evaluación técnico-económica de calefacción distrital en punta arenas memoria para optar al título

283 Pages·2012·7.37 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

EVALUACIÓN TÉCNICO-ECONÓMICA DE CALEFACCIÓN
DISTRITAL EN PUNTA ARENAS

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
MECÁNICO E INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL

JOSÉ IGNACIO SEMINARIO CASTELBLANCO

PROFESOR GUÍA:
ROBERTO ROMÁN LATORRE

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
ROBERTO CORVALÁN PAIVA
JUAN PABLO ZANLUNGO MATSUHIRO
LUIS ZAVIEZO SCHWARTZMAN

SANTIAGO DE CHILE
OCTUBRE 2012
RESUMEN EJECUTIVO

Frente a los conflictos acontecidos durante el mes de enero del 2011
a raíz del anuncio de alza en el precio del gas natural residencial
en Punta Arenas, la preocupante disminución de las reservas de gas
natural, la configuración de la matriz energética regional y la
importancia que representa para los habitantes de la XII región la
calefacción de sus hogares, el objetivo del trabajo de título es
estudiar de manera técnica y económica la implementación de
calefacción distrital en la ciudad de Punta Arenas. La calefacción
distrital corresponde a un método centralizado de generación de calor
para un sector geográfico amplio con fines domésticos, tanto para
calefacción como generación de agua caliente sanitaria. Se considera
el análisis de distintas opciones de implementación de la tecnología:
cogeneración (generación simultánea de electricidad y calor),
implementación de centrales generadoras de calor y el aprovechamiento
de los calores residuales de la generación eléctrica en la ciudad. Se
selecciona un alcance geográfico de interés (2.614 hogares, dos
centros comerciales y el hospital regional) del cual se estima la
demanda de calor que atendería el sistema de provisión de calor. La
evaluación técnica comprende el dimensionamiento de equipos y su
selección a través de un proceso metodológico explícito cuya
pretensión es crear precedente para futuros estudios de calefacción
distrital. Mediante el desarrollo de herramientas de análisis PEST y
Cinco Fuerzas de Porter se establece que la implementación más
adecuada dado el contexto del mercado energético de la XII región es
la recuperación de gases de escape de la central termo eléctrica Tres
Puentes.
Se desarrolla un modelo de negocios para el sistema de calefacción
distrital a partir de la recuperación de gases de la central Tres
Puentes. La evaluación económica privada arroja un VAN de
aproximadamente -13,5 [Mill. US$] (20 años, 10%) para los tres
escenarios estudiados (venta de calor para calefacción exclusiva,
calor para calefacción y agua caliente sanitaria y una combinación de
los anteriores). No obstante lo anterior, el proyecto tiene potencial
de ser rentable frente a cambios de las condiciones actuales de
evaluación (cambio en matriz energética, adquisición de combustible
fuera de la región, aporte estatal al proyecto).

Se finaliza el trabajo de título con la formulación de
recomendaciones para un modelo de gobierno que establezca los
parámetros de comportamiento de los agentes involucrados en una
hipotética implementación de un sistema de calefacción distrital.

2
A mis padres

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Agradecimientos

A Dios y a su Santísima Madre, quienes hacen todo posible. Gracias Señor, gracias Madre
mía.

A mis padres, por darme todo.

A Carlos, por la hermandad.

A María José, por el amor, cariño y comprensión.

A mis amigos, por la alegría.

A todo el equipo de Gamma Ingenieros S.A., por el apoyo.

Gracias a todos.
4
Contenido

1. Introducción .................................................................................................................. 10
1.1. Prefacio .................................................................................................................. 10
1.2. Planteamiento del Problema ...................................................................................... 10
1.3. Objetivos .................................................................................................................... 11
1.3.1. Objetivo General ................................................................................................ 11
1.3.2. Objetivos específicos.......................................................................................... 11
1.4. Descripción del Proyecto y Justificación................................................................... 11
1.4.1. Descripción del Proyecto ................................................................................... 11
1.4.2. Justificación del Proyecto................................................................................... 12
1.5. Resultados Esperados ................................................................................................ 13
2. Antecedentes generales ................................................................................................. 13
2.1. Antecedentes Generales de Punta Arenas .............................................................. 13
2.1.1. Antecedentes Geográficos y Climáticos ......................................................... 13
2.1.2. Antecedentes Demográficos ........................................................................... 19
2.2. Antecedentes energéticos de la XII región ............................................................ 20
2.2.1. Combustibles .................................................................................................. 21
2.2.2. Eléctrico .......................................................................................................... 31
2.3. Conflicto del gas, enero de 2011............................................................................ 36
2.4. Calefacción Distrital .................................................................................................. 37
2.4.1. Equipos de calefacción actualmente utilizados en la región .......................... 37
2.4.2. Descripción de Sistema de Calefacción Distrital ............................................... 39
2.4.3. Motivaciones para la implementación de Calefacción Distrital......................... 40
2.4.4. Tecnologías y Alternativas de implementación ................................................. 42
Central generadora de calor........................................................................................... 42
Red de distribución........................................................................................................ 44
Central de vivienda........................................................................................................ 45
2.5. Marco Conceptual...................................................................................................... 47
2.6. Metodología ............................................................................................................... 48
2.7. Alcances..................................................................................................................... 50
3. Proyecto técnico: Implementación de calefacción distrital en Punta Arenas. ............... 51
3.1. Análisis y Consideraciones Preliminares .................................................................. 51
3.1.1. Oferta y demanda de combustible ...................................................................... 52
5
Combustibles y Fuentes de Energía .............................................................................. 52
3.1.2. Características de la Tecnología Disponible ...................................................... 57
Selección de Fluido Transportador de Calor ................................................................. 57
3.2. Determinación del rango geográfico del estudio ....................................................... 58
3.2.1. Rango geográfico de implementación ................................................................ 59
3.2.2. Consumidores potenciales incorporables a la red........................................... 64
3.2.3. Locación de central generadora de calor ........................................................ 66
3.3. Demanda de calor residencial para el alcance seleccionado ..................................... 66
3.3.1. Consideraciones y factores para el cálculo ........................................................ 66
Consideraciones y factores climáticos o externos para el cálculo ................................ 67
Consideraciones constructivas y de operación para el cálculo ..................................... 74
3.3.2. Confort Térmico de diseño ................................................................................. 88
3.3.3. Demanda de calor para generación de ACS ....................................................... 88
3.3.4. Resultados demanda térmica residencial ............................................................ 89
Demanda térmica bruta por vivienda ............................................................................ 89
Demanda térmica neta por vivienda .............................................................................. 90
Demanda térmica neta total de sectores en estudio. ...................................................... 91
3.3.5. Resultados demanda térmica recintos públicos .................................................. 93
Demanda térmica Hospital Clínico Regional ................................................................ 93
Demanda térmica Centros Comerciales ........................................................................ 94
Demanda térmica total recintos públicos ...................................................................... 97
3.3.6. Demanda térmica total ....................................................................................... 98
3.4. Dimensionamiento y selección de equipos del sistema ............................................. 98
3.4.1. Consideraciones preliminares ............................................................................ 98
Proyección de crecimiento suscriptores ........................................................................ 98
Factor de simultaneidad ................................................................................................ 99
Demanda/carga térmica de diseño ................................................................................. 99
Configuración y tipo de red ......................................................................................... 100
Selección de material de tubería.................................................................................. 105
Dimensionamiento de red............................................................................................ 107
Válvulas y bombas ...................................................................................................... 118
Otros componentes a considerar ................................................................................. 128
3.4.2. Dimensionamiento de central generadora de calor .......................................... 130
Recuperación de calor en gases de escape central Tres Puentes ................................. 130
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Central de cogeneración .............................................................................................. 135
Central generadora de calor a gas natural ................................................................... 136
Planta para el tratamiento de agua............................................................................... 136
3.4.3. Diseño de central de vivienda .......................................................................... 138
Tipos de instalaciones para calefacción ...................................................................... 140
Selección de equipos y materiales sistema hidrónico ................................................. 142
4. Proyecto económico .................................................................................................... 148
4.1. Inversión en red de distribución ........................................................................... 148
4.2. Inversión en equipos de red ................................................................................. 151
4.3. Costo de opciones de centrales generadoras de calor .......................................... 152
4.4. Costo de centrales de vivienda ............................................................................. 155
4.4.1. Costo de central de vivienda, casa Tipo ....................................................... 156
4.4.2. Costo de central de vivienda, casa Mejorada ............................................... 156
4.4.3. Costo de central de vivienda, casa EE .......................................................... 157
4.4.4. Costo total de adaptación de suscriptores residenciales a la red .................. 158
4.4.5. Inversión total ............................................................................................... 159
4.5. Modelo de negocios de sistema de calefacción distrital .......................................... 160
4.5.1. Análisis previo.................................................................................................. 160
Análisis PEST ............................................................................................................. 161
Análisis de Cinco Fuerzas de Porter .......................................................................... 170
Conclusión de análisis previo y selección de tecnología ............................................ 174
4.5.2. Modelo de negocios sistema de calefacción distrital mediante recuperación de
gases de escape de central de generación eléctrica Tres Puentes. .................................. 177
Segmentos de mercado ................................................................................................ 177
Proposiciones de valor ................................................................................................ 178
Canales ........................................................................................................................ 178
Relaciones con los clientes .......................................................................................... 178
Fuentes de ingreso ....................................................................................................... 179
Recursos clave ............................................................................................................. 179
Actividades clave ........................................................................................................ 180
Sociedades claves ........................................................................................................ 180
Estructura de costos ..................................................................................................... 180
Segmentos de mercado atendidos por servicio de calefacción distrital ...................... 182
Propuesta de valor del servicio de calefacción distrital .............................................. 182
Canales del servicio de calefacción distrital ............................................................... 184
7
Relaciones con clientes de servicio de calefacción distrital ........................................ 185
Fuentes de ingreso por servicio de calefacción distrital .............................................. 186
Recursos clave para servicio de calefacción distrital .................................................. 186
Actividades clave en la prestación de servicio de calefacción distrital ....................... 186
Sociedades clave para servicio de calefacción distrital ............................................... 187
Estructura de costos de servicio de calefacción distrital ............................................. 187
4.6. Evaluación económica ............................................................................................. 189
4.6.1. Consideraciones monetarias ............................................................................. 190
4.6.2. Inversión ........................................................................................................... 190
Inversión escenario 1 ................................................................................................... 190
Inversión escenario 2 y 3 ............................................................................................. 191
4.6.3. Ingresos ............................................................................................................ 191
Ingresos escenario 1 .................................................................................................... 192
Ingresos escenario 2 .................................................................................................... 193
Ingresos escenario 3 .................................................................................................... 193
4.6.4. Costos ............................................................................................................... 193
Costos de operación .................................................................................................... 194
Costos de mantención.................................................................................................. 194
Costos de la gestión del negocio ................................................................................. 195
4.6.5. Parámetros de flujo de caja .............................................................................. 196
Horizonte de evaluación .............................................................................................. 196
Tasa de descuento........................................................................................................ 196
Depreciación de activos .............................................................................................. 196
Impuestos .................................................................................................................... 197
4.6.6. Resultados de flujo de caja ............................................................................... 197
Conclusión de análisis de flujo de caja ....................................................................... 197
4.6.7. Análisis de sensibilidad de la evaluación económica del proyecto .................. 198
5. Modelo de gobierno del servicio de venta de calor por red distrital. .......................... 201
5.1. Ejemplos de modelos de gobierno ....................................................................... 201
5.1.1. Jühnde, Alemania ......................................................................................... 201
5.1.2. Copenhague, Dinamarca ............................................................................... 204
5.2. Formulación de modelo de gobierno para servicio de calefacción distrital......... 208
5.2.1. Esquema básico del funcionamiento de un servicio público ........................ 209
5.2.2. Objetivos del modelo de gobierno ................................................................ 211
8
5.2.3. Formulación .................................................................................................. 211
7. Recomendaciones y Conclusiones .............................................................................. 218
7.1. Recomendaciones ................................................................................................ 218
7.2. Conclusiones ............................................................................................................ 219
Bibliografía ......................................................................................................................... 224
Anexo A: Unidades Vecinales del Estudio......................................................................... 229
Anexo B: Detalles demográficos de Barrios en Estudio .................................................... 234
Anexo C: Demandas brutas térmicas de viviendas ............................................................ 239
Anexo D: Demandas netas térmicas de viviendas. Consumo total. ................................... 245
Anexo E: Cálculos en tuberías ........................................................................................... 250
Anexo F: Minutas de reunión ............................................................................................. 267
Anexo G: Evaluación económica ....................................................................................... 280
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1. Introducción
1.1. Prefacio

La calefacción distrital (o urbana) es un sistema de calefacción ampliamente extendido
mundialmente tanto por su eficiencia en el uso de los combustibles como por las ventajas
que presenta la generación energética centralizada para un distrito de suscriptores.
La ciudad de Punta Arenas, al ser una de las más australes del país, presenta un consumo de
combustible residencial muy por sobre el promedio nacional, explicado por las condiciones
geográficas y el consiguiente uso intensivo de calefacción, además de los bajos costos en el
gas natural. Esta alta demanda de combustibles hace re plantear los procedimientos con que
actualmente se realiza el acondicionamiento térmico de los hogares.
Por esto, resulta atractivo el estudio de nuevas tecnologías de calefacción, sobre todo
cuando han demostrado su eficiencia en diversas ciudades del mundo.
Frente a la oportunidad y novedad que representa la calefacción distrital en el país se
desarrolla el presente trabajo de título, el cual no está limitado a la evaluación de
factibilidad técnica, sino que además se hará cargo del modelo de negocios de un servicio
como este y del modelo de gobierno que lo regula. Con esto se aborda un trabajo de interés
para la ciudadanía y las autoridades.
1.2. Planteamiento del Problema
Las condiciones climáticas de la ciudad, unidas a su constante aumento poblacional
repercuten en un aumento sostenido e importante en el consumo de combustibles en la
ciudad de Punta Arenas.
El aumento sostenido en el consumo, sumado a precios por debajo del valor de mercado
para el gas natural han desincentivado las inversiones en exploración y explotación. Esta
situación ha determinado un aumento constante en las tarifas del gas natural, como así
mismo de un descenso progresivo en la reservas de combustibles de la región desde donde
la ciudad se abastece. Lo anterior repercutió en el conflicto del gas acontecido en el mes de
enero de 2011, tras los anuncios de aumento de tarifas.
Sumado a los esfuerzos que en la actualidad diversos organismos públicos desarrollan para
palear la situación, el estudio de nuevas formas de calefacción para la ciudad debe ser
desarrollado a fin de poderse concretar medidas a largo plazo en la solución de problemas.
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