial continúa en aumento y los pronósticos apuntan a crecientes necesidades de ésta para los próximos 20 años.
Figura 3-1 Demanda de energía mundial
Fuente: Estimaciones de la Agencia Internacional de Energía. 2005
Como se aprecia en la Figura 3-1, para el año 2030 se espera un aumento del 50% de la demanda de energía con respecto a la actual. Este aumento se debe principalmente a las crecientes necesidades de energía de los países en desarrollo. Otra razón para impulsar el desarrollo de energías alternativas son los problemas que provoca la dependencia del petróleo como energía. El precio del petróleo ha sufrido fuertes fluctuaciones en los últimos años y es un recurso no renovable que continúa provocando graves daños ambientales. Además se desconoce cuánto tiempo más se podrá contar con esta fuente de energía.
3.2 PRODUCCIÓN MUNDIAL DE BIOETANOL
Actualmente los principales productores de etanol son EE.UU., que utiliza como materia prima maíz y Brasil, a partir de caña de azúcar. Cada uno con una producción mundial de 35%. La producción de etanol como biocombustible comenzó en el año 1975, con el programa Pro- Alcohol de Brasil en el que se incentivó la producción de etanol de caña de azúcar. EE.UU. comenzó el año 1980 a aumentar paulatinamente su producción de etanol de maíz. 12
Figura 3-2 Producción mundial de etanol
Fuente: NTNU30. 2005.
En el año 2000 ocurre un fuerte aumento en la producción mundial de etanol, el motivo es que ese año hubo una importante alza en el precio de los combustibles fósiles. La producción de etanol, en las últimas décadas, ha estado ligada a las fluctuaciones del precio del petróleo. La correlación se puede apreciar en el gráfico de la Figura 3-3.
Figura 3-3 Precio del petróleo y producción de etanol
Fuente: NTNU. 2005.
30 NTNU: Universidad de Ciencia y Tecnología de Noruega
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3.3 IMPORTACIÓN
El comercio internacional del etanol ha experimentado un crecimiento importante en los últimos años. Brasil es prácticamente el único país con volúmenes significativos de exportación. EE.UU. destina el total de su producción al mercado interno por una estrategia de independencia energética, incluso ha fijado como meta duplicar el consumo interno de etanol a 7.500 millones de galones en el 2012. Los precios del etanol varían significativamente en los dos países. En marzo del 200831, el precio del etanol producido por EE.UU. fue US$622 por m3 y el de Brasil US$500 por m3. Esta diferencia se debe principalmente a que EE.UU. utiliza maíz como materia prima y Brasil caña de azúcar. Brasil, por su parte, al tener una experiencia de 30 años con el uso de este biocombustible, se encuentra en condiciones de aprovechar la demanda mundial por el producto.
Figura 3-4 Proyección de exportación de bioetanol de Brasil
Fuente: ALMADA, M. 2006.
Brasil continuará aumentando exponencialmente su producción de etanol para responder a la demanda interna, que es cada vez mayor con el uso de vehículos Flex-Fuel (VFF) y, a su vez, para aumentar las exportaciones y responder a las demandas mundiales de biocombustibles. En la Figura 3-4 se pueden ver las proyecciones de exportación de etanol por parte de Brasil. Para el año 2020 se duplicarán las exportaciones actuales.
31 Consulta online en el sitio web de estadísticas del etanol de EE.UU. Marzo, 2008. www.ethanolstatistics.com
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También los países de la Unión Europea se han fijado metas para reducir el uso de energías fósiles y se encuentran produciendo etanol y realizando investigaciones sobre el etanol de segunda generación. La empresa española Abengoa es la mayor productora de etanol europeo y se encuentra presente en distintos países, incluido EEUU.32 Las actuales demandas de etanol sobrepasan la oferta, motivo por el que se continúan construyendo plantas de producción de este combustible. Siendo Brasil el único exportador dominante, condiciona el precio internacional. Brasil produce el etanol a menor costo a partir de caña de azúcar. El precio promedio FOB durante el 2006 fue de US$ 435 por metro cúbico33. En la Figura 3-5 se puede observar la variación que ha sufrido el precio internacional (FOB) del etanol en los últimos años.
Figura 3-5 Precio del etanol34
Fuente: ALMADA, M. 2006.
El precio ha aumentado debido al alza de los precios de la materia prima y el aumento de la demanda. Aún así el precio final del etanol es menor al de la gasolina. El precio del etanol es el producido en Brasil y si se produjera en Chile el precio sería superior debido a que no se tiene la economía de escala ni el know-how de varias décadas que tiene Brasil.
32 www.abengoabioenergy.com 33 El precio FOB corresponde a Free On Board, sin costos de seguros ni flete. El precio FOB del etanol en 2006 es US$484/ton y la densidad del etanol es 0,9kg/l. 34 Precios FOB del etanol de Brasil.
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Tabla 3.1 Precios de gasolina y bioetanol 200635 Texas Brasil Gasolina Etanol US$/m3 US$/m3 Precio FOB (promedio 2006) 521 435 Flete 30 30 Precio FOB + flete 552 466 Seguro, gastos de importación, 21 21 recepción y transporte Precio paridad de importación 573 487
Fuente: ALMADA, M. 2006.
En la Tabla 3.1 se estima cuál sería el precio final del etanol en Chile y se compara con el precio de la gasolina. El precio de paridad de importación corresponde al precio de los combustibles en mercados internacionales puestos en el puerto de Quintero, en la V Región del país36. El precio de paridad de importación se obtiene sumando al precio FOB los costos de flete, seguros recepción y transporte. El precio estimado, en este caso, corresponde a US$487/m3. Estos datossirven como referencia para ver cuánto aumenta el precio del producto si se vende en Chile. En el último tiempo tanto el precio del etanol como la gasolina han sufrido alzas en sus precios de venta y por las fluctuaciones de los precios, en algunos meses del 2006 el precio del etanol ha llegado a superar el precio de la gasolina. La producción de etanol será sostenible solo si se mantienen los altos precios de la gasolina y si el costo de la materia prima que se utiliza actualmente no continúa en alza. Actualmente el precio de la gasolina en Chile es cercano a US$700 y el precio del etanol de Brasil (en EE.UU.) es de US$50037.
3.4 MATERIAS PRIMAS
Las materias primas que se pueden utilizar para producir etanol son biomasa azucarada (caña de azúcar y remolacha), cereales (maíz y trigo) y material lignocelulósico. Las principales plantas de etanol producen a partir de caña de azúcar y de maíz. A pesar de las ventajas del etanol lignocelulósico, no es producido a gran escala porque la tecnología no está completamente desarrollada, pero se espera que en los próximos años comiencen a operar las primeras plantas a nivel industrial.
35 Se utilizó la referencia de ENAP (Empresa Nacional de Petróleo de Chile), para los combustibles importados desde Texas, EE.UU. En el caso del etanol, donde se importaría desde Brasil, el costo del flete y los gastos de seguro, importación, recepción y transporte están sobreestimados. 36 Sitio web de la CNE (Comisión Nacional de Energía) www.cne.cl. 37 Precio de la gasolina es el entregado por ENAP (Empresa nacional de Petróleos) en el sitio web www.enap.cl (enero 2008)y el precio del etanol fue consultado online en el sitio de Estadísticas del etanol en EE.UU. www.ethanolstatistics.com (marzo 2008).
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Figura 3-6 Materias primas para etanol
Fuente: PARRA, C. 2006.
Como se puede apreciar en la Figura 3-6 la producción de etanol a partir de biomasa celulósica es más compleja que utilizando como materia prima los granos, pero la utilización de alimentos como materia prima ha tenido graves consecuencias. El fenómeno de los biocombustibles ha generado una serie de efectos en el territorio nacional, incluso cuando aún no son utilizados en Chile. Los precios de la hectárea en algunas zonas del sur del país han subido en más del 50% en un año, lo que se debe principalmente a los altos precios que han alcanzado los granos. El maíz, producto agrícola destinado a la producción de biocombustibles, tuvo un alza anual de 33%38. Utilizar productos agrícolas como materias primas para producir combustibles es riesgoso por las variaciones de los precios de los alimentos, lo que ha implicado fluctuaciones del precio del etanol en el último tiempo. En México la utilización actual del maíz para la generación de biocombustibles está siendo cuestionada, esto porque es la base de su alimentación y hoy se ve escasez y precios cada vez más altos. La demanda de etanol ha incrementado el precio de este grano en el mercado mundial y el de la azúcar. En los últimos años el etanol a partir de celulosa ha sido de interés para numerosas investigaciones apoyadas por cuantiosas inversiones. En distintos países operan plantas piloto para probar la tecnología disponible y mejorar el proceso. Algunos aseguran que es la mejor opción a mediano plazo para los problemas de energía. El presidente de la planta piloto Upton de KLde EE.UU., Randy Kramer, asegura que a una escala de 76 mil m3 al año, la economía favorece a los residuos forestales como materia prima. Otro punto a favor para utilizar residuos forestales, es que la planta Upton requiere menos de 20.000 BTU para producir 1 galón de etanol que tiene 80.000 BTU de energía, mientras que el etanol a partir de maíz ha sido muy criticado con respecto a que podría requerir más energía para producirlo de la que entrega.39
38 MALDONADO, G. 2007 39 KL Process Group, empresa que se especializa en el desarrollo de proyectos de biocombustibles, ingeniería, construcción y managment de la planta con énfasis en el etanol 17
Esto se debe al positivo balance energético del etanol a partir de madera y a que requiere menos energía convencional que el de maíz y caña de azúcar.
3.5 PLANTAS DE ETANOL LIGNOCELULÓSICO EN OTROS PAÍSES
La primera planta que producirá etanol de celulosa a escala comercial será a partir de paja de trigo. La empresa que llevará a cabo la inversión es IOGEN Corporation, de Canadá40. La capacidad será de 250-300 litros de etanol a partir de 1 tonelada de paja de trigo, lo que equivale a una eficiencia de 0,27 m3 por tonelada de paja de trigo, la misma eficiencia de la obtención de etanol de madera.41 Para producir etanol a partir de material lignocelulósico existen plantas piloto que utilizan diferentes tecnologías, estas plantas son:42
Bioengineering Resourses Inc. (BRI), Arkansas, EEUU EthanolTecknik (ETEK) en Ornskoldsvik, Suecia Iogen, Canada National Renewable Energy laboratory (NREL) del Department of Energy (DOE) en Colorado, EEUU BC International, Louisiana, EEUU
Planta BRI: Esta planta, que está ubicada en EE.UU.) utiliza una tecnología que está completamente desarrollada. El proceso BRI gasifica cualquier material con más de 40% de carbono, el que es convertido a syngas y luego a etanol. Existe muy poca documentación de este proceso debido a que es una tecnología privada. Los costos tampoco están disponibles. Se espera que en el corto plazo construyan una planta comercial43.
producido a partir de maíz y celulosa. Manejan la planta piloto en Wyoming productora de 1.5 millones de galones al año de etanol a partir de residuos forestales. Comentario de noticias de agosto de 2007. Sitio web ww.klprocess.com. 40 Iogen fue beneficiada con financiamiento por el Departamento de Energía (DOE) de EE.UU. Será en asociación con SHELL y GOLDMAN SACHS. 41 CAVIERES, P. 2007. 42 Plantas pilotos que utilizaban madera como materia prima en diciembre 2005. Fuente: NTNU.2005. 43 Sitio web de BRI: www.brienergy.com. Fuente: NTNU. 2005.
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Planta ETEK: La planta piloto de ETEK que opera en Suecia utiliza como materia prima residuos de los aserraderos de maderas blandas. No produce etanol para comercializar, el objetivo es adquirir conocimiento, razón por la que prueban diferentes procesos y tecnologías continuamente. El costo anual de operación es de US$2-2,8 millones (considera los costos de investigación y rediseño de procesos) y la inversión inicial fue de US$ 22 millones (se utilizó infraestructura existente). La alimentación es de 2 ton/día de madera seca para producir 400-500 lt/día, lo que equivale a una eficiencia de 0,23 m3 por tonelada de madera.44 Esperan en el año 2015 comenzar a producir etanol a gran escala.45 El proceso que utilizan es el siguiente:
Figura 3-7 Esquema del proceso de producción de planta ETEK
Fuente: NTNU. 2005. Biofuels from lignocellulosic material-In the Norwegian context 2010.
Planta Iogen: La ventaja de esta planta canadiense es que ellos producen la enzima celulasa que permite la hidrólisis. Fueron pioneros en la utilización de la tecnología de pretratamiento por explosión de vapor. La materia prima que utilizan son residuos agrícolas (Ejemplo: de trigo y maíz). También han realizado pruebas con maderas duras, pero no con maderas blandas porque consideran que cuentan con suficientes residuos agrícolas para producir etanol.46
44 FRANSSON, G. & LINDSTEDT, J. 2005. 45 LINDSTEDT, J. Consulta vía mail: [email protected]. febrero 2008. 46 Sitio web official: www.iogen.ca
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Planta DOE:
La planta estadounidense produce etanol a partir de materiales celulósicos. Se utiliza para probar diferentes tecnologías de bioprocesos. La ruta principal es pretratamiento, hidrólisis y fermentación.47 El proceso combina la hidrólisis y fermentación al mismo tiempo, tecnología que aún no está completamente desarrollada y se espera esté disponible en el mediano plazo48. La ventaja de utilizar esta tecnología es que no existe inhibición por producto en el proceso enzimático, ya que la glucosa inhibe la hidrólisis y es fermentada a etanol inmediatamente.
Planta BCI: La planta estadounidense BCI posee una exclusiva licencia mundial de la nueva tecnología que fermenta a etanol las azúcares de glucosa y no glucosa. Esto es posible gracias a las modificaciones genéticas de la bacteria E. coli. Esta tecnología puede convertir cualquier biomasa celulósica en etanol.49 No se tiene mayor información porque es tecnología patentada.
3.6 SITUACIÓN EN CHILE
Chile importa cerca del 72% de la energía que consume, lo que lo ubica en una situación de vulnerabilidad frente a las fluctuaciones de precio e interrupciones del suministro. El Gobierno de Chile se encuentra impulsando el Plan de Seguridad Energética, el que contempla promover el desarrollo de los biocombustibles (etanol y biodiesel). En Chile se introduciría el etanol al mercado comenzando con una mezcla de 5% de etanol y 95% de gasolina50 (E5). Actualmente el máximo de oxígeno permitido en las gasolinas es 2%(m/m)51, lo que se alcanzaría con una mezcla de 5,7% de etanol con gasolina. Se puede estimar la demanda de etanol en Chile conociendo las proyecciones de la demanda de gasolina para el 2010 en Chile, que son 3,3 millones de metros cúbicos52. Si se vendiera la mezcla E5, la demanda de etanol sería 5% de los 3,3 millones de m3, es decir, 165.000 m3. A pesar de que el poder calorífico del etanol es 2/3 el de la gasolina, para la mezcla E5 no disminuiría el rendimiento de distancia recorrida por volumen de la mezcla, dado que el etanol reemplazaría al MTBE, aditivo que actualmente se utiliza en Chile para aumentar el octanaje de la gasolina. En el caso de E10 la disminución del rendimiento es solo 1,5%, esta disminución es
47 Fuente: NTNU. 2005. 48 Esta tecnología es conocida como SSCF. Fuente: HAMELINCK. 2003.
49 Sitio web oficial de BCI: www.bcintlcorp.com 50 CNE 2007. La mezcla E5 contiene 5% de etanol y 95% de gasolina. 51 Consulta en el sitio web de ENAP (Empresa Nacional de Petróleo) en sección productos- especificaciones, gasolina. www.enap.cl 52 TRAUB, A. 2007.
20 irrelevante hasta en mezclas con 30% de etanol y se ve compensada por el mayor octanaje y la reducción de contaminantes53. En varios países se ha preferido el uso de etanol frente al MTBE para aumentar el octanaje de las gasolinas. El MTBE es un compuesto que se obtiene a partir de la mezcla de metanol e isobutileno, y ha sido usado para aumentar el octanaje de las gasolinas, sin embargo en varios países han prohibido su uso porque ha presentado preocupantes niveles de contaminación.54
Tabla 3.2 Proyección de demanda de etanol Eficiencia etanol comparado con gasolina [distancia recorrida/volúmen de etanol] 70%
Eficiencia conversión 0,26 m3etanol/ton madera
Chile Copec Demanda gasolina 2010 [m3] 3.300.000 1.584.000 5% 165.000 79.200 % de demanda nacional 100% 48% Fuente: Elaboración propia
En la Tabla 3.2 se muestra como se calcula la demanda de etanol para el 2010. Si se reemplaza el 5% de la gasolina (165 mil m3) el etanol que se demandará será 165 mil m3. La empresa Copec tiene una participación en el mercado de las gasolinas de 48%, suponiendo que esta participación se mantiene para el 2010, requerirá 80 mil m3 de etanol al año. Esta demanda es bajo el supuesto de que la utilización de E5 sea obligatoria. En Chile la gasolina se encuentra gravada con un impuesto específico y se calcula el precio de venta de una forma particular (Ver Anexo 2). El etanol no se vería gravado por este impuesto específico (que en enero del 2008 fue más del 30% del precio final de venta de la gasolina).
53 Consulta al Sr. Patricio Cavieres Korn, Consultor en Biocombustibles, Abril 2007 54 BALLESTEROS, M. 2006.
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4. ESTUDIO LEGAL
4.1 ESPECIFICACIONES
Ante la ley chilena bioetanol es todo combustible líquido compuesto por alcohol etílico anhidro desnaturalizado, obtenido por la deshidratación del producto de fermentación de materias primas vegetales ricas en azúcares, almidones o lignocelulosa. Para su uso como combustible el bioetanol no puede ser utilizado con fines de consumo humano, por lo que debe contener sustancias desnaturalizantes autorizadas por la autoridad agrícola (SAG). En este caso particular gasolina de especificación nacional. Los biocombustibles (bioetanol y biodiesel) no constituyen aditivos55 de los combustibles que se encuentran autorizados en las regulaciones vigentes. Son usados como combustibles, aun cuando se mezclen con otro combustible, ya que su objeto no es potenciar las propiedades del combustible al cual se adicionan, sino que por sí mismos suponen la liberación de una energía utilizable.
4.1.1 Tratamiento Tributario
El tratamiento tributario de los biocombustibles, cuando son adicionados a combustibles, es el siguiente:
a. Impuesto al Valor Agregado: Se encuentra gravado con impuesto al valor agregado de acuerdo a las reglas generales que regulan este tributo.
b. Impuesto específico a ciertos combustibles: El bioetanol no se encuentra gravado con el impuesto específico de la Ley N° 18.50256 ya que no se trata de un hidrocarburo volátil, como la gasolina, ni tampoco de un destilado medio derivado del petróleo. Es un alcohol etílico elaborado mediante fermentación de ciertos productos agrícolas.
55 La Norma NCh59, declarada Norma Chilena Oficial de la República, por Resolución N° 01 de fecha 05 de Enero de 1994, del Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción, publicada en el Diario oficial de 20 de Enero de 1994, en su punto 3.1 define el aditivo como una “sustancia que agregada a otro producto, generalmente en cantidades pequeñas, le confiere propiedades especiales o refuerza sus propiedades naturales”.
56 Ley 18.502 de 03.04.1986: El artículo 6° de la Ley N° 18.502, de 1986, grava con un impuesto especial la primera venta o importación de las gasolinas automotrices y del petróleo diesel, el cual se expresa en Unidades Tributarias Mensuales que deben ser aplicadas por cada metro cúbico de combustible vendido o importado.
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c. Al no encontrarse afecto a tal impuesto, al bioetanol no se le aplica el fondo de estabilización de precios del petróleo57.
d. Los biocombustibles son mezclados con los combustibles convencionales (como la gasolina y el diesel) en porcentajes que se encuentran previamente definidos dentro del marco regulatorio que permite su utilización y no constituyen aditivos de estos últimos.
e. En conclusión el combustible resultante se encontrará gravado con los impuestos específicos que se aplican a los combustibles derivados del petróleo sólo en aquel porcentaje que efectivamente constituya uno de estos combustibles, quedando la proporción correspondiente a biocombustible sin ser afectada por estos gravámenes, sin perjuicio del Impuesto al Valor Agregado que corresponda.
4.1.2 Especificaciones del bioetanol58
a. Bioetanol es todo combustible líquido compuesto por alcohol etílico anhidro desnaturalizado, obtenido por la destilación del producto de fermentación de materias primas vegetales ricas en azúcares, almidones o lignocelulosa.
b. El proceso de desnaturalización del alcohol etílico deberá realizarse con gasolina automotriz, que cumpla con las especificaciones chilenas vigentes, según la reglamentación para alcoholes etílicos del Servicio Agrícola y Ganadero.
c. Las especificaciones de calidad para el bioetanol deberán ser cumplidas por los productos nacionales e importados.
d. Las especificaciones de calidad que deberá cumplir el bioetanol para su comercialización como producto puro y en mezclas con gasolina para motores de ignición por chispa para uso automotriz, se pueden ver en la e. Tabla 4.1.
f. El bioetanol se podrá mezclar hasta en un 5% con gasolina automotriz de acuerdo con la legislación propuesta.
57 Artículo 5° del Reglamento de la Ley sobre Fondo de Estabilización de Precios del Petróleo y en la Ley N° 20.063. 58 CNE. 2007.
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Tabla 4.1 Especificaciones de calidad
Fuente: CNE. 2007.
4.2 INICIATIVAS DEL GOBIERNO DE CHILE
Por medio de declaraciones y acciones concretas el Gobierno ha manifestado su interés en la utilización del bioetanol como combustible. Se realizó en octubre del año pasado (2007) el primer Workshop (seminario de trabajo) de Biocombustibles-“Uso de etanol en Chile”, organizado por la CNE (Comisión Nacional de Energía de Chile), la embajada de Brasil en Chile y el Ministerio de Minas y Energía de Brasil. El seminario se realizó en el marco de la cooperación entre los gobiernos de Brasil y Chile para el desarrollo de los biocombustibles en Chile. Los invitados fueron organismos y empresas que se verían afectadas con el ingreso del etanol como biocombustible. Algunas de ellas son las 24 empresas de hidrocarburos (Copec, Shell, ENAP59) y organismos de regulación y protección del medio ambiente (CONAMA60). El Workshop se dividió en un primer día de exposiciones y un segundo día en el que se formaron grupos de trabajo para plantear inquietudes y definir líneas futuras. Los expositores fueron la empresa Petrobras61 (empresa integrada de energía de Brasil) y la Agencia Nacional del Petróleo de Brasil (ANP) quienes presentaron su experiencia en el manejo, uso y control de etanol. Los grupos de trabajo trataron los temas de instalaciones de almacenamiento, transporte, emisiones a la atmósfera, tecnología vehicular, características de la mezcla, calidades y fiscalización para el etanol. Se participó en el grupo de de instalaciones de almacenamiento y transporte. En el 5° Congreso de estudiantes de Ingeniería Industrial World Class-“Ingeniería para la sustentabilidad” de la Universidad de Chile, realizado en octubre de 2007, se participó moderando el panel “Estrategias para la diversificación energética” donde uno de los invitados fue el Sr. Alfonso Traub, profesional de la unidad de bioenergía de la ODEPA62, quién expuso como se utilizaría el bioetanol como E563 en el país. Recientemente (12 de Marzo del 2008), la CNE organizó el seminario “Etanol lignocelulósico” en el que se invitó a la Sra. Mercedes Ballesteros, jefa de la Unidad de Biomasa que pertenece a la División de Energías Renovables del Centro de Investigaciones Energéticas Medio- Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT) de España. Los temas tratados fueron la situación general del etanol en la Unión Europea, las razones de por qué Chile debería producir etanol a partir de material lignocelulósico y la maduración de esta tecnología64.
59 ENAP: Empresa Nacional de Petróleo de Chile. 60 CONAMA: Corporación Nacional del Medio Ambiente de Chile. 61 Sitio web de Petrobras: www.petrobras.com 62 ODEPA: Oficina De Estudios y Políticas Agrarias de Chile. 63 E5 corresponde a la mezcla de 5% de etanol y 95% de gasolina. 64 El correo electrónico de la Sr. Mercedes Ballesteros es: [email protected]
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5. ESTUDIO TÉCNICO
5.1 MATERIA PRIMA
Los materiales celulósicos que se utilizan para producir etanol son porciones de vegetación rica en fibra a base de celulosa, hemicelulosa y lignina, sin valor alimenticio. Pueden ser: Basura municipal (embalajes, cartones, papel, desperdicios de alimentos, etc.) Residuos agrícolas como rastrojos de cereales (maíz, trigo, caña, etc.) Productos y residuos forestales (madera, raleos, astillas, chips, aserrín, etc.) En este estudio sólo se considerará la utilización de residuos forestales como materia prima. Para la empresa Copec el uso de residuos forestales es la materia prima de interés al realizar actividades en la industria forestal con la empresa Arauco. No se estudia la posibilidad de utilizar más de una materia prima porque los procesos de producción de etanol dependen de la materia prima utilizada.
5.1.1 Ubicación y tipo de madera
Para identificar que especie se utilizará se estudiará la disponibilidad y propiedades de las especies más presentes en Chile. El recurso forestal de Chile se clasifica en bosque nativo con 13,5 millones de hectáreas y las plantaciones forestales que son más de 2 millones de hectáreas. A pesar de que las plantaciones forestales son cerca del 14% de los bosques del país, abastecen el 97% de la industria forestal, lo que ha contribuido a proteger el bosque nativo. Debido a que en el país la ley obliga a reforestar, en los últimos años se ha visto un crecimiento sostenido del patrimonio de bosques. Además el 90% de los cultivos se ha realizado en tierras erosionadas, lo que ha permitido recuperar estas tierras. Las plantaciones de Pino Radiata (Pinus radiata) y las del género Eucaliptus corresponden al 94% del total de superficie de plantaciones, concentrándose éstas entre la V y X región. Pino Radiata es la especie con mayor superficie plantada, llegando a 1.419.300 ha. En tanto las plantaciones de Eucaliptus son de 536.997 ha (desde la V a la X región). En la Figura 5-1 se puede observar que la mayor concentración de plantaciones se encuentra en la región del Biobío con alrededor de 800.000 hectáreas. El Pino Radiata corresponde al 74% de las plantaciones en la región del Biobío. En el territorio nacional, particularmente en la VIII Región, el Pino Radiata es más abundante. Esto implica una mayor cantidad de residuos forestales de esta especie. Para escoger la especie que se utilizará como materia prima también se debe considerar la eficiencia de conversión del pino y del eucaliptus a etanol. Las especies de árboles tienen diferente composición, esto implica que unas especies sean más eficientes para producir etanol que otras.
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Figura 5-1 Hectáreas de plantaciones forestales en regiones de Chile
Miles de hectáreas 900 800 700 600 500 Pino 400 Eucaliptus 300 200 100 0 V VI VII VIII IX X Región
Fuente: Elaboración propia basado en datos de INFOR65 2006.
Figura 5-2 Composición de la madera
Fuente: Elaboración propia basado en DAVIDSON, M.2008 y GTL66
65 INFOR: Instituto Forestal de Chile
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Como se aprecia en la Figura 5-2, la pared celular de los vegetales se compone de polímeros de carbohidratos (celulosa y hemicelulosa), lignocelulosa y una pequeña porción de sales, ácidos y minerales. La celulosa es una larga cadena de glucosa que se agrupa formando filamentos, los cuales a su vez forman estructuras más gruesas llamadas microfibrillas. La hemicelulosa está constituida de glucosa y otras azúcares solubles en agua, tiende a formar estructuras ramificadas y rodea los filamentos de celulosa ayudando en la formación de las microfibrillas. La lignina se concentra principalmente en la pared celular de la madera ayudando a pegar las microfibrillas entre sí. Entrega rigidez y tiene un importante papel en transporte de agua en la planta. Solo la celulosa y hemicelulosa, que corresponden a dos tercios de la masa seca de la madera, pueden ser convertidos a etanol, la lignina no. La lignina se puede vender para pellets de madera o para generar energía eléctrica. Como la celulosa y hemicelulosa se pueden transformar a etanol y la lignina no, se prefiere las especies con mayor cantidad de celulosa y hemicelulosa y la menor cantidad de lignina.
Tabla 5.1 Composición lignocelulósica de pino y eucaliptus67 Especie Pino Eucaliptus
Tipo de madera blanda dura % Celulosa 45 50 % Hemicelulosa 22 13 % Lignina 28 28 %Crecimiento lento rápido %Cenizas 0,3 1,3 %Ácidos 2,7 4,2 %Extractivos 2,9 4,3 Poder calorífico [GJHHV/ton seca] 19,6 19,5 Densidad [kg/m3] 450 720
Fuente: Elaboración propia68
En la Tabla 5.1 se ve que las dos especies tienen 28% de lignina. El pino tiene 45% de celulosa y 22% de hemicelulosa y la suma de estos dos compuestos es 67%. A su vez, el eucaliptus tiene 50% de celulosa y 13% de hemicelulosa, sumando 63%. El pino tiene más alto contenido de azúcares y, por lo tanto, el mejor potencial para producir etanol.69
66 Consulta en línea en sitio web de Genomycs (GTL) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE): genomicsgtl.energy.gov.com. “Cellulosic Ethanol“. 67 Porcentajes de material seco. Los porcentajes no suman 100% debido a aproximaciones. 68 Para la construcción de la tabla se utilizaron las siguientes fuentes: Instituto Forestal (INFOR) CONAF, INN y CORMA. 2006. y HAMELINCK, N. 2003. 69 Fuente: HAMELINCK, N. 2003.
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Otras características del pino que son mejores que las del eucaliptus para producir etanol son el contenido de hemicelulosa y de ceniza. El pino tiene mayor contenido de hemicelulosa, la que es más susceptible a la degradación que la celulosa. El poder calorífico de la madera disminuye con la cantidad de ceniza y el pino tiene un menor porcentaje de ceniza. Las plantaciones de estas especies son para distintos usos. Las de pino son para producir madera aserrada, celulosa y trozos de exportación. La madera de eucaliptus es principalmente para la producción de celulosa.70 La cantidad de residuos forestales de las plantaciones es distinta para las 2 especies. El bosque de Pino Radiata deja 27,2 ton/ha de residuos y los de eucaliptus 36,25 ton/ha. A pesar de que se proyecta un fuerte incremento de la disponibilidad futura de eucaliptus71 (y que por hectárea entrega una mayor cantidad de residuos), el volumen final de residuos de pino es superior. El destino de los troncos depende de su diámetro. Si el diámetro es mayor a una cota es transportado a un aserradero sino es llevado a una planta de celulosa. En la Figura 5-3 se muestran los dos destinos de los rollizos de madera:
Figura 5-3 Usos de la madera
Fuente: Sitio web www.papel.net
El precio internacional de la celulosa aumento un 19% en el 2007, lo que favorece a la industria forestal chilena. Las empresas más grandes del sector (Arauco y CMPC) elevaron su producción,72 por lo que la cantidad de residuos forestales aumentarán. Los residuos forestales son los productos indeseados que se obtienen en la elaboración del producto (tablas y celulosa), estos se encuentran en los aserraderos y plantas de celulosa. También se obtienen residuos forestales de los raleos (extracción de los árboles defectuosos) y podas (eliminación de las ramas inferiores) para permitir un mejor crecimiento de los árboles.
70 Ver en Anexo 3 los precios de los productos de la madera. 71 CAMPINO, J.R. 2006. 72 Datos de INFOR (Instituto Forestal). 2007. Mercado Forestal N°28.
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5.1.2 Tipos de residuos forestales y disponibilidad
Los residuos aprovechables energéticamente son los que quedan disponibles luego de que se ha obtenido el producto principal y los subproductos a partir de la madera. Los residuos son (en Anexo 4 se pueden ver las imágenes de los distintos residuos):
Lampazo: secciones laterales del tronco que se extraen para obtener una forma rectangular de la madera Aserrín: Partículas de madera que se obtienen al aserrarla Despunte: Residuos de distintos tamaño que resultan del dimensionamiento en largo Viruta: Cintas delgadas de madera que se obtienen al cepillar la madera Corteza: Capa externa de la madera rolliza
Las astillas (madera de pequeña dimensión) no se consideran como residuos ya que son la materia prima de la pulpa en las plantas de celulosa y los tableros por lo que su valor es mayor y su industria se encuentra desarrollada.73 Para calcular los residuos aprovechables energéticamente se utiliza la siguiente expresión:
RAE= Vcc – P – S
Donde: RAE: volumen de residuos aprovechables energéticamente en m3 Vcc: volumen de trozas de madera en m3 P: volumen del producto principal (madera aserrada) en m3 S: volumen de los subproductos en m3
La mayor cantidad de residuos forestales se obtienen de los aserraderos, a nivel nacional son 5,5 millones de m3 ssc74 al año, que corresponden a 3,3 millones de toneladas. Existen dos tipos principales de aserraderos: los permanentes y los móviles. Las instalaciones móviles pueden desplazarse hasta la materia prima, su ventaja era que podían dejar los residuos en el mismo lugar de elaboración y transportar un producto elaborado, de esta forma se conseguía economía de transporte. La integración de los aserraderos y el utilizar los residuos como fuente de energía han anulado en gran parte esta ventaja. El 96% del consumo de madera de los aserraderos es en los aserraderos permanentes, que se encuentran fijos y más del 95% de la madera trabajada en estos aserraderos corresponde a
73 www.corma.cl 74 m3 ssc corresponde a metros cúbicos sin corteza
30
Pino Radiata.75 Al llegar las trozas al aserradero se obtienen nuevamente residuos forestales para obtener la madera aserrada.
Figura 5-4 Flujo de producción de un aserradero
Fuente: Sitio web www.papelnet.cl
En la Figura 5-4 se muestra el flujo de producción de un aserradero. Primero al tronco se le extrae la corteza, luego se cortan los lampazos para dejar el tronco con forma rectangular y finalmente se cortan las tablas y la madera es aserrada. De todo el volumen de tronco sin corteza solo el 48% corresponde al producto final, la madera aserrada. Los porcentajes de cada tipo de residuo de los aserraderos permanentes se presentan en el siguiente gráfico:
Figura 5-5 Residuos de aserraderos permanentes
lampazo 8% 24% aserrin despunte 7% 55% viruta 6% corteza
Fuente: INFOR 2006
75 GONZÁLEZ, P. 2006. Seminario de INFOR
31
Se consideran solo los residuos de aserraderos permanentes porque los aserraderos móviles no transportan los residuos y sus volúmenes de RAE son solo 280.000 m3 ssc, el 5% del total del país para 242 aserraderos que no se encuentran fijos. La mayoría de los residuos son el aserrín y la corteza, los que corresponden al 55% y 24% del total del RAE del país. Para determinar el lugar donde se instalará la planta productora de etanol se debe conocer cuál es la región con la mayor cantidad de residuos disponibles.
Figura 5-6 RAE en regiones
Otras X VII 7% 10% 16%
IX 10% VIII 57%
Fuente: Elaboración propia basado en datos de INFOR 2006
En la Figura 5-5 se aprecia que las regiones con más cantidad de RAE son las mismas que tienen mayor cantidad de hectáreas de plantaciones de pino y eucaliptus. La mayor concentración de RAE la tiene la VIII Región, teniendo más de la mitad de los residuos del país con 3 millones de m3 ssc. La siguen las VII, IX y X con volúmenes significantemente menores. 76 Los residuos aprovechables energéticamente compiten con su uso alternativo como pellets de madera o para producción de energía eléctrica al quemarlos en calderas. De la producción de etanol también se obtienen residuos, principalmente lignina, que tiene esos mismos dos usos como co-producto del proceso. Por la disponibilidad de residuos forestales de pino y ubicación de los aserraderos se determina que la planta de etanol se ubicará en la VIII región. La VIII Región, del Biobío, se divide en las provincias de Arauco, Biobío, Concepción y Ñuble. En el siguiente gráfico se muestra el RAE de cada una de estas provincias y el número de aserraderos fijos:
76 INFOR. 2006. Disponibilidad de Residuos Madereros.
32
Figura 5-7 RAE en VIII Región
RAE [m3 ssc] N°aserraderos 1.400.000 45 1.200.000 40 35 1.000.000 30 800.000 25 20 600.000 RAE 400.000 15 10 200.000 5 N° aserraderos ‐ 0
Fuente: Elaboración propia basado en datos de INFOR 2006
En la Figura 5-7 se puede ver que la mayor concentración de RAE en la VIII Región se encuentra en la provincia Biobío, donde hay 40 aserraderos permanentes. En la comuna de Cabrero, que pertenece a la provincia de Biobío, se superan los 520.000 m3 ssc de RAE. Al ubicar la planta en Cabrero se permite una recolección de materia prima en un radio de 50 km en las comunas de Chillán (RAE 52.000 m3 ssc), los Ángeles (RAE 473.000 m3 ssc.), Yungay (RAE 107.000 m3 ssc) y Cabrero, entre otras. Los residuos tienen distintos destinos, principalmente en la misma industria forestal, como se aprecia en la Figura 5-8:
Figura 5-8 Destino de RAE
Fuente: Elaboración propia basado en datos de INFOR
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Los residuos disponibles son los que no son autoconsumidos en los aserraderos. Un porcentaje menor de RAE es acumulado y regalado. Los principales consumidores del RAE comercializado son la industria de celulosa y de tableros, que utilizan el 32% y 29% del RAE de Chile respectivamente. El 39% restante tiene otros destinos variados como comunidades aledañas, empresas agrícolas, particulares, intermediarios, otras industrias y otros. En la Región del Biobío el RAE es de 2 millones de m3 ssc, y 1 millón es autoconsumido en los mismos aserraderos para generar energía para la planta. El 59% de los residuos es comercializado a distintos compradores77. En la planta de celulosa los residuos son aprovechados, a su vez, para producir celulosa y generar energía (autoconsumido) y en los aserraderos la producción de paneles (tableros) es a partir de lampazos y despuntes.
5.1.3 Precios de la materia prima
El Instituto Forestal realizó el año 2004 un estudio de los residuos forestales disponibles para uso energético entre la IV y XII Región. Con dicho estudio es posible conocer la cantidad de cada residuo en distintas regiones. Además se realizó un estudio más detallado en la IX y X región donde se incluyó información sobre los precios promedio de los residuos, única fuente de la que se dispone para valorizarlos por lo que se suponen los mismos precios para la región del Biobío:
Tabla 5.2 Precios de residuos78
Residuo $/m3 2006 lampazos 7.556 despunte 6.949 viruta 1.305 corteza 1.044 promedio $1.044/m3 aserrín 783
Fuente: Elaboración propia con datos de INFOR 2005 ajustados a 2007, ver Anexo 5.
Los precios del informe de INFOR corresponden al 2004 por lo que fueron ajustados con el IPC a precios 2007. Los valores de la Tabla 5.2 son en los aserraderos, sin considerar los costos de transporte. Los precios de los lampazos y de los despuntes son significativamente mayores debido a que se utilizan para producir celulosa, por esta razón no se utilizaran estos dos residuos como
77 La información del destino de los residuos comercializados no se encuentra desagregada por región. 78 1 metro estéreo corresponde al volumen de madera apilado en un bloque de 1*1*1 metro. 1 metro cúbico [m3] = 2,5*metro estéreo [MS]
34 materia prima. El promedio de los precios de viruta, aserrín y corteza se aproxima a $1.000 por m3, sin incluir flete. Éste precio se encuentra sobreestimado porque el aserrín es el residuo más económico y el que más hay. De esta forma se puede calcular que para una planta que consuma 1 millón de m3 de residuos forestales (con los que se producirían 100 mil m3 de etanol), el costo de la materia prima sería alrededor de mil millones, sin considerar flete.
Tabla 5.3 Residuos en provincias p aserrín, corteza y viruta Provincia [m3] Arauco 464.000 Bio Bio 646.000 Concepción 206.000 Ñuble 357.000 Total 1.673.000 Fuente: INFOR 2005
En la Tabla 5.3 se muestra el volumen de los residuos de menor costo (aserrín, corteza y viruta) que tienen como destino ser comercializado, regalado o acumulado, es decir no autoconsumido por los aserraderos de la VIII Región. Estos residuos son los apropiados para materia prima de la planta de etanol. En la VIII Región hay 2,8 millones de m3 de viruta, corteza y aserrín, de los cuales 1,7 millones de m3 no son autoconsumidos por los aserraderos. La provincia de Biobío concentra el 40% de la materia prima de la región y Arauco el 30%. En un futuro se espera que aumente la demanda por la corteza, viruta y aserrín, lo que probablemente implicará un aumento en sus precios.
5.1.4 Costo de transporte de la materia prima
El costo del transporte de la materia prima es alto, y varía con la distancia a la que se encuentran los residuos de la planta, es por esto que la ubicación de la planta debe ser cercana a los principales aserraderos. El valor del flete es alrededor de $3.000/m3 para un trayecto de 150 km79, con lo que se estima el costo de flete por kilómetro en $20/ m3. Se evalúan 2 ubicaciones para la planta, ambas en la VIII Región:
1. En la comuna de Cabrero, provincia Biobío 2. En la planta de Nueva Aldea80 ubicada en la comuna de Chillán, provincia de Ñuble.
79 INFOR 2005 80 El complejo forestal industrial Nueva Aldea pertenece a la empresa Celulosa Arauco y Constitución S.A. Arauco). Tiene plantas de celulosa, aserradero, terciado y trozado, además se 35
Figura 5-9 Mapa aserraderos permanentes y RAE disponible en m3
Fuente: Elaboración propia con datos de INFOR 2005
La primera opción se escoge para minimizar los costos de transporte de la materia prima ya que en la comuna de Cabrero se encuentra la mayor concentración de residuos disponibles. Cabrero pertenece a la provincia de Biobío, que tiene 750.000 m3 ssc (sólidos sin corteza) de residuos disponibles. La segunda opción es ubicarse en la Planta de Nueva Aldea, complejo de la empresa Arauco que integra plantas de aserradero, celulosa y generador de energía. Algunos de los equipos, instalaciones y personal de Nueva Aldea podrían servir para la planta de etanol, esto disminuirían los costos de instalación.
abastece de energía eléctrica con plantas generadoras. De esta forma logra un uso integral del recurso forestal, maximizando su potencial.
36
Para estimar los costos de transporte de la materia prima se necesita conocer de cada aserradero permanente el RAE disponible y la distancia a la planta. Para esto se utilizó el navegador online interactivo elaborado por INFOR y CNE (Ver Anexo 8). 81 Se construyó un mapa de la VIII Región con todos los aserraderos permanentes y una tabla con las distancias para las 2 posibles ubicaciones de la planta. En la Figura 5-9 se muestra el mapa de la VIII Región con los aserraderos permanentes y los residuos disponibles (m3) en cada uno. El mapa construido tiene un error de 12% menos de RAE que lo que posee en total la región. El error se debe a la superposición de los aserraderos en el mapa del software de INFOR, por lo que no fue posible tener una mejor aproximación. Los tipos de RAE que se comprarán son el aserrín, viruta y corteza, lo que corresponde al 90% del RAE disponible total. La información del tipo de RAE por aserradero no se encuentra disponible, por lo que en el mapa se presentan todos los tipos de RAE. Para corregir el error de superposición de los aserraderos se deberían aumentar cada uno en 12%, pero por otro lado, para considerar solo los residuos aserrín, viruta y corteza, se tendría que disminuir en 10%, por lo tanto se obtendrían prácticamente los mismos valores. Para los próximos cálculos en la región se considera el RAE de 1.646.254 m3 del mapa.
El costo de la materia prima de la planta se determina de la siguiente forma:
Donde: xi: cantidad de RAE disponible en el aserradero i ri: distancia de aserradero i a la planta f(xi): costo de materia prima d(xi, ri): costo de transporte de la materia prima N: Total de aserraderos permanentes de la VIII Región
El costo total de la materia prima corresponde a la sumatoria para cada aserradero de la cantidad de RAE disponible multiplicado por su costo más el costo de transporte que depende de la cantidad de RAE y la distancia desde el aserradero a la planta.
81 Construido con datos obtenidos del navegador interactivo online “Sistema de información de residuos madereros”. INFOR 2005. Se accede en el sitio web de INFOR www.infor.cl (con un nombre de usuario y clave). En los casos en que los aserraderos se encontraban muy próximos se sumaron las cantidades de RAE disponible y se los consideró en la misma ubicación para estimar el costo en función de la distancia.
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El precio aproximado de la materia prima es $1.000/m3 y el de transporte por kilómetro $20 m3. Para las dos posibles ubicaciones se calculó el costo de la materia prima incluyendo el costo del flete. El costo depende de la capacidad de la planta.
Figura 5-10 Gráfico Costo materia prima v/s Capacidad
1.800 Costo materia y = ax2 + bx - c prima [$MM] 1.600 R² = 0.999 1.400 1.200 1.000 800 Nueva Aldea 600 Cabrero 400 200 - - 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 Capacidad de la planta [m3 etanol]
Fuente: Elaboración propia. Ver Anexo 9, Anexo 10 y Anexo 11.
En la Figura 5-10 se puede ver como el costo de la materia prima en función de la capacidad de la planta tiene una tendencia polinomial de orden 2. Esto se debe a que no solo aumenta el costo por requerir más materia prima, sino que el radio de recolección es mayor lo que implica un aumento en el costo de transporte. La economía de escala de utilizar los residuos forestales comienza en un punto a tener valor negativo. Esto se debe a que a mayor requerimiento de volúmenes, mayor es el área que se debe abarcar, lo que aumenta el costo de transporte y por ende el de los residuos. Si la planta requiere 1 millón de m3 de RAE y se encuentra ubicada en Nueva Aldea el radio de recolección será de 70 km y el costo total de la materia prima es de $1.900 millones de pesos82 (que equivalen a US$3,8 millones). Por otro lado, si la planta se ubica en la comuna de Cabrero, el radio de recolección también es de 70 km, pero el costo total de la materia prima es de $1.553 millones (US$3,1 millones). Por lo tanto, si se escoge la segunda ubicación, el costo será $350 millones menor en materias primas (para esta capacidad).
82 Equivalen a US$3,8 millones con el cambio monetario: 1dólar =500 pesos.
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5.1.5 Otras fuentes de biomasa forestal
Existen otras fuentes de residuos forestales que no fueron considerados porque no se cuenta con los correspondientes datos estadísticos, pero que constituyen un volumen considerable. El aprovechamiento de los residuos forestales generaría demanda por biomasa de menor calidad y árboles indeseados que no están siendo recolectados actualmente y son dejados en las plantaciones. Los residuos forestales permiten preparar el terreno para la siguiente reforestación, sin embargo se están realizando investigaciones que probarían que no es necesario dejar todos estos residuos en el lugar, incluso solo las acículas (hojas puntiagudas) del pino bastarían para nutrir la tierra. A continuación se describen estas fuentes potenciales de biomasa. En las plantaciones de árboles se realizan periódicamente raleos y podas para que los árboles crezcan mejor. Los raleos consisten en extraer los árboles defectuosos cuando aún no han crecido para tener una plantación ordenada, también se remueven los árboles de especies indeseadas. En las podas se eliminan las ramas inferiores que bajan la calidad de la madera que es aserrada. Cuando se cosechan los árboles en las plantaciones se les cortan las ramas y se despuntan (se corta la parte superior que no cumple con el radio requerido). Estos residuos quedan en el mismo lugar.
Figura 5-11 Secciones del árbol
Fuente: Elaboración propia83
Los destinos de las partes del árbol dependen del grosor del tronco y de si han sido podados. Al ser cosechados los pinos todos son similares en altura y diámetro, esto se debe a que están plantados de tal manera que cuando un bosque cumple ciertas características de altura, es cosechado entero.
83 La información de la utilización de las partes del árbol y los residuos forestales se obtuvieron en las reuniones con profesionales de la empresa Arauco y Bioforest (Centro de Investigaciones de Arauco).
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Como se puede apreciar en la Figura 5-11, parte de la base del árbol ha sido podada para obtener una mejor madera para paneles (1°). Una segunda parte, desde la base a la punta va a aserradero y paneles (2°), esta parte tiene ramas, las que se le quitan al tronco y son dejadas en el terreno donde se cosechó el pino. La parte del tronco de menor diámetro se utiliza para producir celulosa (3°), sin embargo la punta del pino no es utilizada porque al tener un menor diámetro no es adecuado para las máquinas de la planta de celulosa. Ésta parte corresponde al despunte (4°), aproximadamente el 5% del volumen del árbol, y es dejado en el bosque. La ley del bosque nativo, que fomenta su manejo sustentable, permitirá disponer de un mayor volumen de residuos de las podas y raleos de estas hectáreas que anteriormente no podían ser aprovechadas. El manejo sustentable del bosque nativo permitirá que los árboles de mejor calidad crezcan mejor. Utilizar los residuos de podas y raleos tiene un alto costo asociado, el de transporte, ya que la biomasa se encuentra distribuida en distintas zonas. La cosecha de árboles de menor tamaño y la recolección de los residuos de podas es más cara que la cosecha de árboles grandes por la mayor distribución de los volúmenes, lo que implica un mayor costo de transporte.
5.2 LOCALIZACIÓN
La ubicación de la planta se escoge en base a la disponibilidad de la materia prima para un cierto radio desde la planta. El motivo para utilizar este criterio es que el costo de recolección de la materia prima es alto. Una alternativa es utilizar infraestructura existente para instalar la planta, lo que disminuye considerablemente los costos. Las últimas investigaciones aseguran que la producción de etanol debe ser integrada con otros procesos que generen valor84. Instalando la planta de etanol cerca de una planta de celulosa será posible disminuir los costos de transporte de los residuos, se podrán utilizar equipos comunes e integrar procesos. Se escoge la planta de celulosa frente al aserradero ya que gran parte de los desechos de éstos son transportados a las plantas de celulosa como materia prima, ahí se seleccionan cuales serán para producir celulosa y los demás se utilizan para producir energía (generadores eléctricos). De esta forma en la producción de etanol la lignina es recuperada y se utiliza en las calderas de la planta de celulosa para la cogeneración de energía (generación simultánea de energía eléctrica y térmica en el lugar de consumo de ésta)85. Algunas ventajas de la cogeneración de energía son cobertura de largo plazo a precio de energía y beneficios por venta del excedente. Como se revisó en el capítulo anterior la ubicación de la planta debe ser en la VIII Región por la mayor disponibilidad de RAE. La ubicación que minimiza los gastos de transporte de la materia prima, por ser el centro de gravedad de ésta, es la comuna de Cabrero, en la provincia de Biobío. Pero también se evalúo el costo de la materia prima si se construye la planta en el complejo forestal industrial Nueva Aldea, en la comuna de Chillán, ya que de esta forma se logra una mejor integración del recurso forestal. Ésta última característica, siguiendo las recomendaciones de los investigadores de la planta piloto de Suecia, es la determinante para escoger la ubicación. En un complejo como Nueva Aldea se pueden aprovechar mejor los residuos forestales y utilizar la lignina (que no se puede convertir en etanol) para producir
84 WÄNNSTRÖM, S. 2008. 85 Reuniones con Bioforest, centro de investigación de Forestal Arauco en Concepción, Chile.
40 energía eléctrica en las plantas térmicas. Además se producirían importantes sinergias y disminución en costos de infraestructura, equipos, recursos humanos y transporte. Se realizaron dos visitas al CFI86 Nueva Aldea87 para ver en terreno el manejo del recurso forestal, el uso de los residuos forestales para la generación de energía y la posibilidad de construir la planta de etanol en esos terrenos. En las reuniones se obtuvo información de los procesos y de la construcción del complejo que se utilizaron como referencia para compararlos con los de la planta de etanol.88 La construcción de una planta de etanol sin integrarse a otros procesos no es una alternativa rentable y una de las mejores opciones es ubicarse junto a una planta térmica que transforme en energía la lignina. La eficiencia en poder calorífico (HHV)89 de conversión de biomasa a etanol es 35%, pero con la cogeneración de energía (utilizando la lignina) la eficiencia aumenta a 60%90. En el CFI la función de la planta térmica es proveer de vapor a las plantas de aserradero y paneles, y en casos excepcionales, a las plantas de celulosa (estas cuentan con sus propios 2 generadores). El excedente de vapor es transformado a energía eléctrica, ésta se utiliza para proveer de electricidad a la planta, venderla a las otras plantas de Nueva Aldea (a precio fijo anual) y lo que queda se comercializa a precio de mercado. La planta térmica no funciona con toda su capacidad, solo con el 76%. Se puede estudiar la factibilidad de equipos e instalaciones de uso común como los de chipeo, que disminuyen el tamaño de los residuos forestales a pellets (chips), los de mezcla y los rieles. La planta térmica opera las 24 horas los 7 días de la semana, al igual que la planta de etanol. En un estudio más profundo que el exploratorio, se deberá cuantificar la conveniencia de ubicar la planta en el CFI Nueva Aldea, la factibilidad de utilizar algunos de sus recursos y comparar con la diferencia de costo de la materia prima que se calculó en el capítulo anterior. La construcción de una planta de etanol es un área desconocida en Chile, más aún de segunda generación, por lo que los conocimientos de los profesionales del CFI en el manejo integral del recurso forestal sería un importante valor agregado.
5.3 NIVEL DE PRODUCCIÓN
La proyección de demanda de etanol para el 2010 en Chile es 165 mil m3/año (se calculó en el punto 3.6 Situación en Chile). En la Tabla 5.4 se muestra cuanta materia prima se necesita para producir los requerimientos de etanol de Chile y Copec.
86 CFI: Complejo Forestal Industrial 87 Las reuniones fueron con el Jefes de Operaciones de Madera y de la Planta de Energía 88 Información confidencial 89 HHV son las siglas para las palabras en inglés Higher Heating Value (poder calórico superior). 90 HAMELINCK, C. 2004.
41
Tabla 5.4 Capacidad de la planta Chile Copec Planta Etanol (para E5) 165.000 79.200 100.000 % de demanda nacional 100% 48% 61% Madera [ton seca] 906.593 435.165 384.615 Madera [m3] 2.266.484 1.087.912 961.538 Fuente: Elaboración propia
Para satisfacer la demanda de etanol de Chile se requieren cerca de 1 millón de toneladas secas de residuos de pino91, lo que equivale a 2,3 millones de m3 de madera. Este volumen de materia prima es excesivo para una sola planta ya que todo el aserrín, viruta y despunte disponible (comercializado) en la VIII Región es solo 1,6 millones de m3. Los costos de operación de la planta serían altísimos si se transportara todo ese RAE de los aserraderos. Copec tiene una participación en el mercado de las gasolinas de 48%, suponiendo que la participación se mantiene para el 2010, requerirá 80 mil m3 de etanol al año. La mínima capacidad que podría tener la planta es de 75.000 m3/año (distintos estudios apuntan a que el etanol celulósico comienza a ser rentable a este nivel de producción)92. Para determinar la capacidad de la planta se consideran las economías de escala y el costo y disponibilidad de la materia prima. La inversión inicial de la planta es muy alta porque requiere equipos costosos, por esta razón a mayor capacidad de la planta más bajo será el costo del etanol producido. Por otro lado al aumentar la capacidad aumenta el costo del transporte de la materia prima. La disponibilidad de la materia prima es un punto crítico por lo que se determina la capacidad de la planta en 100 mil m3 de etanol al año, que necesitaría 385 mil toneladas de madera seca (equivalente a 1 millón de m3 de madera). Se supone que se puede comprar el 60% del aserrín, viruta y despunte comercializado en la VIII Región (70 km radio de recolección). Con esta capacidad se cubriría el 60% de la demanda de etanol del país en el 2010.
5.4 PROCESOS
Los procesos para producir etanol celulósico difieren según los métodos usados para la hidrólisis y fermentación. La hidrólisis corresponde a la liberación de azúcares y en la fermentación se convierten esos azúcares en etanol. En Figura 5-12 se presentan los procesos para la obtención de etanol. Una parte muy importante es la generación de energía eléctrica que se utiliza en el proceso y además se obtiene un excedente, esto permite disminuir en forma considerable los costos de producción.
91 Utilizando la razón de eficiencia del estudio de Kim, J. y Kenwin M. (2006) para etanol a partir de madera de pino. Se obtienen 0,26 m3 de etanol a partir de 1 tonelada de residuos forestales. 92 Plantas Upton KL, EEUU y ETEK, Suiza
42
Figura 5-12 Producción de etanol
Generación eléctrica
Hidrólisis Pretratamiento Separación enzimática
Fermentación Etanol Destilación de etanol
Fuente: Elaboración propia
Los procesos de producción de etanol celulósico son los siguientes:93 Pretratamiento de la biomasa: la celulosa y hemicelulosa son liberadas de la lignina y la hemicelulosa es convertida a azúcar C5. Hidrólisis con enzima celulasa: La celulosa se convierte a glucosa (azúcar C6) Fermentación de azúcares: Las azúcares C5 y C6 son convertidas a etanol
Recuperación del etanol: Tras la fermentación se forma un mosto que se concentra por destilación para obtener alcohol hidratado (con 4% de agua), para obtener el alcohol absoluto (99%) se realiza un proceso específico de deshidratación Tratamiento de aguas y generación de energía eléctrica: La lignina se utiliza para producir energía eléctrica y vapor.
La hidrólisis puede ser realizada con ácidos minerales o enzimas celulasas (que convierten la celulosa a azúcares). El proceso realizado con enzimas es más económico y tiene mejores proyecciones de disminución de los costos debido a los avances en tecnología e investigación. Es por esto que la mayoría de los estudios van en esta dirección. Los procesos con ácido tienen una ventaja significante, son igual de efectivos con maderas blandas que con las duras. Los procesos enzimáticos sirven más para maderas duras y herbáceos.
93 PICCOLO, C. 2007.
43
Otro proceso completamente distinto utiliza la gasificación de la biomasa, ésta alternativa es desarrollada por privados, por lo que no es de conocimiento público. Aún se considera la utilización de enzimas como la opción más económica de producción.
5.5 TECNOLOGÍAS DE HIDRÓLISIS Y FERMENTACIÓN
Las etapas de hidrólisis y fermentación se pueden configurar de distintas formas. Aún no se conoce la línea de procesos óptima y las plantas piloto se encuentran probándolas. Las configuraciones son:
Hidrólisis y Fermentación en Secuencia (SHF): Las azúcares C5 y C6 son fermentadas en distintos reactores. Sacarificación y Fermentación Simultáneas (SSF): La hidrólisis y fermentación de la azúcar C6 son en el mismo reactor. Sacarificación y Co-Fermentación Simultáneas (SSCF): La hidrólisis y la fermentación de las azúcares C5 y C6 son en el mismo reactor. Bioproceso Consolidado (CBP): El etanol y todas las enzimas requeridas son producidas en un solo reactor.
En la Figura 5-13 se pueden ver los procesos que se integran en las distintas tecnologías:
Figura 5-13 Tecnologías de producción
Fuente: LYND, L. 1996.
A mayor integración de los procesos mejor es la tecnología (mayor eficiencia), pero demorará más tiempo en estar lista. La tecnología que tendrá la planta será la SSCF, que se espera esté disponible en el 201594. Se escoge esta tecnología porque se cuenta con información del diseño95 y costos de una planta
94 Wännström, S. 2008.
44 de este tipo, ya que los diseños del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) apuntan en esta dirección. En la Figura 5-14 se presenta un esquema del diseño SSF.
Figura 5-14 Esquema SSF
Producción de enzimas Etanol agua Celulasa
CO2 Columna Hidrólisis de de Hemi hidrólisis celulosa y co- cerveza fermentación Cerveza
Destilado
Fuente: HAMELINCK. 2003.
Para la tecnología SSCF se utilizan los microorganismos Z. mobilis y T.reesei (fungus que produce celulasa).96
5.6 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO
El proceso consiste en una prehidrólisis de la madera con enzimas que simultáneamente hidrolizan la celulosa y fermentan la glucosa y xilosa resultante a etanol. El diseño de las áreas y procesos es el postulado por el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE).97 En la Figura 5-15 se presenta el esquema del diseño de procesos de la planta. Se puede dividir el proceso en 9 áreas:
1. Manipulación de la biomasa (A10098): Los pellets de madera se dejan en el área de manejo de la materia prima donde son almacenados y su tamaño es reducido.
95 Diseño de una planta de etanol de material lignocelulósico con capacidad de 200 m3 de etanol al año, el doble de la planta que se instalaría en Chile. 96 Fuente: HAMELINCK, G. 2003. 97 La descripción del proceso se basa en los estudios de EE.UU.: -WOOLEY, R. 1999. NREL -KIM, J. y HAYES, K. 2006. Georgia Institute of Technology 98 Se identifican las áreas del proceso con esta sigla en la Figura 5-15 45
2. Pretratamiento (A200): La biomasa se trata con ácido sulfúrico diluido a altas temperaturas liberando los componentes de la madera. 3. Sacarificación y co-fermentación simultáneas (A300): Después de días de hidrólisis y fermentación simultáneas la celulosa y xilosa se convierten a etanol. El mosto resultante se envía al área de recuperación del producto (A500). 4. Producción de enzimas (A400): Las enzimas crecen en fermentadores aeróbicos batch. 5. Recuperación del producto (A500): Destilar el etanol de agua y residuos sólidos. Se obtiene etanol puro con tamices moleculares. 6. Tratamiento de aguas residuales (A600): Se tratan las aguas con digestión aeróbica y anaeróbica. 7. Almacenamiento de los insumos químicos (A700) 8. Quemador, caldera y turbogenerador (A800): Se queman los residuos sólidos, licores y biogás para producir vapor y convertirlo en electricidad. 9. Recursos (A900): Provee agua de refrigeración, enfriamiento de agua, aire, agua procesada y solución limpia.
5.6.1 Manipulación de la biomasa (A100)
Tal como se muestra en la Figura 5-2, las microfibras ricas en celulosa de la madera se encuentran acordonadas por lignina, lo que dificulta que las enzimas lleguen a la celulosa. Por tal razón se recurre a un proceso que permita a las enzimas, en la etapa posterior, llegar con mucha mayor facilidad a la celulosa. Este proceso (manipulación de la biomasa) puede ser químico o físico, prefiriendo el último de ellos por razones ambientales. La manipulación física consiste en reducir el tamaño de los trozos de madera hasta que alcancen una dimensión apropiada, igual o menor al tamaño de los pellets (chips) de madera. La energía requerida por esta operación –y por lo tanto sus costos- son altos y aumentan geométricamente al disminuir el tamaño de las partículas. Ésta etapa es muy importante, ya que mejora significativamente el rendimiento de la etapa posterior (hidrólisis enzimática) –y por ende, de todo el proceso- desde 20% a 80% de la celulosa existente. Pero al mismo tiempo, hay que hacer notar que es una de las etapas más costosas de la producción de etanol celulósico.99
99 KIM, J. & HAYES, K. 2006.
46
Figura 5-15: Diseño de procesos de planta SSCF
Fuente: WOLLEY, R. 1999 47
5.6.2 Pretratamiento (A200)
En esta etapa se convierte la hemicelulosa en azúcares solubles. Se administra ácido sulfúrico diluido a altas temperaturas a la biomasa y ácido acético. Las condiciones del reactor son una concentración de ácidos de 0,5% a 190°C durante 10 minutos. Se logra que la lignina se hidrolice, exponiendo a la celulosa a la hidrólisis enzimática, por lo que es parcialmente convertida a glucosa. El ácido acético y el ácido sulfúrico son removidos por medio de un intercambio iónico continuo. Luego se vuelve a administrar ácido sulfúrico que es neutralizado posteriormente con cal. Se remueven los compuestos tóxicos para la fermentación. El líquido hidrolizado y los sólidos (celulosa) son separados en 2 estanques.
5.6.3 Sacarificación y Co-Fermentación Simultaneas (A300-SSCF)
En esta etapa ocurre la hidrólisis de la celulosa (resultante del pretratamiento) a glucosa usando enzimas celulasas (que se producen el área A400) y simultáneamente la bacteria Z. mobilis fermenta la glucosa y otras azúcares obtenidas. De la fermentación de estas azúcares se obtiene etanol como un mosto que debe ser destilado posteriormente. La temperatura de este proceso es de 30°C y el tiempo de residencia es de 7 días.
5.6.4 Producción de enzimas (A400)
En esta área se produce la celulasa, una colección de enzimas que hidroliza la celulosa para obtener la glucosa y que se utiliza en el área de SSCF (A300). El organismo más utilizado industrialmente para producir celulasa es T. reesei, que crece en bioreactores aeróbicos. A los bioreactores se adiciona la biomasa que fue diluida en el pretratamiento y nutrientes para las enzimas. Independiente del organismo que se utilice, la tolerancia de éstos al etanol disminuye con el aumento de la temperatura. En el diseño SSCF las operaciones se realizan a 30°C para maximizar la actividad de la celulasa.
5.6.5 Recuperación del producto (A500)
La purificación del etanol se logra destilando el mosto obtenido en la fermentación, con lo que se obtiene alcohol hidratado (con 4% de agua), y para obtener alcohol anhidro (99,4% etanol) se utilizan tamices moleculares. El proceso de destilación se realiza en 2 columnas donde en la primera se remueve el dióxido de carbono y la mayor parte del agua, y en la segunda se concentra el etanol a una composición azeotrópica100 para un refinamiento posterior. Toda el agua es removida de la mezcla azeoptrópica con tamices moleculares. El fondo de la primera etapa de destilación contiene los sólidos que no se convirtieron. Los sólidos insolubles son separados por centrifugación y enviados a la caldera.
100 Una mezcla azeotrópica es una mezcla líquida de 2 componentes con un único punto de ebullición y que al pasar al estado vapor se comporta como si fuese un solo componente. Por esta razón no se logra la separación por destilación fraccionada.
48
5.6.6 Tratamiento de aguas residuales (A600)
El agua de los procesos es recolectada y es tratada por digestión anaeróbica donde el 90% del material orgánico es convertido a metano y dióxido de carbono como biogás (que se envía a la caldera). Luego el agua resultante se deposita en una laguna de digestión anaeróbica donde el 90% del material orgánico que quedaba es removido. El lodo aeróbico producido en esta etapa es extraído por clarificación y filtración, para ser finalmente enviado a la caldera de residuos. El agua obtenida en el clarificador es reciclada. La lignina sin fermentar puede ser quemada como combustible. Corresponde a más del 25% de la masa de las maderas duras y puede llegar a ser más de un tercio del poder calorífico de la madera.
5.6.7 Almacenamiento del producto e insumos químicos (A700)
Los insumos químicos que se almacenan en esta área son:
• Amoniaco: Controla es pH y provee de nitrógeno adicional para los microorganismos • Licor de maíz: se agrega como nutriente en los bioreactores • Ácido sulfúrico: Para tratar biomasa y liberar hemicelulosa • Antiespumante: Para prevenir exceso de espuma en los reactores • Diesel: Para los bulldozer101 que se utilizan para el manejo de la materia prima • Gasolina: se utiliza como desnaturalizante del etanol • También se almacena el agua para la supresión de incendios
5.6.8 Quemador, Caldera y Turbogenerador (A800)
En esta área se queman varios de los subproductos para generar vapor que es usado para proveer al proceso de calor y electricidad. Toda la lignina y parte de la celulosa y hemicelulosa que no fue convertida son quemadas. Los residuos del agua son concentrados en un jarabe con alto contenido de sólidos solubles que es quemado también. El costo de la eliminación de los desechos se ve reducido al quemar estos producidos y también es más económico generar más vapor y electricidad que comprarla en el mercado.102 Las 3 principales alimentaciones para la combustión en lecho fluidizado circulante (CFBC103) son la centrifugación de sólidos, el biogás y el jarabe del evaporador. Los sólidos son previamente secados para mantener una temperatura estable en el CFBC, lo que implica una mayor eficiencia. El total de energía eléctrica generada por la planta es de 23MW, de estos solo 17MW (75%) son consumidos por la planta, quedando un excedente de 6MW (25%) que es comercializado como
101 Máquina montada sobre orugas equipada con una pieza en la parte delantera para el empuje de materiales. 102 WOOLEY, R. 1999. 103 CFBC son las siglas de las palabras en inglés Circulating Fluidized Bed Combustor.
49 co-producto de la planta. La venta de este excedente es un importante ingreso para la planta por los altos precio de la energía eléctrica (ver Anexo 12).
5.6.9 Recursos (A900)
Esta área provee todos los recursos que necesita la planta menos el vapor y la energía eléctrica, que son entregados por el área descrita anteriormente. Incluye el agua de refrigeración, el agua fría, el aire comprimido y el sistema de limpieza (CIP104) que provee una solución de limpieza y esterilización para los sistemas de los procesos.
104 CIP son las siglas de las palabras en inglés Clean In Place.
50
6. ESTUDIO ECONÓMICO
6.1 PROCEDIMIENTO
Conocer el costo de producir etanol servirá para determinar el potencial del negocio en el mercado o proponer las áreas en las que una mayor investigación tendrá un impacto considerable. La inversión en el proyecto se determina con el costo de los equipos y los costos (fijos y variables) de operación. Se realiza el flujo de caja para obtener el costo del etanol, calculado como el precio mínimo de venta para que el valor presente neto del proyecto sea nulo. El estudio económico aquí efectuado se basa en las estimaciones de los estudios del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), para una planta productora de etanol con residuos forestales utilizando tecnología SSCF.105 No se incluye en el estudio los posibles costos asociados a restricciones de patentes. El estudio económico completo se encuentra en dólares de 2007, para esto se hicieron las correcciones respectivas. Se considera que 1 dólar equivale a 500 pesos chilenos, debido a que cuando comenzó la investigación ese era su valor aproximado. A pesar de considerarse una moneda estable en los últimos meses el dólar ha sufrido fluctuaciones y se ha devaluado (ver Anexo 14). Aún así la empresa Copec continúa utilizándolo como referencia porque todos los productos competitivos y materias primas son transables esta moneda.
6.2 INVERSIÓN DE PLANTAS SIMILARES
Para tener una primera aproximación al costo de inversión se comparan los costos de inversión de estudios para plantas de etanol celulósico. Tabla 6.1 Comparación de plantas de etanol celulósico Materia Prima celulósico a) coronta de maíz b) madera de pino d) Año 1996 2002 2006 Estudio NREL, EE.UU. NREL, EE.UU. G.I.T., EE.UU. Materia Prima [ton secas/año] 658.000 700.000 730.000 Producción [m3/año] 228.000 263.000 198.000 Costo Materia Prima [US $/m3 etanol] 171 107 157 Precio Mínimo de Venta [US$/m3] 447 352 505 Costo Capital de Instalación [US$MM] 212 240 307 Fuente: Elaboración propia, ajustado a dólares 2007106.
105 Principalmente los estudios de NREL (National Renewable Energy Laboratory) para la producción de etanol de biomasa lignocelulósica - WOOLEY, R. 1999. NREL- y un estudio más reciente (2006) de una planta de producción de etanol a partir de residuos de pino - KIM, J. y HAYES, K. 2006. Georgia Institute of Technology- que se basa en el estudio de NREL. 106 En Anexo 13 IPC de EE.UU. Años 1994 a 2007.
51
Los estudios de plantas comparadas en la Tabla 6.1 son: a. LYND, L. 1996. “Overview and evaluation of fuel ethanol from cellulosic biomass”, EEUU. b. National Renewable Energy Laboratory (NREL) and Harris Group. 2002 “Lignocellulosic biomass to ethanol process design and economics utilizing cocurrent dilute acid prehydrolysis and enzimatic hydrolysis for corn stover”, EE.UU. c. KIM, J. & HAYES, K.M. 2006. “Southern pine as feedstock for renewable fuel industry: A feasibility study of lignocelluloses ethanol production in Georgia”, EEUU.
El estudio que se utiliza en este trabajo es el de KIM, J. & HAYES, K.M. 2006, debido a que la materia prima que consideran para producir etanol es madera de pino. Las capacidades de las plantas de etanol celulósico estudiadas por el DOE son entre 200-260 mil m3 de etanol al año y se estima el costo de producción de etanol entre 300-400 US$ por m3 de etanol cuando la tecnología se encuentre disponible. Actualmente el precio de venta del etanol en EE.UU. es entre US$500 (etanol producido en Brasil a partir de caña de azúcar) y US$600 (etanol producido en EE.UU. de maíz)107. La capacidad de la planta en estudio de EE.UU. es muy alta, produciría todo el etanol demandado en Chile para el 2010. El tamaño de ésta se determinó para aprovechar las economías de escala, aspecto importante por la alta inversión inicial que se necesita. A continuación se estima la inversión para una planta de 100.000 m3/año, nivel de producción determinado para la planta en Chile,
6.3 EQUIPOS
A pesar de que la tecnología aún no se encuentra disponible, en los estudios del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) se estiman los costos de cada equipo escalandolo según su capacidad y multiplicado por su factor de instalación. El factor de instalación se aplica al precio de venta del equipo, se utiliza para estimar los costos de lo que se requiere para la instalación de un equipo y dejarlo operando. El promedio de los factores de instalación de los equipos de la planta es 1,42.108 Los estudios de EE.UU. consideran una producción que duplica a la planta que se instalaría en Chile, es por esto que para obtener el costo de los equipos se realiza una estimación que se
107 Consulta online en el sitio web de las estadísticas del etanol. Marzo, 2008. www.ethanolstatistics.com. 108 WOOLEY,R. 1999.
52 basa en el método de Chilton para costos de equipos de diferente capacidad. El método de Chilton es el siguiente109:
Donde:
Ca = Costo del Equipo A
Cb = Costo del Equipo B
Xa = Capacidad del Equipo A
Xb = Capacidad del Equipo B n = Exponente
Para determinar el precio de los equipos con este método se necesitan saber todos los equipos de la planta y cuál será la capacidad de cada uno de ellos. Ese nivel de investigación va más allá de un estudio exploratorio y requiere los correspondientes balances de masa y energía de los procesos de la planta. Para tener una aproximación del costo total de los equipos se realiza una estimación a nivel de área de procesos modificando el método de Chilton de la siguiente manera:
Donde:
CAia = Costo de equipos de Área i de planta A
CAib = Costo de equipos de Área i de planta B
Ma = Capacidad de planta A
Mb = Capacidad de planta B
El exponente que se utiliza en la fórmula es 0,6 ya que es el que se utilizó en los estudios de EE.UU. y el que generalmente se usa en Chile.110 La planta A corresponderá a la que se quiere calcular y la planta B a la que sus costos son conocidos (estudios para plantas en EE.UU.). De esta forma la planta A es la que se instalará
109 Fórmula para costo de quipo de diferente capacidad utilizada en los estudios de NREL, EE.UU. 1999, Georgia Institute Technology, EE.UU. 2006, y “Manual de Proyectos de Ingeniería Química”, ZOMOSA, A., Chile, 1984. 110 ZOMOSA, A. 1984; se indica que en general el exponente es 0,6.
53 en Chile, que tiene una capacidad de materia prima de 386 mil toneladas de madera. La planta B es la de EE.UU.111 con una capacidad de 730 mil toneladas de madera.112
Tabla 6.2 Costo de Equipos Instalados Costo de Capital [US$ Área de Proceso millones] Costo de Capital [MM$] A100 Manejo de materia prima 3,2 1.616 A200 Pretratamiento e Hidrólisis 17,4 8.676
A300 SSCF 8,8 4.420 A400 Producción de Celulasa 10,2 5.113 A500 Destilación 8,6 4.288 A600 Tratamiento de Aguas Residuales 6,9 3.431 A700 Almacenaje 1,2 594 A800 Caldera, Quemador, Turbogenerador 29,4 14.680 A900 Requerimientos 3,4 1.715 Costo Total de Equipos (US$ 1997) 89,1 44.533 Ajuste US$ 2007 121,1 Fuente: Elaboración propia basado en estudios de DOE111 (Anexo 15)
En la Tabla 6.2 se muestra la estimación de los costos de equipo e instalación de cada área de procesos de la planta escalados por la capacidad. El costo total de los equipos es de US$120 millones de dólares de 2007. El ajuste de los precios en dólares de 1997 al 2007 se realiza con el Índice de Costos de Plantas de Ingeniería Química (CEPCI113). Éste índice se publica anualmente por la revista Chemical Engineering., EE.UU. y se aplica de la siguiente forma:
Donde: CTE: Costo Total de Equipos CEPCI: índice de Costos de Plantas de Ingeniería Química de EE.UU. El CEPCI de los últimos años se muestra en la Tabla 6.3.
111 KIM, J. y HAYES, K.M. 2006. 112 Notar que el cociente de la materia prima de las plantas es igual al cociente de producción de etanol ya que se supone la misma eficiencia de conversión de madera de pino a etanol del estudio de KIM, J. y HAYES, K.M. 2006. EE.UU. 113 CEPCI: siglas en ingles de las palabras Chemical Engineering Plant Cost Index
54
Tabla 6.3 CEPCI Año CEPCI 1997 386,5 1998 389,5 1999 390,6 2000 394,1 2001 394,3 2002 395,6 2003 401,7 2004 444,2 2005 468,2 2006 499,6 2007* 524,15 % Variación 1997‐2007 36%
Fuente: Chemical Engineering Magazine. 2006
* Los datos de los índices CEPCI entregados son hasta el año 2006 por lo que se debe estimar el CEPCI para el año 2007. Para esto se grafican los valores de los distintos años. Los datos históricos del CEPCI no siguen un comportamiento definido, esto se aprecia en la Figura 6-1: Figura 6-1 CEPCI
Fuente: Elaboración propia
55
El CEPCI ha tenido una tasa de aumento en los últimos años mayor a los anteriores, es por esto que la proyección se realiza con una regresión lineal de los últimos datos del año 2002 a 2006. El CEPCI estimado para el año 2007 es 524, con lo que se puede calcular la variación del índice desde 1997 al 2007 igual a 36% y finalmente el costo de los equipos en dólares del 2007 queda en US$121 millones. El área A800, donde se queman los desechos y se obtiene vapor para convertirlo en energía eléctrica, es la de mayor costo. Los equipos más caros son la turbina/generador y el reactor de combustión en lecho fluidizado. Ésta área no es indispensable para producir etanol, pero entrega un importante valor agregado al negocio. Algunos equipos, como por ejemplo los tanques de almacenamiento, podrían ser comprados, fabricados e instalados a un menor costo por proveedores en Chile.114 Para conocer la inversión total del proyecto se utilizó la misma metodología que en el estudio de KIM y HAYES.2006, el cual se basa en los estudios del laboratorio NREL del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE). En Chile no es lo usual utilizar esta metodología pero debido a la característica exploratoria de la investigación, y a que la tecnología aún no está disponible, no es recomendable usar otros métodos. Se consideran los costos directos e indirectos de la construcción de la planta:
Tabla 6.4 Inversión
[US$ MM] Total costos de equipos instalados (TCE) 121,1 Bodega 1,5% TCE 1,8 9% Costo de instalación de equipos de procesos: Preparación del sitio TCE*0,42 0,7 Total de costos de instalación (TCI) 123,6 Costos indirectos Costos prorrateables 10% TCI 12,4 Gastos del campo 10% TCI 12,4 Construcción 25% TCI 30,9 Proyecto de contingencia 3% TCI 3,7 Total de inversión de capital (TIC) 182,9 Otros costos (incluido terreno e importación de equipos) 10% TIC 18,3 Costo Pozo de Agua 0,16 Total de inversión del proyecto 201,4 Fuente: Elaboración propia basado en estudio KIM, J. & HAYES, K.M. 2006. EE.UU.
114 Observación de la empresa Luigi en una estimación de una planta de etanol de maíz.
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Se presenta una estimación de los costos de inversión para la construcción de la planta, los que están relacionados con el Total de Costo de los Equipos Instalados (TCE) que son US$121 millones. El Total de Costos de Instalación (TCI) corresponde a los costos de equipos instalados (TCE), la bodega (para repuestos de los equipos y las herramientas relacionadas) y la preparación del sitio. La preparación del sitio incluye los caminos, estacionamientos y pavimentación; su costo se estima como el 9% de los costos de instalación115 de los equipos de procesos en las áreas A100, A200, A300, A400 y A500. El TCI es de US$124 millones. Los costos indirectos se estiman como el 48% del TCI; incluyen los costos prorrateables (compensaciones adicionales a los salarios, cargas y seguros de los contratistas de la construcción), gastos del campo (equipos pequeños, facilidades de construcción temporales y supervisión de la construcción), construcción, cañerías y proyecto de contingencia. Alcanzan a US$59 millones. El Total de Inversión de Capital (TIC) es US$183 millones y corresponde a la suma de TCI con los costos indirectos. Los costos asociados al terreno (desde comprar el terreno, los permisos y los derechos de paso), los asociados a la importación de los equipos (incluyendo transporte, impuestos, seguros y tasas de importación) y otros costos extras de la construcción (como los vehículos de planta, los costos de puesta en marcha y las horas extra durante la construcción) se estiman como el 10% del Total de Costo de Inversión (TIC), alcanzando los US$18 millones. Para el alto volumen requerido de agua, alrededor de 66.000m3 al mes, en Chile es recomendable construir un pozo profundo junto a una planta desmineralizadora de agua. El costo de la construcción de dicha planta es de alrededor de US$160 mil y los costos operacionales anuales son US$60 (6 centavos de dólar por metro cúbico de agua).116 De esta forma el Costo Total de la Inversión del Proyecto es US$200 millones.
6.4 COSTOS OPERACIONALES
6.4.1 Costos Variables de Operación
Los costos variables de la planta son aquellos en los que se incurre solo cuando se encuentra operando y dependen del nivel de producción. Incluyen los insumos, los costos del manejo de los residuos y los subproductos obtenidos (principalmente electricidad). Es relevante mencionar que con las investigaciones que se desarrollan a nivel mundial el proceso para producir etanol a partir de material lignocelulósico se está mejorando, con lo que se aumenta la eficiencia y disminuyen los costos. Estas mejoras se deben principalmente a los avances desarrollados tras años de estudio de las enzimas que participan en el proceso, las
115 Los costos de instalación de dichas áreas se estima como el costo del equipo instalado por el factor 0,42 (ya que el costo de un equipo instalado es el costo del equipo por el factor de instalación 1,42). 116 Datos entregados por empresa Copec S.A.
57 que además de tener un menor precio, logran una conversión más eficiente de la materia prima lignocelulósica a etanol. La planta opera 350 días al año, esto equivale a 8.400 horas y los 15 días restantes se realizan revisiones y mantenciones. Para una planta de 100.000 m3 de etanol al año, se producen 11,9 m3 de etanol por hora. La materia prima (Pino Radiata), necesaria para alcanzar el nivel de producción es de 45.788 kg secos/hr., cantidad bastante inferior en comparación con lo requerido para producir etanol de primera generación. La Tabla 6.5 contiene los requerimientos de insumos de la planta y su costo.
Tabla 6.5 Insumos Costo Anual Insumo kg/hr kg/mes kg/año US$/kg MMUS$ Biomasa 45.788 ‐ 3,8 Acido Sulfurico 984 688.566 8.262.795 0,185 1,5 Cal 376 263.330 3.159.955 0,09 0,3 Amoniaco 748 523.340 6.280.078 0,69 4,3 licor de maíz 1.042 729.135 8.749.622 0,19 1,7 Nutrientes 92 64.173 770.073 0,36 0,3 Sulfato de amonio 207 144.573 1.734.877 0,51 0,9 Antiespumante (Aceite de maíz) 120 83.720 1.004.635 0,65 0,7 Diesel 233 163.382 1.960.588 1,17 2,3 Agua 98.090 68.662.998 823.955.973 0,00006 0,05 Otros Quimicos 3 2.028 24.341 2,93 0,1 Químicos y nutrientes de tratamiento de aguas 122 85.106 1.021.276 0,30 0,3 Deposito de cenizas 583 407.903 4.894.832 0,03 0,1 Deposito de yeso 1.282 897.312 10.767.745 0,03 0,3 Electricidad (MWh)‐ 6 ‐ 4.036 ‐ 48.426 88‐ 4,3 TOTAL 12,3 TOTAL COSTOS (Sin eléctricidad) 16,6 Fuente: Elaboración propia basado en WOOLEY, 1999. Dólares 2007.
Las cantidades que se necesitan de cada insumo se estimaron como una proporción basada en los requerimientos de materia prima. No se determinan las cantidades reales de los insumos ya que para esto se necesitaría un trabajo con mayor grado de exactitud que un estudio exploratorio, donde se deberían realizar los correspondientes balances de energía y masa. En el estudio de Georgia la materia prima que se utiliza son 730 mil toneladas de madera seca al año (para producir 200 mil m3 de etanol) y en la planta en Chile se utilizan 390 mil toneladas de madera (para producir 100 mil m3 de etanol). Por proporción, la cantidad de cada insumo que necesita la planta es el 53% de lo considerado en el estudio de EE.UU. Los costos de los insumos para Chile debieron ser cotizados, investigados y estimados. La materia prima y el transporte de esta se determinó en el capítulo anterior, con un costo total de US$3,8 millones al año (planta ubicada en Nueva Aldea). La venta del exceso de energía eléctrica permite aumentar significativamente los ingresos debido a su alto precio. El costo de los insumos alcanza los US$17 millones, mientras que
58 considerando la venta del exceso de energía eléctrica disminuye a US$12 millones. El precio ha ido en aumento en los últimos años, alcanzando los $44/kWh117. En el Anexo 16 se puede ver la evolución histórica del precio de la energía eléctrica en Chile. Se espera que el precio continúe en aumento. El precio del diesel a mayoristas es US$1,17/kg y se calculó en base a la estructura de precios de ENAP (Empresa Nacional de Petróleo de Chile), ver Anexo 2. Algunos de los insumos que tienen mayor peso en el costo final, amoniaco, sulfato de amonio y ácido sulfúrico, fueron cotizados en la empresa Oxiquim118, distribuidores y comercializadores de productos químicos que cuentan con instalaciones en la VIII Región. Los costos de los insumos se encuentran sobreestimados porque los volúmenes requeridos de algunos son muy altos y se puede hacer un contrato con el proveedor para disminuir su costo. Otros químicos y nutrientes que se necesitan en menor volumen no se encuentran especificados en los estudios disponible y otros no se pudieron cotizar en Chile por lo que se utilizó como referencia el precio de EE.UU. ajustados al año 2007 por el Índice de Precios para Químicos de EE.UU. (Ver Anexo 17).
6.4.2 Costos Fijos de Operación
Los costos fijos son en los que se incurre independientemente del nivel de producción al que se encuentre la planta. Estos costos incluyen el sueldo de los trabajadores y los costos generales. A continuación se presentan los recursos humanos y sus respectivos sueldos líquidos:
Tabla 6.6 Recursos Humanos Sueldo mes ($) Cantidad Costo Total Anual (US$) Gerente General 4.000.000 1 96.000 Gerente de Administración y Finanzas 2.400.000 1 57.600 Jefe de Planta 2.400.000 1 57.600 Ingeniero de Planta 2.000.000 1 48.000 Ingeniero de Mantenimiento 1.800.000 1 43.200 Jefe de Personal 1.800.000 1 43.200 Jefe de Laboratorio 1.200.000 1 28.800 Jefe de Turno 800.000 4 76.800 Tecnico de Laboratorio 600.000 2 28.800 Tecnico de Mantenimiento 600.000 4 57.600 Operadores de Turno 500.000 20 240.000 Operarios de Patio 450.000 4 43.200 Administrativos y Secretarias 400.000 4 38.400 Total de Sueldos 18.950.000 45 859.200 Fuente: Elaboración propia basado en KIM, J. 2006, Copec y Arauco.
117 PMM Precio Medio de Mercado SIC, valor real considerando el IPC para diciembre 2007. Fuente: www.cne.cl Sitio web oficial de la Comisión Nacional de Energía de Chile 118 La cotización se llevó a cabo el mes de febrero de 2007 para los costos puestos en planta de los productos amoniaco y sulfato de amonio. No disponían de ácido sulfúrico por lo que él precio de este insumo se obtuvo de empresas Copec S.A.
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Para determinar los recursos humanos de la planta se utilizó como referencia el estudio KIM, J. & HAYES, K.M., 2006, EE.UU., considerando que el tamaño de la planta es menor al del estudio. En reuniones en empresas Copec y Arauco, basados en su experiencia en plantas industriales, se determinaron los sueldos, el número de trabajadores en cada cargo, se modificaron los cargos y se agregó un Gerente de Administración y Finanzas y un Jefe de Personal. Al operar la planta las 24 hrs. del día los 7 días de la semana es necesario que exista personal de recambio para completar los 4 turnos. El total de empleados de la planta es 45 y el costo total de los sueldos al año es de US$860mil. La cantidad de trabajadores se encuentra sobreestimada ya que este es el personal necesario para una planta de etanol que genera su propia energía calórica y eléctrica y que no se encuentra integrada con otros procesos. Al encontrarse integrada a Nueva Aldea disminuirían los costos de recursos humanos ya que algunos operadores del área del quemador, caldera y turbina (A800) pueden ser los mismos. Los sueldos líquidos son una parte de los costos fijos de la planta; en la Tabla 6.7 se muestra como se estiman los otros demás costos fijos (en miles de dólares del 2007):
Tabla 6.7 Costos Fijos MUS$ Total Sueldos 859 Mantención de Equipos 2% TCE 2.423 Gastos Generales Beneficios de Empleados 30% Sueldos 258 Mantención de Edificios 5% Sueldos 43 Suministros de Oficina 5% Sueldos 43 Energía 10% Sueldos 86 Total Gastos Generales 430 Seguros 0,3% TCI 309 Total Costos Fijos 4.020 Fuente: Elaboración propia basado en KIM, J. 2006, Copec y Arauco
La estimación de los costos fijos se basa en la experiencia de las operaciones de plantas de Copec y Arauco. La mantención de equipos se estima como el 2% del costo de los equipos instalados (US$121 millones), es decir, US$2,5 millones. Los Gastos Generales están directamente relacionados con los trabajadores de planta y se estiman como el 50% de los sueldos. El seguro de incendio tiene un costo de US$300 mil al año, se estima como el 0,3% del costo total de instalación de la planta (el costo de los equipos instalados, la bodega y la preparación del sitio suma US$123 millones). El total de costos fijos anuales de la planta es US$4 millones.
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6.5 CAPITAL DE TRABAJO
El capital de trabajo corresponde al dinero que debe estar disponible para cubrir el funcionamiento inicial y permanente del negocio, cubriendo el desfase natural entre el flujo de ingresos y egresos. Ese dinero es necesario para comprar la materia prima y los insumos, para pagar los sueldos, para manejar el almacenamiento del producto terminado, pagar impuestos y las cuentas por cobrar y por pagar. Se consideran las ventas por cobrar119 y los insumos por pagar para 15 días. En la Tabla 6.8 se presenta el cálculo del capital de trabajo.
Tabla 6.8 Cálculo de Capital de Trabajo M US $ Sueldos del primer mes 72 Stock insumos y materia prima de 15 días 605 Ventas por cobrar de 15 días 1.818 Total 2.494 Total 2,5 Fuente: Elaboración propia basado en Copec.120
El total del capital de trabajo es US$2,7 millones y considera los sueldos del primer mes y las cuentas por cobrar y por pagar para 15 días.
6.6 PLANIFICACIÓN
El tiempo que toma construir la planta es relevante al realizar el estudio económico para saber en qué periodo ocurren los flujos de dinero. En la primera etapa se realizará la inversión para construir la planta y luego comienza una producción menor, lo que implica menores ingresos. Para construir una planta industrial se deben seguir una serie de pasos donde al terminar una etapa se comienza la siguiente. Las refinerías grandes toman 3,5 años en construirse, pero el proceso es de mayor dimensión que producir etanol121. Por otro lado, la experiencia muestra que construir plantas de etanol a partir de maíz toma un poco más de 2 años. Se determina el tiempo total de construcción de la planta en 2,5 años. En la Tabla 6.9 se presentan las principales actividades que se deben realizar con su duración y porcentaje de costos asociado al proyecto. El total de inversión del proyecto son US$201 millones que se desglosan en las distintas etapas de la construcción de la planta.
119 Precio del etanol utilizado = US$600/m3 120 Cálculo de capital de trabajo de Copec para plantas industriales que parece apropiado para este tipo de estudio de planta. 121 Dato de empresa Copec S.A.
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Tabla 6.9 Planificación
Mes Mes % Tot al de Descripción de actividades US$ MM inicio término Inversión •Establecer el plan y calendarización •Diseño de ingeniería conceptual 06•Determinar equipos 8% 16 •Arreglos completos para equipos y plantas •Detalles de ingeniería completos •Todos los equipos encargados •Estructura gruesa completa 618 61% 123 •80% de los equipos prioritarios instalados •Estanques, tuberías y sistema eléctrico •Todos los equipos de procesos instalados •Construcción completa 18 30 31% 62 •Puesta en marcha •Prueba de desempeño inicial completa
Fuente: Elaboración propia basado en estudio de WOOLEY, R. (NREL).1999
En los primeros 6 meses se diseña la obra, desde el plan de calendarización hasta la determinación de todos los equipos, esta etapa tiene asociado un costo de US$16 millones (8% de la inversión inicial), El siguiente año se encargan todos los equipos, se realiza la estructura gruesa y los sistemas de energía y la mayoría de los principales equipos se dejan instalados. Ésta segunda etapa tiene un costo de US$123 millones (61% de la inversión inicial). El año subsiguiente se deben tener todos los equipos instalados y listos para la puesta en marcha, se realizan las primeras pruebas. La última etapa tiene un costo de US$62 millones (31% de la inversión inicial). Durante la construcción se realizan actividades de puesta en marcha que requieren personal adicional, una de estas actividades es el testeo de equipos durante la construcción. Los costos adicionales de la puesta en marcha fueron considerados en la inversión inicial del proyecto.
6.7 FLUJO DE CAJA
La construcción de la planta demora 2,5 años y la inversión es de US$ 200 millones. Luego de este periodo, el semestre siguiente comienza a operar la planta con la mitad de su capacidad, quedando los costos e ingresos como se presentan en la Tabla 6.10. Al variar la capacidad de producción, disminuyen los costos variables y los ingresos (los costos fijos se mantienen constantes). Los ingresos se obtienen por las ventas de etanol y del exceso de energía eléctrica. Si la producción es del 50% de la capacidad, la venta de etanol es la mitad
62 también por estar directamente relacionado. En este caso se consideró el precio de venta de etanol en US$600/m3.122
Tabla 6.10 Producción al 50% Total US$ MM 1° semestre Capacidad 50% Ingresos Etanol 60,00 50% 30,00 Ingresos Electricidad 4,26 75% 3,20 Costos Variables 16,59 75% 12,44 Costos Fijos 4,02 100% 4,02 Fuente: Elaboración propia basado en KIM, J. 2006.
Los parámetros para el flujo de caja son:
Tabla 6.11 Parámetros Flujo de Caja Financiamiento 100% Tasa Descuento 13% Horizonte de tiempo 20 años Depreciación 10 años Impuesto 17% Fuente: Elaboración propia Elaboración propia basado en KIM, J. 2006 y Copec
Los proyectos en la empresa Copec son financiados 100% con capital propio y la tasa de descuento que se utiliza es de 13%, por lo tanto en la planta de etanol también se evalúa así. El horizonte de tiempo para evaluar el proyecto es de 20 años. En Copec un proyecto de estas dimensiones no se evaluaría en menos de 15 años. Los estudios para plantas de etanol a partir de madera de otros países utilizan horizontes de tiempo de entre 20 y 25 años.123 La depreciación legal no se puede hacer para cada uno de los bienes porque no se conocen todos los equipos ni los costos de cada uno, porque la tecnología no está lista y otros bienes no se detallan por tratarse de un estudio exploratorio. Se considera una depreciación acelerada en 10 años, que es la depreciación general para maquinaria industrial. El impuesto de primera categoría para las empresas en Chile es de 17%. En EE.UU.124 el etanol brasilero, producido a partir de caña de azúcar, se comercializa a US$500 por m3 y el precio del etanol producido en EE.UU., a partir de maíz, es US$600 por m3. El Flujo de Caja para el etanol producido en Chile se presenta en la Tabla 6.12.
122 Se supone un precio en Chile para el etanol cercano a US$600/m3. 123 Los estudios de EE.UU. de Wooley, R. (NREL) 1999 y de KIM, J.2006 consideran un horizonte de 20 años y el estudio de Noruega de NTNU. 2005 consideran un horizonte de 25 años.
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Considerando un VPN (Valor Presente Neto) nulo se obtiene que el costo de producción de etanol de madera en Chile es igual a US$530 por m3 de etanol, un valor que se encuentra dentro del rango de venta del etanol comercializado mundialmente. El precio del etanol y de la gasolina ha ido en aumento en los últimos años, y por otro lado la tecnología para el etanol de segunda generación aún se está mejorando, con lo que se disminuirán los costos de producción para el año 2015, cuando se espera esté disponible.
124 El precio del etanol en EE.UU. de maíz es de US$600/m3 y el de caña de azúcar (importado de Brasil) es US$500/m3. (datos de marzo 2008. Consultado online en el sitio de Estadísticas del etanol en EE.UU. www.ethanolstatistics.com.).
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Tabla 6.12 Flujo de Caja. VPN=0
Fuente: Elaboración propia
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6.8 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
Se realizan análisis de sensibilidad para las variables precio de venta del etanol, costo de la materia prima y costo de la inversión inicial. El caso base corresponde a un precio de venta de US600/m3 de etanol y, de acuerdo a los calculado, el costo de la materia prima igual a US$3,8 millones y la inversión inicial de US$200 millones.
Figura 6-2 Análisis de sensibilidad
23% 21% 19% TIR Tasa Interna 17% de Retorno 15% Precio Etanol 13% Costo Materia Prima 11% Costo Inversión Inicial 9% 7% ‐20% ‐10% 0% 10% 20%
Cambio % de la variable
Fuente: Elaboración propia, ver Anexo 18.
En la Figura 6-2 se grafica como varía la Tasa Interno de Retorno (TIR) al variar porcentualmente las variables. Se puede apreciar que el proyecto es altamente sensible a las variaciones del precio de venta del etanol y poco sensible al costo de la materia prima. Permaneciendo las demás variables constantes, la holgura para competir mediante disminución de precios es hasta un 10% (precio del etanol cercano a US530/m3), en el que la TIR alcanza la tasa de descuento de Copec (13%). El costo de la inversión inicial puede aumentar hasta en 20%, llegando a US$240 millones, donde el proyecto deja de ser rentable.
6.8.1 Precio Venta Etanol
El costo de producir etanol es de US$530 por m3, el que fue calculado con el flujo de caja imponiendo un VPN nulo. Para realizar el análisis de sensibilidad se pueden estudiar algunos casos que resultan pesimistas y optimistas.
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El precio de venta de la gasolina en Chile considerando los ajustes correspondientes a la ley de gasolinas, es US$1.150125 por m3. Si la mezcla E5 (5% de etanol) fuera opcional en Chile, el precio del etanol podría ser el mismo al que se vende la gasolina. De esta forma, el precio del etanol podría llegar a ser, como máximo, US$1.150 por m3. Con este precio de venta el VPN del proyecto es de US$350 millones, el periodo de recuperación del capital inicial es de 4 años y la TIR es igual a 45% (ver Anexo 19). El precio del etanol en Brasil (Rio de Janeiro) se encuentra cercano al 70% del costo de la gasolina, en este país el uso del etanol es optativo y existe una importante flota de vehículos Flex-Fuel126. Este precio podría deberse a que el etanol tiene una densidad energética del 70% de la gasolina lo que implica que recorre menos distancia por volumen de etanol.127 Si en Chile el precio del etanol fuera el 70% del precio de la gasolina se vendería a 800 por m3, el VPN del proyecto sería US$150 millones, el periodo de recuperación de 7 años y una TIR de 26% (ver Anexo 20). Un caso pesimista para el proyecto sería que no se siguiera aplicando el impuesto específico a la gasolina, este caso es poco probable, pero sí es posible que se disminuya éste impuesto. Si se elimina el impuesto específico el precio de la gasolina sería US$680/m3 (ver Anexo 2) y con este precio del etanol el proyecto tendría un VPN de US$84 millones, el periodo de recuperación del capital inicial es de 9 años y la TIR es igual a 20% (ver Anexo 21). Esos precios analizados son suponiendo que la venta de etanol no tiene competencia. Frente a las importaciones de etanol, como la demanda de etanol mundial sobrepasa a la oferta, es improbable que el precio sea más bajo que a lo que se vende en EE.UU. y al precio del etanol en Brasil se deben sumar todos los costos de la importación. Como el etanol reemplaza los aditivos para aumentar el octanaje de la gasolina, los representantes de Petrobras (compañía brasilera de petróleo y etanol) cuando participaron del Workshop organizado por la CNE128 en Chile sugirieron que el precio de venta del etanol podría ser similar al de la gasolina. Con un margen de 10% sobre el costo del etanol el precio de venta es cercano a US$600 por m3, el mismo precio al que se comercia el etanol producido en EE.UU. (de maíz) y menor al máximo precio que podría tener en Chile, por lo que es un precio razonable. En este caso el VPN del proyecto es US$39 millones, el periodo de recuperación del capital inicial es de 13 años y la TIR es igual a 16% (ver Anexo 22).
6.8.2 Precio Materia Prima
El costo de la materia prima puesto en planta es US$3,8 millones, si aumenta en un 20% sería US$4,6 millones y si disminuye en 20% costaría US$3 millones. La sensibilidad de la TIR a esta variable es muy baja. Si aumenta la demanda de residuos forestales, se tendría que aumentar el radio de recolección lo que implica un aumento en los costos de transporte y aumentaría el precio del RAE puesto
125 El cálculo del precio de la gasolina en Chile se encuentra en el Anexo 2. 126 Vehículos que pueden usar una mezcla de gasolina hasta con 85% de etanol. 127 El precio, en las estaciones de servicio de Rio de Janeiro, de la gasolina es de 2,7 reales por litro y el del etanol 1,7 reales por litro (marzo, 2008). 128 CNE: Comisión Nacional de Energía
67 en planta. Este escenario es posible debido a la creciente demanda de fuentes energéticas. Los residuos forestales los pueden demandar fábricas de pellets y calderas. Es relevante mencionar que estos usos necesitan un componente de la madera que no se utiliza para producir etanol, la lignina. A pesar de la creciente demanda energética se espera que aumente la disponibilidad de materia prima por las investigaciones que realiza la industria forestal para aprovechar residuos que actualmente se dejan en el bosque. A mediano plazo comenzaría a regir la ley de intervención al bosque nativo con lo que aumentaría la oferta de RAE.
6.8.3 Costo de la Inversión Inicial
La TIR es relativamente sensible a la Inversión Inicial del proyecto, si la inversión cuesta 10% más de lo estimado, llegando a US$220 millones, aún sigue siendo conveniente realizar el proyecto, pero si cuesta 20% más, deja de serlo. En proyectos de este tamaño es frecuente que aún en las últimas etapas de evaluación las estimaciones tengan errores del 10%. Un punto importante que quedó fuera de los alcances de la memoria, por tener ésta un carácter exploratorio, son las exigencias ambientales. A pesar de considerar las regulaciones en el estudio de los proyectos, las exigencias no contempladas podrían llegar a aumentar en 10% el costo de la inversión de un proyecto129.
7. ESCENARIO FUTURO
El etanol se encuentra integrado al sistema de combustibles en distintos países. Pero el enfoque es incentivar el desarrollo del etanol de segunda generación. Actualmente se encuentran operando plantas piloto que producen etanol a partir de madera. En EE.UU., en el estado Wyoming, opera la planta que pertenece a la empresa KL Process Design Group. La tecnología que utilizan es una desarrollada por la misma empresa, también con procesos biológicos con enzimas e integrada con producción de electricidad (y venden el exceso de energía). Actualmente, utilizan deshechos de madera, pero esperan utilizar también desechos municipales como cartón o papel como materia prima.130 En Canadá la empresa Lignol posee una planta de etanol a partir de madera y planean construir próximamente una planta comercial. Otro país que planea su producción de etanol a partir de madera es Nueva Zelanda. En el proyecto están investigando la manera de utilizar la industria existente de papel y pulpa para producir etanol de Pino Radiata y otras maderas blandas.131 En la última reunión organizada por CNE con la invitada experta española en etanol lignocelulósico Mercedes Ballesteros132 informó que se espera que la tecnología para producir
129 Consultas en Copec. 130 Consulta en el sitio web de la empresa KL Process Design Group. EE.UU. www.klprocess.com 131 Consulta en el sitio web de la empresa Scion. Nueva Zelandia. www.scionresearch.com
68 etanol de madera se encuentre disponible a partir del año 2012. Por otro lado, frente a esta misma inquietud, la empresa sueca SEKAB Industrial Development AB, respondió que esta tecnología será comercializada alrededor del 2014133. Por todas las investigaciones que se están realizando para producir el etanol de segunda generación se espera que se reduzcan los costos con mayor peso en la evaluación del proyecto. Para el año 2012 se espera que el costo del etanol de madera sea cercano a US$260/m3. Principalmente se lograría aumentando el rendimiento de la conversión de madera a etanol llegando a 0,34 m3 de etanol por tonelada de madera (actualmente el rendimiento es (0,26 m3/ton)134. Hace una década el costo de las enzimas era visto como la mayor barrera para la conversión de la biomasa a etanol, hoy estos costos se han reducido y se espera que, con las investigaciones que se están realizando, disminuyan aún más. Figura 7-1 Disminución costos de producción de etanol
Fuente: NOVOZYMES, 2007.
La empresa danesa NOVOZYMES ha disminuido en los últimos años considerablemente los costos de las enzimas para el proceso de etanol de segunda generación. Como se aprecia en la Figura 7-1 en el año 1999 el costo de producir etanol celulósico era muy alto por el costo de las enzimas y en 6 años disminuyó en un 80%. Los principales aspectos en los que se está trabajando para disminuir el costo del etanol de segunda generación son la disminución de costos de las enzimas, la necesidad de integración de las etapas de los procesos de producción y una mayor flexibilidad de las materias primas
132 Reunión CNE 12 marzo 2008. La experta en etanol lignocelulósico, Mercedes Ballesteros, trabaja en CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de España). Contacto: [email protected] 133 Consulta por correo electrónico a Jan Lindstedt, planta piloto de etanol de madera de la empresa sueca SEKAB Industrial Development AB. [email protected] febrero, 2008. 134 BIOFOREST (Arauco).2007.
69 que se pueden utilizar en una misma planta (por ejemplo, además de madera utilizar papeles y cartones). En el estudio se optó por la tecnología de prehidrólisis con ácido diluido e hidrólisis enzimática SSCF (hidrólisis y fermentación simultánea) por la existencia de información del proceso y de la economía de esta tecnología. Para determinar la tecnología definitiva que se utilizará en Chile se debe estudiar el costo de las restricciones de patente y que el proceso se pueda integrar a los procesos de la industria forestal.135
135Los datos de la planta Lignol, eficiencia en la conversión y patentes de las tecnologías se obtuvieron del Informe de Bioforest (Arauco) 2007.
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8. CONCLUSIONES
La transición de la sustitución de la gasolina por etanol debiera ser en Chile similar a lo que está ocurriendo en EE.UU. y en países de Europa, comenzando con la mezcla E5 (gasolina con 5% de etanol) en los vehículos corrientes, hasta llegar a los vehículos flexibles (VFF) que utilizan indistintamente etanol o gasolina según la conveniencia del usuario, como es el caso en Brasil, país pionero en la producción de etanol y en la utilización de éste como biocombustible. La regulación de etanol en Chile permitirá su uso mezclado con gasolina hasta en un 5% y no se verá agravado con el impuesto específico de la gasolina, por lo que será conveniente para el consumidor por su menor costo. El interés en el uso del etanol como biocombustible radica en que se ajusta mejor al actual sistema de transporte que otras formas de energía renovable y permite disminuir la contaminación, el uso de MTBE y la dependencia al petróleo. La producción de biocombustibles tiene una serie de ventajas para Chile, desde la diversificación de la matriz energética hasta el impulso económico. Debido a los problemas económicos que ha traído la producción mundial de etanol a partir de alimentos, se ha optado por impulsar el desarrollo de la tecnología para producir etanol lignocelulósico. Al producir etanol de madera se aprovechan las fortalezas forestales del país. Se espera que esta tecnología se encuentre disponible en el año 2012. El estudio exploratorio realizado para la producción de etanol de residuos forestales es el primer paso para determinar si el proyecto es de interés y permitirá a la empresa Copec S.A. decidir si se continúa con investigaciones y desarrollos de mayor profundidad. El principal interés en el proyecto para la empresa es que integrar la planta de etanol a procesos de la industria forestal entrega un importante valor agregado y Copec tiene una gran participación en ésta industria con su filial Arauco. Se determina que la mejor ubicación para la planta es en la VIII Región porque tiene la mayor cantidad de residuos forestales disponibles, la ubicación específica sería junto al Complejo Industrial Nueva Aldea de Arauco bajo el concepto de biorefinería, donde existe la posibilidad de integración algunos de los procesos. La capacidad de la planta es de 100 mil m3 al año de etanol y requiere 385 mil toneladas de madera seca al año como materia prima, éste nivel de producción cubriría el 61% de la demanda nacional de etanol en el año 2010 si la mezcla es de E5. La cogeneración de energía eléctrica de la planta de etanol entrega un importante valor agregado. La inversión inicial del proyecto es de US$200 millones y el costo de la producción de etanol es US$530/m3, precio dentro del rango del etanol comercializado en EE.UU.de caña de azúcar y de maíz. El precio de venta del etanol en Chile podría llegar a US$1.150/m3 por los altos precios actuales del petróleo y por el impuesto específico de la gasolina. Suponiendo un precio de venta de US$600/m3, el VPN del proyecto es de US$39 millones, el periodo de recuperación del capital es de 13 años (el horizonte de tiempo para la evaluación del proyecto es de 20 años) y la TIR de 16%. Como la TIR que utiliza Copec para evaluar los proyectos es de 13%, sería interesante continuar el estudio.
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Posibles pasos a seguir
La producción de etanol lignocelulósico se debería realizar bajo el concepto de biorefinería, donde se integra la el proceso de conversión de biomasa a una planta de celulosa para producir etanol, químicos, electricidad, además de los productos tradicionales de la planta de celulosa. Éste concepto es análogo a las refinerías de petróleo donde se obtienen distintos combustibles y productos a partir del petróleo. Las últimas investigaciones van en esta dirección ya que de esta forma se maximiza el valor de la biomasa y se produce energía para la planta, lo que reduce los costos. Instalando la planta de etanol junto a una planta generadora de energía eléctrica y una planta de celulosa, como en el complejo Nueva Aldea, se pueden aprovechar las sinergias y obtener un mejor aprovechamiento del recurso madera. Los residuos forestales se están utilizando para generar energía en algunas plantas de celulosa y aserraderos, pero la lignina es la que entrega el poder calorífico, no la celulosa y hemicelulosa, que tendrían un mejor uso como materia prima para el etanol. Al producir etanol uno de los co-productos es la lignina, que es utilizada para producir vapor y energía eléctrica. La utilización de los residuos forestales como materia prima permite aprovechar mejor un recurso existente y que tiene bajo costo comparado con otras materias primas. Pero también existen otras posibilidades que se pueden evaluar como la plantación de árboles para producir etanol. La elección de la especie, como se mencionó en el trabajo, debe ser en base a la composición de la madera, para obtener un buen rendimiento de conversión a etanol, además de que se dé bien en la zona. Algunas especies crecen en terrenos que no sirven para cultivos y son terrenos que no están siendo aprovechados. A finales del mes de marzo la CORFO (Corporación Nacional de Fomento de Chile), a través de InnovaChile abrió una convocatoria nacional de consorcios tecnológicos empresariales de investigación en biocombustible a partir de material lignocelulósico. El objetivo de la convocatoria es impulsar la investigación y desarrollo para la producción de etanol en Chile. Una de las principales formas de disminuir los costos de producción de etanol es mejorando la conversión de la biomasa, esto se puede lograr con la modificación genética de las enzimas involucradas en el proceso. En los últimos años los avances en esta área han sido significantes y se proyectan aún mejores resultados. En Chile se legislará para permitir la mezcla de gasolina hasta con 5% de etanol y progresivamente se iría aumentando este porcentaje hasta 10% en los vehículos corrientes. Luego correspondería introducir al mercado los vehículos flex-fuel, los que funcionan hasta con 85% de etanol. Se espera que mientras existan combustibles fósiles se necesitará etanol para mezclarlo, ya que es un biocombustible renovable y menos contaminante que la gasolina y se ajusta al sistema actual de transporte.
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18. HAMELINCK, C. N., VAN HOOIJDONK, G., FAAIJ, A.P.C. 2003. Prospects for etanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance as development progress. Holanda. 19. INSTITUTO FORESTAL (INFOR). 2006. Disponibilidad de residuos madereros provenientes de la industria de la Madera entre la IV y XII Región para uso energético. Chile. 20. INSTITUTO FORESTAL (INFOR). 2006. Superficie de plantaciones forestales IV-XI regiones actualización a diciembre 2005. Chile. 21. INSTITUTO FORESTAL (INFOR). 2007. Mercado Forestal N°28” Gobierno de Chile. 22. KHOSLA, V. 2005. “Biofuels: think outside the barrel”. EE.UU. 23. KIM, JOHN & HAYES, KENWIN M. 2006. Southern pine as feedstock for renewable fuel industry: A feasibility study of lignocelluloses ethanol production in Georgia. Georgia Institute of Technology: Enterprise Innovation Institute. EE.UU. 24. L.LYND. 1996. Overview and evaluation of fuel ethanol from cellulosic biomass. EEUU. 25. LE MONDE DIPLOMATIQUE. 2007. Chile y su inseguridad energética, Dossier Energías. 26. MALDONADO, G. 2007, 5 de Agosto. Reportaje: El agro del sur se desquita con la leche, el trigo y el maíz en fuerte alza. Economía y Negocios, Diario El Mercurio. Chile 27. NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY (NREL) AND HARRIS GROUP. 2002. Lignocellulosic biomass to ethanol process design and economics utilizing cocurrent dilute acid prehydrolysis and enzimatic hydrolysis for corn stover. EE.UU. 28. NORWEGIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (NTNU). 2005. Biofuels from lignocellulosic material- In the Norwegian context 2010- Technology, potencial and costs. Noruega 29. NOVOZYMES, 2007. Biofuel thematic paper-Biofuel technology developments. Dinamarca. 30. NREL, BIOTECHNOLOGY CENTER FOR FUELS AND CHEMICALS AND DELTA-T CORPORATION. 1999. Lignocellulosic biomass to ethanol process design and economics utilizing cocurrent dilute acid prehydrolysis and enzimatic hydrolysis current and futuristic scenarios. EE.UU. 31. NREL. 2000. The DOE bioethanol pilot plant, a tool for commercialization. EE.UU. 32. NEXANT CHEMSYSTEMS. 2007. Report “Biogasoline” , Process Evaluation/Research Planning (PERP). 33. PARRA, C. 2006. Presentación: Biocombustibles, producción de bioetanol. Seminario: Hacia una política nacional de bioenergía. Chile. 34. PICCOLO, C., BEZZO, F. 2007. Ethanol from lignocellulosic biomass: a comparision between conversion technologies. Italia. 35. THE ECONOMIST. 2007. Woodstock Revisted. EE.UU. 36. VILDÓSOLA, P. 2008. Reportaje: La Carrera Mundial por los Biocombustibles. Revista Campo de El Mercurio, 3 de marzo del 2008. Chile.
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37. WÄNNSTRÖM, S., FRANSSON, G., LINDSTEDT, J. AND GARCIA-LINDREN, C. 2008. Ethanol from Cellulose-Integration is a must. Estocolmo, Suecia. (Este paper fue enviado por correo electrónico por uno de los autores, aún no ha sido publicado) 38. WOOLEY, R.,* RUTH, M., GLASSNER, D., & SHEEHAN, J. 1999. Process Design and Costing of Bioethanol Technology: A Tool for Determining the Status and Direction of Research and Development. Biotechnology Center for Fuels and Chemicals, National Renewable Energy Laboratory (NREL) a U.S. Department of Energy (DOE) Laboratory, EE.UU. 39. WORLDWATCH INSTITUTE. 2007. Biofuels for Transport, Global Potential and Implications for Sustainable Energy and Agriculture. Inglaterra 40. ZOMOSA, ABDÓN. 1984. Manual de Proyectos de Ingeniería Química. Chile.
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10. SIGLAS Y CONVERSIONES
CEPCI: Índice de Costos de Plantas de Ingeniería Química (Chemical Engineering Plant Cost Index). CNE: Comisión Nacional de Energía CONAMA: corporación Nacional del Medio Ambiente CORFO: Corporación Nacional de Fomento CPI: Customer Price Index (Equivalente al IPC chileno) DOE: Departamento de Energía de EE.UU. En: Mezcla con n% de etanol y (100-n)% de gasolina ENAP: Empresa Nacional de Petróleo FOB: precio Free On Board INFOR: Instituto Forestal MTBE: éter metil tert-butílico NREL: Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE.UU. NTNU: Universidad de Ciencia y Tecnología de Noruega ODEPA: Oficina De Estudios y Políticas Agrarias de Chile. RAE: Residuos Aprovechables Energéticamente FFV: Vehículos Flex-Fuel que poseen sensores de oxígeno que reconocen el combustible y ajustan el funcionamiento del motor. De esta forma el usuario puede escoger en cada carga entre gasolina y etanol según su conveniencia (precio, disponibilidad, calidad y desempeño). Pueden tener mezclas hasta con 85% de etanol.
Tabla 10.1 Conversiones
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11. ANEXOS
Anexo 1: Costos Etanol con distintas materias primas
En los documentos de EE.UU. la unidad de los precios se encuentra en dólares por galón. En el informe las unidades utilizadas para el precio del etanol es dólares por metro cúbico, por lo que se realiza la conversión de la siguiente forma: Tabla del Costo del Etanol Madera Maíz Caña de Azúcar US$/galón 1,13 1,44 0,95 US$/m3 297 379 250 pesos/lt 149 189 125
1 dólar= 500 pesos 1 galon = 3,8 litros Fuente: The Economist. Marzo 2007. Los datos se encontraban en dólares/galón. Los datos para el etanol de maíz y caña de azúcares son reales y el a partir de madera es un pronóstico de Nueva Zelanda.
Anexo 2: Precio Gasolina y Diesel
La forma de calcular el precio de la gasolina, el diesel y kerosene es la siguiente:
PM(t) = PI(t) + FEPC + IVA +IE
Donde cada sigla corresponde a: PM(t): Precio a los distribuidores mayoristas PI(t): Precio internacional puesto en Concón, Chile. IE: Impuesto específico 6 UTM/m3 IVA: Impuesto al valor agregado FEPC(t): Fondo de estabilización de precios del petróleo. Toma valores FC (crédito), FI (impuesto) o cero. Cuando otorga crédito: PM(t) = PI(t) - FC + [PI(t) – FC]*19% +IE Cuando aplica impuesto: PM(t) = PI(t) + FI + PI(t)*19% +IE
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ENAP (Empresa Nacional de Petróleo de Chile). Enero 2008. www.enap.cl publica los precios todas las semanas. Como ejemplo se presenta la composición de precios del 24 de Enero del 2008 para la gasolina y el diesel: GASOLINA Gráfico de Precio de la gasolina:
Composición porcentual de Precios de ENAP a mayoristas
100.00% IVA 80.00%
60.00% Impuesto Específico
40.00% FEPP 20.00% Oleoducto Concón/Maipú 0.00%
‐20.00% Precio ENAP puesto en Concón
Fuente: Elaboración propia basado en datos de ENAP
De esta forma se calcula el precio de venta: Tabla de Precio de Gasolina: Gasolinas US$/m3 Precio ENAP puesto en Concón 59,00% 680 Oleoducto Concón/Maipú 0,90% 10 FEPP -7,10%- 82 Impuesto Específico 37,20% 429 IVA 10,00% 115 Precio Venta a Mayoristas 100% 1.153 Fuente: Elaboración propia basado en datos de ENAP.
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DIESEL Gráfico de Precio del diesel:
Composición porcentual de Precios de ENAP a mayoristas
100.00% IVA 80.00%
60.00% Impuesto Específico
40.00% FEPP 20.00% Oleoducto Concón/Maipú 0.00%
‐20.00% Precio ENAP puesto en Concón
Fuente: Elaboración propia basado en datos de ENAP
De esta forma se calcula el precio de venta: Tabla de Precio de Diesel Precios ENAP a Distribuidores Mayoristas en Santiago (Participación porcentual sobre el Precio de Venta) al: 24 de Enero de Diesel US$/m3 Precio ENAP puesto en Concón 75,10% 721,99 Oleoducto Concón/Maipú 1,10% 10,58 FEPP -1,50% -14,42 Impuesto Específico 11,10% 106,71 IVA 14,20% 136,52 Precio Venta a Mayoristas 100% 961,37 Fuente: Elaboración propia basado en datos de ENAP. Tabla de Precio de diesel por kg. Diesel 24-Ene-08 Densidad a 15 °C 822 kg/m3 Precio 961 US$/m3 Precio 1,17 US$/kg Fuente: Elaboración propia
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Anexo 3: Precio de Productos de la Madera
La madera de eucaliptus se utiliza para celulosa por los altos precios actuales, similares a los de las trozas de pino aserradas. Una implicancia de estos precios es que han aumentado las plantaciones de eucaliptus, que actualmente son mucho menos hectáreas plantadas que las de pino. Gráfico de Precios de Productos de la Madera:
Fuente: INFOR 2006
Anexo 4 Tipos de residuos forestales Se presentan las imágenes de los residuos forestales que se obtienen en un aserradero.
Fuente: Elaboración propia con imágenes del sitio web www.infor.cl 80
Anexo 5: Ajuste de precios IPC
Tabla de IPC:
ÍNDICE DE PRECIOS AL CONSUMIDOR - IPC (Base: diciembre 1998 = 100) Año Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Promedio 1997 90,55 91,31 91,59 91,90 92,11 92,33 92,89 93,26 94,13 95,28 95,41 95,54 93,03 6,1% 1998 96,21 96,08 96,46 96,84 97,02 97,35 97,77 98,10 98,61 99,40 99,49 100,00 97,78 5,1% 1999 99,67 99,74 100,37 100,75 100,87 101,01 101,08 101,28 101,51 101,87 102,04 102,31 101,04 3,3% 2000 102,49 103,06 103,81 104,31 104,53 104,77 104,91 105,18 105,82 106,46 106,82 106,94 104,93 3,8% 2001 107,30 106,97 107,48 107,97 108,44 108,50 108,29 109,16 109,96 110,11 110,10 109,76 108,67 3,6% 2002 109,67 109,68 110,26 110,67 110,77 110,63 111,12 111,54 112,48 113,46 113,36 112,86 111,38 2,5% 2003 112,97 113,88 115,21 115,10 114,66 114,66 114,56 114,75 114,97 114,79 114,44 114,07 114,51 2,8% 2004 113,86 113,87 114,35 114,77 115,37 115,87 116,14 116,58 116,64 116,98 117,28 116,84 115,71 1,1% 2005 116,47 116,36 117,10 118,15 118,47 118,96 119,69 120,04 121,23 121,82 121,53 121,12 119,25 3,1% 2006 121,22 121,11 121,82 122,60 122,90 123,62 124,29 124,62 124,64 124,32 124,11 124,23 123,29 3,4% 2007 124,61 124,40 124,93 125,65 126,43 127,61 129,05 130,45 131,93 132,34 133,40 134,07 128,74 4,4%
Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas (INE)
Ajuste del precio de los residuos forestales: Variación IPC $/MS 2004 $/MS 2007 $/m3 2007 2005 3,1% lampazos 2.717 3.022 7.556 2006 3,4% despunte 2.575 2.779 6.949 2007 4,4% viruta 500 522 1.305 Conversion corteza 400 418 1.044 m3/MS = 2,5 aserrín 300 313 783 MS: metro estéreo Fuente: Elaboración propia
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Anexo 6: Posibles ubicaciones de la planta en la VIII Región
Fuente: Elaboración propia Anexo 7: Provincias y comunas de la VIII Región Provincia Arauco Biobío Concepción Ñuble 1 Arauco 8 Alto Biobío 22 Chiguayante 34 Bulnes 2 Cañete 9 Antuco 23 Concepción* 35 Chillán* 3 Contulmo 10 Cabrero 24 Coronel 36 Chillán Viejo 4 Curanilahue 11 Laja 25 Florida 37 Cobquecura 5 Lebu* 12 Los Ángeles* 26 Hualpén 38 Coelemu 6 Los Álamos 13 Mulchén 27 Hualqui 39 Coihueco 7 Tirúa 14 Nacimiento 28 Lota 40 El Carmen 15 Negrete 29 Penco 41 Ninhue 16 Quilaco 30 San Pedro de la Paz 42 Ñiquén 17 Quilleco 31 Santa Juana 43 Pemuco Comunas 18 San Rosendo 32 Talcahuano 44 Pinto 19 Santa Bárbara 33 Tomé 45 Portezuelo 20 Tucapel 46 Quillón 21 Yumbel 47 Quirihue 48 Ranquíl 49 San Carlos 50 San Fabián 51 San Ignacio 52 San Nicolás 53 Treguaco 54 Yungay *: Capital de la provincia Fuente: Consulta online en sitio web del Gobierno de Chile www.gobiernodechile.cl/, sección canal regional.
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Anexo 8: Navegador de Disponibilidad de Residuos
El software online de INFOR contiene los datos de los aserraderos y RAE de las comunas de la VIII Región. En el mapa se presentan los aserraderos permanentes y la concentración de RAE en cada comuna.
Fuente: Navegador online de INFOR
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Anexo 9: Costo de Materia Prima a Nueva Aldea
Cantidad RAE Distancia a Nueva disponible [m3] Aldea [km] Acumulado [m3]Costo [$] Costo Acumulado [$] 99.372 099.372 99.372.000 99.372.000 8.504 20 107.876 11.905.600 111.277.600 94.878 30 202.754 151.804.800 263.082.400 3.625 30 206.379 5.800.000 268.882.400
12.000 30 218.379 19.200.000 288.082.400 18.053 30 236.432 28.884.800 316.967.200 17.102 40 253.534 30.783.600 347.750.800 4.488 40 258.022 8.078.400 355.829.200 9.546 40 267.568 17.182.800 373.012.000 274.757 40 542.325 494.562.600 867.574.600 12.218 40 554.543 21.992.400 889.567.000 3.522 50 558.065 7.044.000 896.611.000 19.925 50 577.990 39.850.000 936.461.000 13.109 60 591.099 28.839.800 965.300.800 196.964 60 788.063 433.320.800 1.398.621.600 209.098 70 997.161 501.835.200 1.900.456.800 1.854 70 999.015 4.449.600 1.904.906.400 4.520 70 1.003.535 10.848.000 1.915.754.400 106.914 70 1.110.449 256.593.600 2.172.348.000 47.377 80 1.157.826 123.180.200 2.295.528.200 5.595 80 1.163.421 14.547.000 2.310.075.200 202.908 90 1.366.329 568.142.400 2.878.217.600 40.756 90 1.407.085 114.116.800 2.992.334.400 2.841 90 1.409.926 7.954.800 3.000.289.200 12.984 100 1.422.910 38.952.000 3.039.241.200 49.927 100 1.472.837 149.781.000 3.189.022.200 6.020 100 1.478.857 18.060.000 3.207.082.200 10.742 120 1.489.599 36.522.800 3.243.605.000 20.933 120 1.510.532 71.172.200 3.314.777.200 132.032 150 1.642.564 528.128.000 3.842.905.200 3.690 160 1.646.254 15.498.000 3.858.403.200 Fuente: Elaboración propia
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Anexo 10: Costo de Materia Prima a Cabrero
Cantidad RAE Distancia a Cabrero disponible [m3] [km] Acumulado [m3]Costo [$] Costo Acumulado [$] 196.964 ‐ 196.964 196.964.000 196.964.000 274.757 10 471.721 329.708.400 526.672.400 4.520 10 476.241 5.424.000 532.096.400 12.218 20 488.459 17.105.200 549.201.600
47.377 30 535.836 75.803.200 625.004.800 106.914 30 642.750 171.062.400 796.067.200 8.504 40 651.254 15.307.200 811.374.400 40.756 40 692.010 73.360.800 884.735.200 5.595 40 697.605 10.071.000 894.806.200 99.372 50 796.977 198.744.000 1.093.550.200 1.854 50 798.831 3.708.000 1.097.258.200 49.927 50 848.758 99.854.000 1.197.112.200 13.109 60 861.867 28.839.800 1.225.952.000 18.053 60 879.920 39.716.600 1.265.668.600 2.841 60 882.761 6.250.200 1.271.918.800 3.625 70 886.386 8.700.000 1.280.618.800 4.488 70 890.874 10.771.200 1.291.390.000 209.098 70 1.099.972 501.835.200 1.793.225.200 202.908 70 1.302.880 486.979.200 2.280.204.400 20.933 70 1.323.813 50.239.200 2.330.443.600 12.000 70 1.335.813 28.800.000 2.359.243.600 6.020 70 1.341.833 14.448.000 2.373.691.600 94.878 80 1.436.711 246.682.800 2.620.374.400 19.925 80 1.456.636 51.805.000 2.672.179.400 9.546 80 1.466.182 24.819.600 2.696.999.000 17.102 90 1.483.284 47.885.600 2.744.884.600 12.984 90 1.496.268 36.355.200 2.781.239.800 10.742 90 1.507.010 30.077.600 2.811.317.400 3.522 100 1.510.532 10.566.000 2.821.883.400 132.032 100 1.642.564 396.096.000 3.217.979.400 3.690 120 1.646.254 12.546.000 3.230.525.400 Fuente: Elaboración propia
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Anexo 11: Capacidad de la planta v/s Costo Materia Prima
Eficiencia conversión Densidad de madera pino 0,26 m3 etanol/ton madera 0,4 m3/ton 0,104 m3 etanol/m3 madera
Costo Costo Costo Costo RAE Acumulado‐ Acumulado‐ RAE Acumulado‐ Acumulado‐ Acumulado Capacidad de la Nueva Aldea Cabrero Acumulado Capacidad de la Nueva Aldea Cabrero [m3] planta [m3] [$MM] [$MM] [m3] planta [m3] [$MM] [$MM] 99.372 10.335 99 890.874 92.651 1.291 107.876 11.219 111 997.161 103.705 1.900 196.964 20.484 197 999.015 103.898 1.905 202.754 21.086 263 1.003.535 104.368 1.916 206.379 21.463 269 1.099.972 114.397 1.793 218.379 22.711 288 1.110.449 115.487 2.172 236.432 24.589 317 1.157.826 120.414 2.296 253.534 26.368 348 1.163.421 120.996 2.310 258.022 26.834 356 1.302.880 135.500 2.280 267.568 27.827 373 1.323.813 137.677 2.330 471.721 49.059 527 1.335.813 138.925 2.359 476.241 49.529 532 1.341.833 139.551 2.374 488.459 50.800 549 1.366.329 142.098 2.878 535.836 55.727 625 1.407.085 146.337 2.992 542.325 56.402 868 1.409.926 146.632 3.000 554.543 57.672 890 1.422.910 147.983 3.039 558.065 58.039 897 1.436.711 149.418 2.620 577.990 60.111 936 1.456.636 151.490 2.672 591.099 61.474 965 1.466.182 152.483 2.697 642.750 66.846 796 1.472.837 153.175 3.189 651.254 67.730 811 1.478.857 153.801 3.207 692.010 71.969 885 1.483.284 154.262 2.745 697.605 72.551 895 1.489.599 154.918 3.244 788.063 81.959 1.399 1.496.268 155.612 2.781 796.977 82.886 1.094 1.507.010 156.729 2.811 798.831 83.078 1.097 1.510.532 157.095 3.315 848.758 88.271 1.197 1.510.532 157.095 2.822 861.867 89.634 1.226 1.642.564 170.827 3.843 879.920 91.512 1.266 1.642.564 170.827 3.218 882.761 91.807 1.272 1.646.254 171.210 3.858 886.386 92.184 1.281 1.646.254 171.210 3.231 Fuente: Elaboración propia
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Anexo 12: Exceso de energía generada El cálculo de energía eléctrica producida por la planta se basa en los datos del estudio de KIM, J. y HAYES, K.M., Georgia Institute of Technology (GIT). 2006. (que a su vez utiliza los datos de los estudios del Deparamento de Energía de EE.UU.-DOE-). Tabla de Energía: Biomasa [ton] % GIT [MW] 730.000 Planta [MW] 385.000 53%
GIT [MW] % Planta [MW] Consumido 33 75% 17,4 Exceso 11 25% 5,8 Total 44 100% 23,2 Fuente: Elaboración propia Sin el diseño de los procesos de toda la planta se realiza la estimación de energía eléctrica producida y consumida con la proporción entre la materia prima que requeriría la planta en Chile (385 mil ton) y la de Georgia (385.000). En el estudio de G.I.T. el total de energía generada es de 44 miliwatts (MW) de las que el 75% es consumido por la planta y 25% es excedente. Se supone que se puede aproximar el exceso de energía de la planta con estas proporciones. De esta forma, la planta tendría un exceso de 5,8MW que puede ser comercializado.
Anexo 13: CPI EE.UU. El IPC de EE.UU. se denomina CPI (Costumer Price Index). Para obtener el precio equivalente al año 2007 se utiliza la información de la Tabla.
Tabla CPI: CPI EE.UU. Promedio Año Anual 1994 2,6% 1995 2,8% 1996 3,0% 1997 2,3% 1998 1,6% 1999 2,2% 2000 3,4% 2001 2,8% 2002 1,6% 2003 2,3% 2004 2,7% 2005 3,4% 2006 3,2% 2007 3,8%
Fuente: U.S. Department of Labour. www.bls.gov/cpi
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Anexo 14: Tipo de Cambio
Valor de 1 dólar en pesos chilenos desde 1997-2007:
Valor de 1 dólar en pesos 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Año
Caída del dólar en los últimos meses: 2008 valor de dólar Enero 481 Febrero 467 Marzo 443 Fuente: Base de Datos Estadísticos del Banco Central. Consulta en sitio web: www.bcentral.cl
Anexo 15: Costo de Equipos
Ajuste de costos por capacidad para las distintas áreas de proceso. Tabla de Ajuste de costos de equipos:
Costo de Capital [US$ Área de Proceso millones] Costo de Capital [MM$] A100 Manejo de materia prima 3,2 1.616 A200 Pretratamiento e Hidrólisis 17,4 8.676
A300 SSCF 8,8 4.420 A400 Producción de Celulasa 10,2 5.113 A500 Destilación 8,6 4.288 A600 Tratamiento de Aguas Residuales 6,9 3.431 A700 Almacenaje 1,2 594 A800 Caldera, Quemador, Turbogenerador 29,4 14.680 A900 Requerimientos 3,4 1.715 Costo Total de Equipos (US$ 1997) 89,1 44.533 Fuente: Elaboración propia
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Anexo 16: Gráfico del Precio de la Electricidad
Precio Electricidad SIC 45 40 35 $/kWh
30 25 Nominal 20 15 Energía
10
Precio 5 0 1982 1987 1992 1997 2002 2007
Año
Fuente: Elaboración propia con datos obtenidos del sitio web de la Comisión Nacional de Energía de Chile (CNE), consulta online en sitio web www.cne.cl
Anexo 17: Ajuste de Precios de Insumos Para otros insumos, que no fue posible cotizar, se toma como referencia el precio del estudio de WOOLEY, R. 1999, EE.UU., en el que los costos son en dólares de 1997, por lo que deben ser ajustados al 2007. El ajuste se realiza con los índices a los precios de los productos químicos de EE.UU. Tabla Índice de Precios de Químicos de EE.UU: BASE 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 82,1 83,5 85,2 90,2 91,7 93,6 95 93,3 100 101,4 105,7 108 110,3 110,8
Fuente: EIA Energy Information Administration136
136 Maneja las estadísticas oficiales de energía del Gobierno de EE.UU. sitio web: http://www.eia.doe.gov/
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Utilizando los precios de los insumos químicos de 1997 se obtienen los precios para 2007 con la siguiente expresión:
Donde: Pi= Precio año i IPQi= Índice de Precio de Químicos año i Los precios de insumos que se estimaron de esta forma son los siguientes: Tabla de Ajuste de precios de insumos: Ajuste de precios de insumos químicos US$ 1997 US$ 2007 Cal 0,07 0,09 licor de maíz 0,16 0,19 Nutrientes 0,29 0,36 Antiespumante (Aceite de maíz) 0,53 0,65 Otros Quimicos 2,38 2,93 Químicos y nutrientes de tratamiento de aguas 0,25 0,30 Deposito de solidos 0,02 0,03
Fuente: Elaboración propia.
Anexo 18: Análisis de Sensibilidad En la tabla se aprecia como varía la TIR (Tasa Interna de Retorno) al variar porcentualmente las principales variables. TIR variación % de Costo Materia Costo Inversión variables Precio Etanol Prima Inicial ‐20% 10% 16% 21% ‐10% 13% 16% 19% 0% 16% 16% 16% 10% 19% 17% 15% 20% 22% 17% 13%
Fuente: Elaboración propia
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Anexo 19: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$1.150/m3
Fuente: Elaboración propia
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Anexo 20: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$800/m3
Fuente: Elaboración propia
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Anexo 21: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$680/m3
Fuente: Elaboración propia
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Anexo 22: Flujo de Caja en MMUS$. Precio Etanol=US$600/m3
Fuente: Elaboración propia
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