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 3 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 6 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 9 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. 10