11.1: Antecedentes para la evaluación económica del uso de biocombustibles

11.1 Antecedentes para la evaluación económica del uso de biocombustibles

Esencialmente, soy un gran proponente del uso de combustibles alternativos, ya que creo que son necesarios para nuestro medio ambiente. No obstante, para convencer a otros de los beneficios ambientales, también debemos tener beneficios económicos. El uso de biocombustibles en la generación de energía debe ser competitivo con el carbón y el gas natural, y el uso de combustibles alternativos en el transporte debe ser económicamente competitivo con la refinación de petróleo crudo. En la siguiente sección se proporcionan métodos para evaluar la economía de las instalaciones energéticas.

Hay un valor temporal del dinero. El poder adquisitivo del dinero está disminuyendo continuamente, hay inflación y los inversionistas quieren un aumento en su inversión más allá de la inflación. Hay formas de rastrear el valor temporal del dinero, y esto se hace a través del cálculo de los índices de precios anuales. El Índice de Precios al Consumidor (IPC) es una medida del costo general de vida, mientras que el Índice de Precios al Productor (IPP) es una medida del costo de los bienes y otros gastos necesarios para mantenerse en el negocio. En el Cuadro 1 se muestra el IPC y el PPI para Estados Unidos y el IPC para el Reino Unido de 1997-2010.

Cuadro 11.1: Índice de Precios al Consumidor e Índice de Precios al Productor para Estados Unidos, e Índice de Precios al Consumidor para Reino Unido. Fuentes: “Ingeniería de Sistemas Energéticos” (F. Vanek, L. Albright y L. Angenent; McGraw-Hill).

Año	CPI, ESTADOS UNIDOS	PPI, ESTADOS UNIDOS	CPI, REINO UNIDO
1997	87.4	95.5	96.3
1998	94.7	94.7	97.9
1999	96.7	96.4	99.1
2000	100.0	100.0	100.0
2001	102.8	102.0	101.2
2002	104.5	100.7	102.5
2003	106.9	103.8	103.9
2004	109.7	107.6	105.3
2005	113.4	112.8	107.4
2006	117.1	116.2	109.9
2007	120.4	120.7	112.5
2008	125.0	128.3	116.5
2009	124.6	125.1	119.0
2010	126.7	n/a	123.0

Indexado al año 2000 = 100

Nota: El valor de PPI 2010 para EE.UU. no está disponible a la hora libro fue a la prensa

Fuente de datos como se cita en Ingeniería de Sistemas Energéticos: US Bureau of Labor Statistics (2011) para datos de USA; UK National Statistics (2011).

Ejemplo 11-1 Factor de IPC y PPI (del libro ESE)

Un modelo particular de automóvil cuesta $17,000 en 1998, y $28,000 en 2005, dados en dólares corrientes por cada año. ¿Cuánto valen cada uno de estos valores en dólares constantes de 2002? Utilice los valores de IPC de Estados Unidos de la Tabla 1.

Los valores de la tabla se utilizan para corregir los dólares constantes de 2002, por $17,000 en dólares de 1998, y $28,000 en dólares de 2005, respectivamente.

\($17,000 × \dfrac{(104.5)}{(94.7)} = $18,763\)

\($28,000 × \dfrac{(104.5)}{(113.4)} = $24,986\)

Si se van a financiar proyectos energéticos, los costos y ganancias previstas para estos proyectos deben valorarse para una fecha posterior y compararse con la opción de mantener dinero en ahorros o inversiones. Un método para incluir el costo real del dinero en el futuro es el descontar. Al descontar, los fondos actuales se proyectan hacia el futuro, sabiendo que el dinero de hoy vale menos en el futuro debido a la inflación. También se definen otros términos:

• Plazo del proyecto: Horizonte de planeación sobre el cual se evalúa el flujo de caja — típicamente el valor de los años N se divide sobre el proyecto.
• Costo inicial: Un gasto de tiempo al inicio del primer periodo compuesto.
• Anualidad: Incremento anual del flujo de caja relacionado con el proyecto — puede ser positivo o negativo.
• Valor de salvamento: Flujo de caja positivo una vez al final del horizonte de planeación del proyecto, debido a la venta de activos en condición real al final.

Los proyectos pueden ser evaluados sin descontar. No vamos a discutir el descuento más allá de esta parte porque no quiero dedicar demasiado tiempo a descontar —podemos mirar proyectos energéticos sin él. También se ignora el descuento para proyectos con vidas cortas. Estos proyectos más cortos se evalúan con lo que se llama una simple recuperación de la inversión, y este es el método en el que nos enfocaremos. Los factores en la simple recuperación de la inversión incluyen:

• sumar todos los flujos de efectivo dentro y fuera del proyecto;
• esto se conoce como valor presente neto (VAN);
• si el VPN es positivo, el proyecto es financieramente viable;
• punto de equilibrio: el año en que las anualidades totales del proyecto superan los costos iniciales.

También hay terminología para proyectos energéticos. Uno de esos valores se llama el Factor de Recuperación de Capital (CRF). Esto se aplica a la generación de electricidad. Es una medida utilizada para evaluar la relación entre el flujo de caja y el costo de inversión. Esto se puede aplicar a inversiones a corto plazo (es decir, un proyecto que se lleva a cabo a lo largo de 10 años o menos).

El costo de capital anual (ACC) se puede determinar a partir de la siguiente ecuación (1) y el CRF se puede determinar a partir de ACC y VPN mostrados en la ecuación (2):

(1) ACC = anualidad — NPV/N, donde el VAN es el valor presente neto y N es el número de años.

(2) CRF = ACC/NPV

El Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) recomienda un valor máximo de CRF de 12%.

Entonces, ¿cómo se pueden evaluar los proyectos energéticos para determinar su viabilidad financiera? Hay múltiples formas — la más común es el método de valor actual (PW). Este método toma en cuenta el descuento de dinero. Para el método del valor actual, todos los elementos del análisis financiero se descuentan de nuevo al valor actual. Esto toma en cuenta los elementos positivos y negativos del flujo de caja resumidos. Si el VPN es positivo, sería un proyecto financieramente atractivo. En este método, se elegiría una tasa de rendimiento mínima atractiva (MARR) (algo así como una tasa de interés). El ejemplo 11-2 primero analiza un VPN de recuperación de la inversión simple. Si bien no espero que sepas descontar, esperaré que sepas que puede afectar el costo de un proyecto, como se sugiere en el siguiente ejemplo.

Ejemplo 11-2 Valor neto de una planta (del libro ESE)

Un municipio está considerando una inversión en un sistema energético a pequeña escala que costará 6.5 millones de dólares para instalar, para luego generar una nueva anualidad de $400.000/año por 25 años, con un valor de salvamento al final de $1 millón. Calcule el patrimonio neto del proyecto utilizando un enfoque simple de recuperación de la inversión.

Anualidad= +$400,000 por año

N = 25 años

Valor de salvamento = $1,000,000

Costo de instalación = $6,500,000

VAN = valor total de anualidades + valor de salvamento — costo de instalación

NVP = (25·$400,000) + $1,000,000 − $6,500,000 = $4,500,000

Esto parece que el proyecto es un buen negocio.

No obstante, si en esto se incluyera el descuento, habría un factor para reducir el valor de las anualidades para los 25 años, por lo que el valor de salvamento se reduciría en un factor significativo. Estos factores se basarían en un parámetro llamado tasa mínima de rendimiento atractivo (MARR) —si el MARR es del 5%, este proyecto no sería viable.

Otro parámetro que se puede utilizar es el llamado método de relación beneficio-costo (B/C). Este es un método que es una relación de todos los beneficios del proyecto a todos los costos. Si la relación B/C es mayor a 1, el proyecto es aceptable. Cuando la relación B/C es inferior a 1, el proyecto es inaceptable. Si el valor de B/C es cercano a 1, puede ser necesario reevaluar el proyecto para ver si cambios menores lo harían aceptable. La ecuación convencional de la relación B/C se muestra en la ecuación (3).

(3) B/C = Beneficios totales/(Costo inicial + Costos operativos)

Ejemplo 11-3 Relación Beneficio a Costo

Tomemos el ejemplo en 11-2. En la Parte a, calcularemos el B/C para la inversión utilizando el método simple de amortización. En la Parte b, agregaremos $50,000/año en costos operativos por 25 años.

1. Los beneficios totales incluyen:

Ingresos (anualidad mayor de 25 años) $400,000 x 25 = $10,000,000

Salvar $1,000,000

Costos totales = $6,500,000

\(B/C = \dfrac{\text{Total benefits}}{\text{Total costs}} =\dfrac{\text{Annuity + Salvage}}{\text{Total costs}} = \dfrac{$10,000,000 + $1,000,000}{$6,500,000}\)

\(B/C = 1.69\)

2. Ahora agregaremos los costos operativos por 25 años

25 x 50.000$ = $1,250,000

\(B/C = \dfrac{$11,000,000}{$6,500,000+$1,250,000} = 1.42\)

Por lo que los costos de operación pueden influir en los costos.

El descuento también influirá en los costos, tal vez hasta el punto de que el proyecto no sería viable.

El último factor que veremos es el Costo Levelizado de la Energía. Este es un método que incorpora el papel tanto de los costos de capital iniciales como de los costos continuos. El costo levelizado se determina por unidad de producción de energía. Por lo tanto, todos los factores de costo se combinan en una medida de costo por unidad. Necesitamos una producción promedio prevista de electricidad en kWh y una suma de todos los costos anuales, dividida por la producción anual (ver ecuación 4):

(4) Costo desmesurado = (Costo total anual)/(producción anual)

Costo anual total = costo de capital anualizado + costo operativo + retorno de la inversión (ROI)

La producción anual es en kWh

Ejemplo 11-4 Costo Levelizado de Energía

Entonces, ahora continuaremos con el Ejemplo 11-3 e ingresaremos la información en una fórmula para examinar el Costo Levelizado de la Energía. Esta planta produciría 2.6 millones de kWh al año.

Ingresos por año $400,000

Salvar $1,000,000

Costos totales = $6,500,000

$50,000/año costos operativos por 25 años

Entonces, lo primero que hay que hacer es determinar los costos generales sobre una base anual —recordemos que no estamos descontando en absoluto, estamos haciendo un método simple de recuperación de la inversión.

Costos anuales

= Ingresos/año — Gastos de operación/Año + (Salvamento — Costos iniciales) /25 años

= $400,000 — $50,000 + ($1,000,000 - $6,500,000) /25

= $130,000 por año

Costos desmontables = $130,000/2.6 millones de kWh

= $0.050/kWh

El precio promedio de la energía eléctrica en Estados Unidos en 2004 para todo tipo de clientes fue de 0.0762 dólares, esto no ha cambiado drásticamente en el año en curso. Por lo tanto, con una planta de este tamaño, esta sería competitiva en EU.

Otro aspecto que hay que considerar son los costos directos frente a los costos y beneficios externos. Los costos directos incluyen costos de reembolso de capital y costos operativos. Los costos operativos incluyen los costos de suministro de energía, mano de obra y mantenimiento. Sin embargo, también hay costos externos que a veces se llaman gastos generales. Estos costos incluyen el cuidado de la salud y la pérdida de productividad debido a la contaminación. Los beneficios directos incluyen ingresos por la venta del producto y servicios. Los beneficios externos incluyen beneficios para el entorno local o el uso de tecnología energética inusual, que podría incentivar a los visitantes de la empresa.

Los costos son importantes, pero al usar biocombustibles, también esperamos un beneficio para el medio ambiente. Entonces, ha habido intervenciones en inversiones energéticas con fines sociales. Esperamos que la forma alternativa de energía sea la energía “limpia”. Esto significa que puede haber intervención en el mercado debido al beneficio social potencial, que suele ser realizado por el gobierno. La intervención del gobierno puede ser a nivel local, estatal y federal. ¿Por qué hacer esto? Es porque no podemos poner un “valor” al beneficio social, y da a las tecnologías incipientes la oportunidad de crecer en volumen de ventas para permitir la competencia en el mercado. Por ejemplo, durante muchos años se otorgaron subsidios gubernamentales a la producción de etanol a partir del maíz, y ahora el etanol del maíz en EU es el método más viable de producción de etanol (los datos se presentarán al respecto en la siguiente sección).

Hay más de un método de intervención. Un mecanismo de apoyo es apoyar la investigación y el desarrollo (I+D). El apoyo suele provenir del gobierno, pero la industria también puede participar para que no estén apoyando el financiamiento por su cuenta. El gobierno también puede apoyar la instalación comercial y los sistemas operativos. Esto puede ser en forma de costos directos, créditos fiscales y recompra de tasas de interés.

La mayor parte de nuestra discusión hasta el momento ha sido sobre los sistemas eléctricos. Pero, ¿cómo evaluamos la producción de biocombustibles y la viabilidad económica? Hay dos métricas que se utilizan: 1) relación de balance energético neto y 2) evaluación del ciclo de vida. La relación de balance energético neto es una métrica para comparar los sistemas de bioenergía. Es una relación para comparar la energía disponible para el consumo con la energía utilizada para producir el combustible. Entonces, por ejemplo, ¿cómo podríamos ver el etanol? El portador de energía en sí es el etanol. Sin embargo, la energía se consumió para cultivar, cosechar y procesar el maíz para producir el etanol. Esto se conoce como energía para producir. La relación se vería así:

(5) NEB = Energía del combustible/ Energía para producir

Si la relación NEB es mayor a 1, hay más energía disponible para el consumo de la que se utiliza para producir el biocombustible. Si la relación NEB es inferior a 1, entonces se requiere más energía para producir el combustible de la que está disponible en el combustible para su consumo, lo que hace que el proyecto sea poco atractivo. Esta es una buena métrica para el debate, pero no es un parámetro de lo que puede estar solo.

La otra métrica es la evaluación del ciclo de vida (ACV). Es un método de evaluación del producto que considera todos los aspectos del ciclo de vida del producto. Una forma de expresarlo es un análisis de cuna-a-tumba. Para los biocombustibles en el transporte, podría ser planta/cosecha a ruedas. En la industria petrolera, se le conoce como well-to-wheels.

Ejemplo 11-5 Muestra cómo se determinan el NEB y el ACV

Hay dos fincas que cultivan maíz para producir etanol. La Granja A se encuentra a 40.2 km de la planta de etanol. Granja A vende maíz por $289.36 por tonelada métrica. La Granja B está a 160.0 km de la planta de etanol, y el maíz se vende por $284.02 por tonelada métrica. Otros datos:

La carga del camión puede transportar 10.9 toneladas métricas (500 bushels)

Camión emite 212.3 g CO ₂ eq/tonelada métrica/km (310 g CO ₂ eq/ton-milla)

La planta necesita 130.6 toneladas métricas por año (6000 bushels/año)

El camión pesa 9.1 toneladas métricas vacías

Necesidades de las plantas: 130.6 toneladas métricas/año @ 10.9 toneladas métricas

= 12 camiones al año

Para las dos granjas, examine las dos granjas, tanto para la economía como para las emisiones de GEI.

Granja A

• Retorno económico
  • 130.6 toneladas métricas/año ($289.36) =$37.800/año
• Transporte
  • 40.2km (12 viajes/año) = 482.4km/año
• GEI
  • Camión vacío: 482.4km/año (9.1 toneladas métricas) (212.3 CO2eq/tonelada métrica/km) = 0.93 MgCO2eq
  • Camión completo: 482.4km/año (20 toneladas métricas) (212.3 CO2eq ton-km) = 2.05MgCO2eq
  • Total 2.98 Mg CO ₂ eq

Granja B

• Retorno económico
  • 130.6 toneladas métricas/año ($248.02) = 32.400/año
• Transporte
  • 160.9 km (12 viajes/año) = 1930.8km/año
• GEI
  • Camión vacío: 1930.8 km/año (9.1 toneladas métricas) (212.3 CO2eq/tonelada métrica/km) = 3.72mgCO2eq
  • Camión completo: 1930.8 km/año (20 toneladas métricas) (212.3CO2eq ton-km) = 8.18mgCO2eq
  • Total 11.90 Mg CO ₂ eq

Como se puede ver, la Granja A produce un mejor retorno económico. Y también saca menos CO ₂ eq también, por lo que la Granja A es la mejor planta para proporcionar materia prima.

También queremos determinar la productividad de combustible por unidad de tierras de cultivo por año. Esto se debe hacer antes de elegir un cultivo regional. Tenga en cuenta que, dependiendo de la ubicación, la luz solar proporciona 100-250 W/m ²; sin embargo, menos del 1% está disponible en almidones y aceites como materia prima para la conversión a combustible. La investigación se ha centrado en la conversión de biomasa lignocelulósica (biomasa entera) y la utilización de toda la planta para producir combustible y/o productos de valor agregado, la economía mejora en estas condiciones. También se deben incorporar datos sobre cambios en la tierra, especialmente si se está cambiando la tierra para sostener un programa de biocombustibles a gran escala. Por ejemplo, si se retira una selva tropical o turberas para hacer espacio, el material de la tierra normalmente se quema, agregando CO ₂ a la atmósfera antes incluso de iniciar el sistema.

Entonces, ¿cuál es la relación NEB de etanol? Al principio de la conversión de maíz a etanol, la relación fue positiva, pero no una proporción muy alta — 1.25. Sin embargo, evaluaciones recientes muestran una mejora de la NEB de 1.9-2.3. Y si el combustible utilizado para hacer funcionar la planta que produce el etanol es 50% de biomasa, el NEB es 2.8, casi 3. Y verás en la economía, la producción de etanol es económica. El problema surge cuando bajan los precios del petróleo, como en los últimos meses; la producción de etanol es menos económica.

Entonces, ¿qué pasa con la relación NEB de biodiesel? Cuando se compara con el NEB de etanol, en etapas tempranas de producción de biocombustibles, la relación NEB de biodiesel fue de 1.9 cuando se incluyen los coproductos. Es mayor porque la producción de biodiesel requiere menores requerimientos de energía durante el procesamiento, principalmente porque se requiere menos destilación. El único inconveniente de la producción de biodiesel es que los GEI contienen N ₂ O, por lo que el uso de biodiesel tiene ~ 60% de emisiones de petrodiesel en lugar de ser neutro. Otro tema para el biodiesel es que la soya sufre como cultivo debido a los menores rendimientos por superficie terrestre en comparación con el maíz. En el Ejemplo 11-6 se muestra el cálculo de la relación NEB de la soja al biodiesel.

Ejemplo 11-6 Calcular la relación de energía disponible en el biodiesel resultante con respecto al aporte de energía total

¿El biodiesel proporciona más energía de la que consume?

• Cada galón de biodiesel requiere 7.7 lbs. de soja como materia prima
• Acre rinde ~452 lbs. de soja
• Asumir biodiesel puro
• Supongamos que un galón de biodiesel contiene 117,000 Btu neto

Insumos agrícolas

Entrada	Energía (1000 Btu)
Combustibles	1025
Fertilizante	615
Energía encarnada	205
Todos los demás	205

Insumos de la planta: Por 1000 lbs. de Soja

Entrada	Energía (1000 Btu)
Calor y electricidad de proceso	1784
Energía encarnada	595
Transporte	297
Todos los demás	297

Solución:

• Energía para producir biodiesel
  • 452 lbs. soja/acre\(\dfrac{\text{1gal biodiesel}}{\text{7.7lbs soy}}\) = 58.7
  • 452lbs. soja/acre (2973)\(\dfrac{\text{1000Btu}}{\text{1000lbs. soy}}\) = 1.34×10 ⁶ BTU/acre
  • 2.050×10 ⁶ BTU/acre + 1.34×10 ⁶ BTU/acre = 3.39×10 ⁶ BTU/acre
• Energía fuera del biodiesel producido
  • 117,000BTU/gal (58.7gal/acre) = 6.87×10 ⁶ BTU/acre
  • NEB=\(\dfrac{6.87×10^6\text{Btu/acre}}{3.39×10^6\text{Btu/acre}}\)
• = 2.02

Este 2.02. Un NEB típico para la producción de biodiesel es de ~1.9 a tan alto como 2.8.

Entonces, ¿se están consumiendo etanol y biodiesel en nuestro suministro actual de combustible? Sí, lo son, pero en parte debido a un mandato de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de usar combustible oxigenado en una mezcla con gasolina y combustible diesel. Aproximadamente el 10% del suministro de gasolina es etanol, mientras que en el diesel, se estima que el diesel vendido contiene ~ 5-6% de biodiesel.