primera aproximaciÓn al diseÑo de una planta para
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PRIMERA APROXIMACIÓN AL DISEÑO DE UNA PLANTA PARA
COGENERACIÓN ENERGÉTICA A TRAVÉS DE LA
METANOGÉNESIS DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE
RESTAURANTE
Proyecto de grado por
ISAAC ENRIQUE PÉREZ BORDA
Universidad de los Andes
Proyecto de grado presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar por el
título de
INGENIERO QUÍMICO
Enero de 2015
Departamento de Ingeniería Química,
Facultad de Ingeniería
Primera aproximación al diseño de una planta para cogeneración energética a través de la
metanogénesis de residuos orgánicos de restaurante
Copyright 2013 Isaac Enrique Pérez Borda
PRIMERA APROXIMACIÓN AL DISEÑO DE UNA PLANTA PARA
COGENERACIÓN ENERGÉTICA A TRAVÉS DE LA
METANOGÉNESIS DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE
RESTAURANTE
Proyecto de grado por
ISAAC ENRIQUE PÉREZ BORDA
Universidad de los Andes
Proyecto de grado presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar por el
título de
INGENIERO QUÍMICO
Aprobado por:
Asesor: Rocío Sierra, PhD Co-Asesor: Juan Camilo González, M. Sc. Jurado: Felipe Muñoz Giraldo, PhD Jefe de departamento Oscar Álvarez, PhD
Departamento de Ingeniería Química
Facultad de Ingeniería
iii
RESUMEN
Primera aproximación al diseño de una planta para cogeneración energética a través de la
metanogénesis de residuos orgánicos de restaurante (Junio de 2014)
Isaac Enrique Pérez Borda, Universidad de los Andes, Colombia
Asesora: Rocío Sierra, PhD.
La problemática de basuras es de suma importancia en el ámbito mundial; sin embargo
cobra especial prevalencia en el territorio colombiano, donde más del 90% de los residuos
municipales se disponen en rellenos sanitarios. Una de las alternativas más atractivas para la
solución de este problema es la cogeneración de energía térmica y eléctrica a partir de la
combustión de biogás producto de la fermentación de los residuos. Para optimizar los recursos y
esfuerzos investigativos en el desarrollo de una eventual planta que emplee este proceso, es
necesario realizar una aproximación al diseño básico y conceptual de la misma. Esto incluye una
revisión de literatura al respecto de todos los procesos relacionados con el mismo, además de
simulaciones en el software Aspen Plus®, para obtener la configuración de equipos y balances de
materia y energía del sistema, para construir un diagrama de flujo de proceso (PFD) de la planta.
Finalmente, se presenta una estimación de los costos de capital asociados a la instalación de la
planta, junto con un cálculo de los costos e ingresos para dos capacidades de planta distintas,
finalizando con un análisis de inversión sobre la viabilidad de una planta como se presenta.
Palabras Clave: diseño conceptual y básico de planta, fermentación de residuos alimenticios,
biogás, costo de capital de planta, análisis de inversión.
iv
ABSTRACT
First approximation to the design for a heat and power generating plant from the methanogenesis of
restaurant organic residue (June 2014)
Isaac Enrique Pérez Borda, Universidad de los Andes, Colombia
Advisor: Rocío Sierra, PhD.
The solid waste problem is of the utmost importance in the world stage; however, it takes
special prevalence in Colombian territory, where over 90% of municipal refuse is disposed in
landfills. One of the most attractive alternatives to solve this problem is thermal and electrical
energy co-generation from biogas combustion, produced by fermentation of food waste. In order to
research resources and effort, it is needed to perform an approximation to basic and conceptual
design for an eventual plant that employs this process. This includes extensive literary review about
all processes that make up the plant, along with simulation on the Aspen Plus ® software in order to
obtain the equipment configuration, and plant-wide mass and energy balances, thus being able to
complete a process flow diagram (PFD). Finally, an estimation of capital cost, operating cost and
income for two different plant capacities, finishing with an investment analysis on such a plant.
Key words: conceptual and basic plant design, food waste fermentation, biogas, capital cost,
investment analysis.
v
AGRADECIMIENTOS
Agradezco primero al Creador de todas las cosas, a mi madre Ingrid, mi tío Josué y a mi
abuelita Ruth, a mi padre, a mi abuelo y a mi abuela ya fallecidos, por su constante apoyo, soporte,
paciencia y determinación; no estaría donde estoy si no fuera por ustedes, sus enseñanzas, y sobre
todo por su amor.
A la Dra. Rocío Sierra por su acompañamiento, consejo, confianza y ejemplar e infinita
paciencia conmigo. Gracias por creer en mí y mis capacidades, y por imprimir en mí una gran
pasión por las energías alternativas y el desarrollo sostenible, junto con la perseverancia y constante
trabajo de la que ella es y ha sido ejemplo.
Junto a ella, quiero agradecer a Juan Camilo González, mi co-asesor quien hizo aportes
sumamente importantes al desarrollo de este proyecto, y no se pudiera haber terminado de no ser
por su ayuda. A mi jurado, el Dr. Felipe Muñoz, por su consejo y realimentación positiva, y por
demostrar un interés genuino en los resultados duraderos de este proyecto.
Por último, agradecerle a una persona que conocí durante la realización de este proyecto, y
quien me brindó su cariño, y comprensión durante y después de la culminación del mismo. Te
agradezco infinitamente, Daniela.
vi
NOMENCLATURA
PFD Diagrama de flujo de proceso
kW Kilovatio
UPME Unidad de Planeación Minero-Energética
IVA Impuesto al Valor Agregado
WTE Desperdicio a energía
CHP Co-generación de Calor y Energía
MESH Modelo para columnas de absorción
kPa Kilopascal
HRT Tiempo de retención hidráulica.
𝑃𝑀 Potencia del mezclador
𝑉 Volumen del fermentador
vii
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ........................................................................................................................................ iii
ABSTRACT ...................................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................... v
NOMENCLATURA ......................................................................................................................... vi
TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................................. vii
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................... xi
LISTA DE TABLAS ....................................................................................................................... xii
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
1.1 Contexto y justificación del problema ............................................................................. 1
1.2 Legislación colombiana, restricciones e incentivos ......................................................... 5
1.2.1 Normatividad y restricciones....................................................................................... 5
1.2.2 Incentivos .................................................................................................................... 6
1.3 Plantas de tratamiento de residuos orgánicos para la producción de biogás .............. 8
1.3.1 Contexto internacional y viabilidad económica .......................................................... 8
1.3.2 Producción de biogás: técnicas y tecnologías ............................................................. 9
1.3.3 Sistemas de purificación y mejoramiento del biogás ................................................ 12
1.3.4 Producción de energía térmica y eléctrica a partir de biogás .................................... 16
2. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 20
3. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 21
viii
3.1 Revisión de literatura ...................................................................................................... 21
3.1.1 Pretratamiento ........................................................................................................... 21
3.1.2 Fermentación ............................................................................................................. 21
3.1.3 Purificación de la corriente de gases obtenida en la fermentación ............................ 22
3.1.4 Combustión y ciclo de vapor ..................................................................................... 22
3.2 Obtención de balances de materia y energía ................................................................. 23
3.2.1 Modelos de propiedades ............................................................................................ 23
3.2.2 Etapas de pretratamiento y fermentación .................................................................. 23
3.2.3 Etapa de purificación del biogás ............................................................................... 23
3.2.4 Combustión y ciclo de vapor ..................................................................................... 24
3.2.5 Bombas, compresores e intercambiadores de calor ................................................... 25
3.2.6 Variables de inicialización ........................................................................................ 26
3.3 Dimensionamiento y costeo de equipos ......................................................................... 26
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................................................ 27
4.1 Descripción del proceso de producción de biogás: condiciones y parámetros ........... 28
4.1.1 Pretratamiento ........................................................................................................... 28
4.1.2 Fermentación ............................................................................................................. 29
4.2 Purificación y tratamiento del biogás ............................................................................ 35
4.2.1 Descripción y especificación del proceso ................................................................. 35
4.2.2 Dimensionamiento de la columna de absorción ........................................................ 36
4.2.3 Flash de recuperación ................................................................................................ 37
4.3 Ciclo de generación de energía ....................................................................................... 38
ix
4.3.1 Capacidad y especificaciones de las turbinas ............................................................ 38
4.3.2 Especificación de las calderas ................................................................................... 38
4.3.3 Servicios del ciclo de vapor....................................................................................... 39
4.4 Equipos auxiliares, servicios y balance de energía térmica y eléctrica ....................... 39
4.5 Diagrama de flujo de proceso (PFD) ............................................................................. 40
4.5.1 Lazos de control básicos y sistemas de alivio ........................................................... 40
4.5.2 Balances de materia y energía ................................................................................... 41
4.6 Análisis de costo de capital y viabilidad de inversión .................................................. 41
4.6.1 Costeo de equipos ...................................................................................................... 41
4.6.2 Uso y costo de servicios, costos variables ................................................................. 43
4.6.3 Costos fijos ................................................................................................................ 44
4.6.4 Ventas ........................................................................................................................ 45
4.6.5 Análisis de inversión, y viabilidad de planta. ............................................................ 46
5. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ......................................................................... 51
6. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA ................................................................................... 53
ANEXO 1 ......................................................................................................................................... 56
ANEXO 2 ......................................................................................................................................... 57
ANEXO 3 ......................................................................................................................................... 58
ANEXO 4 ......................................................................................................................................... 70
ANEXO 5 ......................................................................................................................................... 73
ANEXO 6 ......................................................................................................................................... 77
ANEXO 7 ......................................................................................................................................... 79
x
ANEXO 8 ......................................................................................................................................... 80
ANEXO 9 ......................................................................................................................................... 81
ANEXO 10 ....................................................................................................................................... 83
ANEXO 11 ....................................................................................................................................... 85
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Distribución de sistemas de disposición final - año 2011 .................................................... 2
Figura 2. Residuos discriminados por tipo para la ciudad de Bogotá D.C. ......................................... 3
Figura 3. Rutas de aprovechamiento de residuos alimenticios de WOK® de acuerdo a la
investigación realizada. ..................................................................................................... 4
Figura 4. Antecedentes legales de los incentivos tributarios. .............................................................. 7
Figura 5. Planta de producción de Biogás a partir de residuos. ........................................................ 10
Figura 6. Diferentes tecnologías de digestores usados en sistemas húmedos. .................................. 12
Figura 7. Diagrama simplificado del proceso de absorción en contracorriente. ............................... 14
Figura 8. Diagrama del proceso de lavado con agua a alta presión. ................................................. 15
Figura 9. Diagrama de bloques para el proceso THIOPAQ .............................................................. 17
Figura 10. Capacidad y eficiencia de las tecnologías de generación de energía eléctrica. ............... 18
Figura 11. Utilización del calor generado dentro de una planta de CHP. ......................................... 19
Figura 12. Resumen de la metodología empleada en el proyecto ..................................................... 22
Figura 13. Mecanismo detallado de la producción de metano a partir de residuos ........................... 30
Figura 14. Un ejemplo de sistema de fermentación de dos etapas .................................................... 31
Figura 15. Diagrama del proceso de purificación de biogás ............................................................. 36
xii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades de los residuos alimenticios ............................................................................ 29
Tabla 2. Dimensionamiento de los fermentadores ............................................................................ 32
Tabla 3. Parámetros térmicos de los fermentadores .......................................................................... 33
Tabla 4. Requerimientos energéticos para cada uno de los fermentadores ....................................... 33
Tabla 5. Costos de fermentadores ..................................................................................................... 34
Tabla 6. Fracciones de recuperación de compuestos de importancia en la purificación del biogás.
Valores en porcentaje. ........................................................................................................ 36
Tabla 7. Resultados del dimensionamiento y evaluación del empaque de la columna de absorción 37
Tabla 8. Resultados de los separadores flash .................................................................................... 37
Tabla 9. Resumen de las turbinas ...................................................................................................... 38
Tabla 10. Flujos de entrada a las calderas ......................................................................................... 38
Tabla 11. Resumen equipos adicionales y servicios ......................................................................... 40
Tabla 12: Valores para el CE Plant Cost Index ................................................................................. 42
Tabla 13. Costo de equipos e inversión de capital total .................................................................... 42
Tabla 14. Consumo de electricidad ................................................................................................... 43
Tabla 15. Precios de los servicios ..................................................................................................... 44
Tabla 16. Consumo monetario de servicios ...................................................................................... 44
Tabla 17. Costos fijos para las dos plantas ........................................................................................ 45
Tabla 18. Ventas de electricidad de las plantas ................................................................................. 46
Tabla 19. Suposiciones y parámetros del análisis de inversión......................................................... 46
Tabla 20. Parámetros económicos generales de las plantas; valores en USD ................................... 47
Tabla 21. Indicadores económicos sin tener en cuenta el valor del dinero en el tiempo .................. 48
xiii
Tabla 22. Indicadores de viabilidad de inversión teniendo en cuenta el valor del dinero en el tiempo
........................................................................................................................................................... 48
1
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Contexto y justificación del problema
Una problemática importante que se encuentra con frecuencia en el ámbito mundial, es la
de la producción y posterior manejo de los desperdicios producto de la actividad humana;
problemática que continúa sin tener una respuesta definitiva. Por ejemplo, en el ámbito de los
residuos sólidos municipales, se estima que en 2012, se producían 1.3 miles de millones de
toneladas al año, y a pesar de que una porción de los mismos eventualmente es reciclada o
aprovechada de cierta forma, la vasta mayoría continúa causando preocupación en diversos sectores
tanto estatales como privados. (Worldwatch Institute, 2012)
En Estados Unidos, los principales tipos de residuos producidos por la actividad humana
son los residuos alimenticios –porción sólo superada por la parte correspondiente a residuos de
papel y cartón– además de que sólo el ~35% del total fueron recuperados, bien sea por reciclaje o
compostaje. A diferencia de la mayoría de los residuos provenientes de papel y cartón, hasta el
momento la reducción del impacto ambiental causado por los residuos alimenticios es limitada. En
la mayoría de los casos la opción más económicamente viable es su disposición en rellenos
sanitarios o su incineración junto con el resto de desperdicios no recuperados, con el impacto
ambiental que estas opciones generalmente acarrean. (United States Environmental Protection
Agency (EPA), 2012).
En el contexto nacional, se encontró que “la cantidad de toneladas dispuestas por 1,098
municipios del territorio nacional genera un promedio diario de 26,537 toneladas de residuos
sólidos, un 8% más con relación a lo generado en el año 2010, que corresponde a 24,603 ton/día”
(Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios - SSPD, 2011). Este incremento, sumado al
hecho de que en el 2011 se registró en el mismo estudio que el ~94% de estos residuos se disponen
en rellenos sanitarios, desemboca en un problema fundamental, que involucra las consecuencias de
2
manejar casi la totalidad de las basuras en depósitos de una capacidad limitada. Del ~6% restante,
sólo un ~1% del total se lleva a una planta integral de procesamiento de residuos sólidos,
demostrando el mínimo avance que se ha desarrollado en el país en materia de tratamiento
alternativo de esta clase de residuos. La distribución total del destino de los residuos sólidos se
puede encontrar en la Figura 1, la cual incluye formas bastante más problemáticas de disposición de
los residuos sólidos.
Figura 1. Distribución de sistemas de disposición final - año 2011(Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios - SSPD, 2011)
De la producción nacional de residuos sólidos, en 2012 el área correspondiente a Bogotá
representó el 26% del total, es decir que en la ciudad se produjeron aproximadamente 6,899
Toneladas de residuos por día. Estos residuos se distribuyen como se observa en la Figura 2, con los
residuos provenientes de alimentos ocupando más de la mitad del total, dejando en evidencia la
necesidad y viabilidad de la implementación de métodos de disposición alternativos para la
producción de residuos de Bogotá.
Adicional a las cifras presentadas, el principal relleno sanitario del que dispone la ciudad de
Bogotá el Relleno Sanitario Doña Juana, se encuentra cerca de alcanzar su capacidad máxima;
gracias a adecuaciones y mejoras realizadas, se logró aumentar la vida útil del relleno hasta
mediados del año 2021, siete años más de operación de los que se habían proyectado
3
originalmente(Caracol Radio, 2014). Esto añade un sentido de urgencia a la problemática original,
pues se corre el riesgo de no contar con un mecanismo de disposición de residuos orgánicos en un
futuro relativamente cercano.
Figura 2. Residuos discriminados por tipo para la ciudad de Bogotá D.C. (Romero, 2012)
Teniendo en cuenta la preocupación que siempre ha caracterizado a la cadena de
restaurantes Wok® por la conservación del medio ambiente, en 2012 comenzó un trabajo de
investigación en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes, con el
apoyo de esta cadena de restaurantes, para el procesamiento de residuos orgánicos de sus sucursales
(González & Sierra, 2013). Este trabajo se llevó a cabo a lo largo de los años 2012 y 2013, en
desarrollos realizados por estudiantes del departamento, en sus respectivos proyectos de grado,
consiguiéndose una serie de resultados in vitro que dieron cuenta de la existencia de una posibilidad
real de que los desechos alimenticios producidos por Wok®, y por extensión, por otros restaurantes
o productores de cantidades importantes de los mismos, sean empleados y aprovechados en
procesos a escala industrial, evitando su disposición en rellenos sanitarios y aprovechando un
potencial económico que presentan estos residuos.
60.56
12.95 10.45 7.1
2.07 1.89 1.32 1.19 0.87 0.84 0.42 0.32 0
10
20
30
40
50
60
70
Frac
ción
por
cent
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sidu
os
4
Además de la iniciativa de la cadena de restaurantes Wok®, otras cadenas de restaurantes
con una mayor capacidad en cuanto a cantidad de sucursales, como Crepes & Waffles® se han
mostrado interesadas en ingresar a las etapas venideras del proyecto, brindando la posibilidad de
contar con mayores flujos de entrada de residuos orgánicos a la planta.
En los estudios anteriores arriba mencionados, se han determinado los porcentajes de
conversión de diferentes residuos en productos potenciales de interés, como etanol (Triana &
Baquero, 2012), biogás (Fonseca & Gomez, 2012), compost (Murillo, 2012), Biodiesel (Ortiz &
Karam, 2012), entre otros. En la Figura 3 se resumen estos resultados.
Figura 3. Rutas de aprovechamiento de residuos alimenticios de WOK® de acuerdo a la investigación realizada. (González & Sierra, 2013)
De acuerdo con el potencial técnico identificado y ya que debe resolverse la necesidad de
los restaurantes de procesar los residuos de una manera ambientalmente favorable, es necesario
ahora profundizar en la investigación. Para guiar el estudio de laboratorio, y para tener resultados
que permitan un diseño conceptual y básico adecuado, se desarrolla este proyecto, que tiene por
objeto obtener una primera aproximación a un diseño conceptual y básico de la planta de
cogeneración con los residuos que han sido objeto de estudios anteriores. Esta realización
“prematura” del diseño conceptual y básico, está de acuerdo con (Harmsen, 2013), experto en
5
escalamiento de procesos, que aconseja la realización de diseños conceptuales y básicos de planta
en etapas tempranas de investigación, como estrategia metodológica efectiva de escalamiento de
procesos, pues este método permite la optimización del uso de recursos de investigación y tiempo.
1.2 Legislación colombiana, restricciones e incentivos
Una parte muy importante a revisar durante el diseño conceptual y básico de la planta de
cogeneración que se propone en este estudio es la legislación nacional, con el fin de determinar si
hay consideraciones de impactos a nivel ambiental y/o social que podrían tener la potencialidad de
restringir y hasta impedir la realización del proyecto. A través de consultas con organizaciones
estatales (Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), Instituto Colombiano Agropecuario
(ICA), Unidad Administrativa Especial de Servicios Púbilcos (UAESP), Colciencias y el Ministerio
de Vivienda, Ciudad y Territorio), se determinó que la legislación contempla las normas,
restricciones e incentivos que se resumen a continuación (ver detalles en el Anexo 3)
1.2.1 Normatividad y restricciones
El Reglamento Técnico del Sector Potable y Saneamiento Básico (RAS) en cual en el Título
F establece normatividad respecto de la localización, contenido mínimo del análisis de costos de
capital que debe incluirse en el estudio de factibilidad y los criterios mínimos para el diseño del área
de procesos de aprovechamiento de fracciones de residuos sólidos orgánicos biodegradables.
La Resolución ICA 00991 de 2001 la cual prohíbe el uso de harinas de carne, de sangre, de
hueso vaporizadas, de carne y hueso de despojos de mamíferos nacionales o importadas, en la
formulación de alimentos, sales mineralizadas para rumiantes y en la elaboración de abonos o
fertilizantes.
El Decrecto del Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio el cual en el Decreto 2981 del
2013 de prestación del servicio público de aseo define los términos de aprovechamiento, gestión
integral de residuos sólidos y el plan de gestión integral de residuos sólidos (PGIRS).
6
Adicionalmente establece los requisitos de la actividad de recolección (Artículo 28), los propósitos
de la actividad de aprovechamiento (Artículo 82), las características de los residuos sólidos para el
aprovechamiento (Artículo 83), los requisitos para el almacenamiento de los materiales
aprovechables (Artículo 84), los requisitos para la compactación o densificación de los materiales
aprovechables (Artículo 85), los requisitos mínimos para las estaciones de clasificación y
aprovechamiento y establece la obligatoriedad de que el ente territorial del sitio donde se localice la
planta determine la viabilidad de los proyectos de aprovechamiento en el marco de los PGIRS
(Artículo 92).
En lo que aplica, diseño conceptual y básico de la planta, se realizó teniendo en cuenta
todos los aspectos mencionados en la normatividad arriba especificada.
1.2.2 Incentivos
Resolución UPME 563 de 2012. Establece los procedimientos para aplicar a incentivos
tributarios incluyendo y/o modificando los decretos y resoluciones anteriores que fueron emitidos
para exclusión de IVA y deducción de renta, como se ilustra en la Figura 4.
La UPME no recomendó la construcción de la planta de tratamiento de residuos usando los
incentivos propuestos por ellos, ya que son menos favorables que los que se establecen en las
deducciones tributarias que se explican a continuación de acuerdo a A. Téllez (Comunicación
personal, 2014)
Deducción del impuesto por renta por inversiones en investigación y desarrollo tecnológico:
Cualquier persona que realice inversiones en proyectos calificados como de investigación y
desarrollo tecnológico, según los criterios y las condiciones definidas por el Consejo Nacional de
Beneficios Tributarios en Ciencia, Tecnología e Innovación (CNBT) tendrán derecho a deducir de
su renta, el ciento setenta y cinco por ciento (175%) del valor invertido en dichos proyectos sin que
pueda exceder del cuarenta por ciento (40%) de la renta líquida, determinada antes de restar el valor
7
de la inversión. Tales inversiones serán realizadas a través de Grupos o Centros de Investigación,
Desarrollo Tecnológico o Innovación o Unidades de Investigación, Desarrollo Tecnológico o
Innovación de Empresas, registrados y reconocidos por Colciencias.
Figura 4. Antecedentes legales de los incentivos tributarios. Tomado de (UPME, 2013)
Deducción del impuesto de renta por donaciones en investigación y desarrollo tecnológico:
El mismo beneficio aplica para los contribuyentes que realicen donaciones a centros o grupos
reconocidos por Colciencias, siempre y cuando se destinen exclusivamente a proyectos calificados
como de investigación o desarrollo tecnológico, según los criterios y las condiciones definidas por
el CNBT. Serán igualmente exigibles para la deducción de donaciones los demás requisitos
establecidos en los artículos 125-1, 125-2 y 125-3 del Estatuto Tributario.
Exención del IVA (Artículo 428-1 del Estatuto Tributario): La exención del impuesto sobre
las ventas (IVA) a las importaciones de equipos y elementos destinados a proyectos calificados
como de carácter científico, tecnológico o de innovación según los criterios y las condiciones
definidas por el CNBT que importen los centros reconocidos por Colciencias o las instituciones de
educación.
8
Ingresos no constitutivos de renta o ganancia ocasional (Artículo 57-2 del Estatuto
Tributario): Los recursos que reciba el contribuyente para ser destinados al desarrollo de proyectos
calificados como de carácter científico, tecnológico o de innovación, según los criterios y las
condiciones definidas por el CNBT, son ingresos no constitutivos de renta o ganancia ocasional.
Igual tratamiento se aplica a la remuneración de las personas naturales por la ejecución
directa de labores de carácter científico, tecnológico o de innovación, siempre que dicha
remuneración provenga de los recursos, destinados al respectivo proyecto, según los criterios y las
condiciones definidas por el CNBT.
1.3 Plantas de tratamiento de residuos orgánicos para la producción de biogás
1.3.1 Contexto internacional y viabilidad económica
La proporción de plantas de biogás como productoras de energía supone una participación
menor en los países desarrollados, en tanto en países en vías de desarrollo hay una cantidad de
plantas de este tipo y un crecimiento vertiginoso, que demuestra la popularidad de este modelo en el
mundo, como por ejemplo en países como Vietnam o Nepal (Deublein & Steinhauser, 2011).
El principal atractivo de los modelos de desperdicio-a-energía, (WTE por sus siglas en
inglés), es la capacidad de proveer soluciones sostenibles económica y ambientalmente a dos
problemáticas: el constante aumento de la demanda energética a nivel global, y la acumulación y
gestión de los residuos municipales. Adicionalmente, las ventajas económicas son evidentes para las
compañías que implementan los procesos de aprovechamiento de residuos, dado que las
instalaciones de esta naturaleza en los Estados Unidos han sido capaces de pagar sus bonos de
financiamiento de capital dentro de los primeros 10 años de operación, por lo que esencialmente
pueden operar libres de pasivos significativos durante los siguientes 10 o 20 años (Crawford, 2013).
Además, en su entorno económico inmediato los beneficios pueden ser altamente beneficiosos. Por
ejemplo, la ciudad de Nueva York decidió no implementar un modelo WTE cuando se presentó la
9
oportunidad, y para el 2013 está desechando 10,000 toneladas de desechos diarias, lo cual dado el
valor energético y como materia prima de estos residuos, significa que a lo largo de 40 años cerca
de quince mil millones de dólares abandonan la economía neoyorquina. (Crawford, 2013)
1.3.2 Producción de biogás: técnicas y tecnologías
El biogás es el gas producto de la digestión anaerobia de materia orgánica biodegradable, o
“biomasa”. Bacterias, que pueden estar presentes en el sustrato o agregadas al mismo, lo fermentan
anaerobiamente a través de reacciones bioquímicas parte de su metabolismo. Los componentes del
biogás incluyen metano (entre 60% a 80%), dióxido de carbono (de 20% a 40%) y trazas de sulfuro
de hidrógeno, nitrógeno y otras impurezas. El tratamiento del gas para eliminar las impurezas es un
paso indispensable antes de emplear el gas como fuente de energía, o comercializarlo; en este
proceso se lleva el gas a una concentración de 98% de metano, después del cual se conoce como
“biometano”. Este producto se comporta idénticamente al gas natural convencional, con todos los
mismos beneficios y usos, y es una de las fuentes de energía más limpias y eficientes disponibles
hoy en día. (Walls, 2013)
La tecnología más empleada para la producción de biogás a partir de diversos sustratos, se
trata de fermentadores continuos de una etapa, dado su bajo costo y fácil operación y reparación, a
pesar de presentar un rendimiento lejos de ser óptimo. También se conoce de fermentadores de una
etapa independiente alimentados por lotes, que se caracterizan por tiempos de residencia mayores,
y requieren de un mayor control sobre las condiciones de operación, dado que se trata de un sistema
cerrado en cuanto a flujos de materia durante el proceso fermentativo. Por último, el modelo que ha
demostrado tener el máximo rendimiento en términos de recuperación de bioenergía a partir del
sustrato, son los fermentadores de dos etapas, en los que hay dos recipientes conectados por un
canal entre ellos que permite que parte del mecanismo de digestión se realice en un recipiente, y los
productos de ésta parte pasen al siguiente para terminar de ser digeridos y transformados en biogás.
10
La Figura 5 muestra una planta de la empresa alemana Bioconstruct®, que presenta un sistema de
fermentación de dos etapas.
Figura 5. Planta de producción de Biogás a partir de residuos. Tomado de (Bioconstruct®, n.d.)
Las características en cuanto a diseño, materiales y construcción de los recipientes de
fermentación, bien sea de una etapa, dos, o por lotes, se caracterizan por poseer algunas, si no todas
estas características (Deublein & Steinhauser, 2011):
• Paredes delgadas por razones de costos.
• Poca área superficial para ahorrar en aislamiento.
• Extracción fácil y conveniente del biogás de la mezcla fermentativa.
• Mezclado intensivo para garantizar una distribución uniforme de nutrientes, microorganismos y
productos de metabolismo
• Prevención de la formación de capas, que no permitan la migración regular del gas a la
superficie de la mezcla
• Evitar acumulaciones no controladas de material
Los fermentadores pueden estar construidos de metal, materiales plásticos o materiales de
construcción comunes, sin embargo cada uno de estos materiales implica considerar aspectos de
costo y facilidad de construcción, ensamble y mantenimiento. Donde por lo general se emplean
11
materiales metálicos debido a su disponibilidad y facilidad de construcción y mantenimiento, en
comparación a otros materiales. Sin embargo, la decisión depende enteramente de la naturaleza
específica de cada planta (Deublein & Steinhauser, 2011).
Aplicado a la escala industrial, también se encuentra evidencia sobre diferentes tecnologías
ya implementadas, las cuales tienen en común la necesidad de recircular los microorganismos al
medio de reacción, controlar la salida de biogás, mantener la composición relativamente uniforme a
lo largo de las dimensiones del equipo de fermentación. La principal división entre tecnologías a
escala industrial se encuentra en el porcentaje de sólidos en el medio fermentativo. Un porcentaje
menor al 10% se considera una fermentación “húmeda” y por otro lado porcentajes mayores a este
límite, se considera fermentación “seca”. (Bolzonella, Pavan, Mace, & Cecchi, 2006)
Los mecanismos para las fermentaciones húmedas no difieren en mayor parte de la
operación de un reactor uniformemente agitado de fase suspendida, entre tanto la fermentación seca
ha ido ganando popularidad debido a un mejor rendimiento, menor uso de recursos hídricos, y
menor producción de aguas y desechos líquidos para ser tratados aguas abajo del proceso
fermentativo. Respondiendo a este aumento en la popularidad, se han implementado diversas
tecnologías para fermentaciones secas, resaltándose en el contexto europeo tres: Dranco, Valorga,
Linde y Kompogas, todas trabajando en el rango de 30% a 40% sólidos totales (Bolzonella et al.,
2006). La Figura 6 muestra estas tecnologías, y las diferencias entre ellas.
Los sustratos posibles para la producción de biogás son variados, y cada uno tiene ventajas
y desventajas de acuerdo al tipo de inóculo que digiere los sustratos, y a las rutas metabólicas
empleadas por los microorganismos encargados de la fermentación. Entre los sustratos se incluye
cultivos dedicados para este propósito, aguas residuales domésticas e industriales, entre otras
opciones.
12
Figura 6. Diferentes tecnologías de digestores usados en sistemas húmedos (A ilustra el diseño Dranco, B el diseño Kompogas y C el diseño Valorga). Tomado de (Lissens et al. , 2001)
Sin embargo, la producción de varios de estos sustratos se ve sujeta a la temporalidad de
cultivos, a la calidad y composición de los mismos y a variables que están por fuera del control de
la planta de producción de biogás. A pesar de que los residuos alimenticios no representan la misma
capacidad de producción de biogás que otros sustratos, éstos poseen la ventaja de que se tiene
disponibilidad de ellos durante todo el año, su costo es reducido dramáticamente por el hecho de
tratarse de desechos, y poseen una variedad importante de compuestos digeribles por los
microorganismos de producción de biogás. (Deublein & Steinhauser, 2011)
1.3.3 Sistemas de purificación y mejoramiento del biogás
Además de estos equipos, también se tienen diferentes operaciones que hacen el
acondicionamiento tanto del biogás como del sustrato; de nuevo estas operaciones dependen
principalmente de las necesidades y condiciones en el fermentador, por ejemplo la molienda de los
residuos antes de ingresar al fermentador, y los equipos de tratamiento de biogás, dependiendo de la
aplicación del mismo pueden aumentar o disminuir en complejidad, por ejemplo aplicaciones
13
domésticas no requieren de tratamiento, entre tanto aplicaciones que alimentan el biogás a motores
o ciclos de vapor necesitan cumplir ciertos estándares para evitar daños a los equipos que realizan la
conversión de biogás a energía.
Los procesos que se emplean para el mejoramiento del biogás consisten en la remoción de
las impurezas presentes en el gas de salida de los fermentadores hasta el cumplimiento de las
restricciones técnicas y legales. Los métodos más comúnmente usados son el lavado con agua y la
adsorción por inversión de presión. Cada uno presenta diferentes ventajas técnicas y económicas,
aunque uno de los principales aspectos tenidos en cuenta es la minimización o eliminación de
emisiones del proceso. Esto implica que las numerosas impurezas, así como los compuestos que las
capturan han de ser tratados antes de poder ser liberados o dispuestos.(Rasi, 2009)
El proceso de adsorción por inversión de presión es atractivo dada la selectividad potencial
del mismo, entre tanto diferentes sustratos adsorbentes tienen afinidades específicas con diferentes
compuestos, y permiten la remoción casi total de los mismos de la mezcla de gases. Sin embargo,
esta fortaleza también se convierte en un aspecto problemático al analizar la variedad de
compuestos removidos, y la baja similitud entre los mismos. Es por esta razón que el proceso de
lavado con agua u otros compuestos, se considera superior para el mejoramiento de biogás a
biometano. Dado que este proceso no aprovecha las particularidades de un sustrato escogido,
requiere de condiciones de flujo y presión un tanto más extremas, dado que el área de contacto entre
fases debe ser maximizada y asegurada la remoción de las diferentes impurezas presentes en el gas.
(Rasi, 2009)
El lavado con agua se puede realizar en ciertas configuraciones, especialmente dependiendo
de la disponibilidad de absorbente y del flujo de biogás tratado. Históricamente se han usado
procesos de esta categoría para tratar el gas proveniente de rellenos sanitarios, el cual posee
cualidades similares al biogás obtenido por fermentación anaeróbica, aunque en su composición se
14
encuentran diversos contaminantes adicionales, tales como compuestos halogenados. Sin embargo,
la purificación de estos gases es homologable a la concerniente al biogás. (Rasi, 2009)
El proceso más sencillo de lavado por agua consiste en un lavado a contracorriente, en el
cual el biogás y el agente absorbente se ponen en contacto en una única torre de absorción, donde el
absorbente captura la mayor parte de las impurezas y es llevado inmediatamente a un equipo de
regeneración, donde la fase gaseosa disuelta es separada del absorbente, para realizar un
aprovechamiento del mismo en un reciclo del agente absorbente, lo cual reduce el consumo general
del agente absorbente.(Rasi, 2009) La Figura 7 muestra una descripción general del proceso.
Figura 7. Diagrama simplificado del proceso de absorción en contracorriente. Tomado de (Rasi, 2009)
El segundo proceso empleado, es una absorción en contracorriente a altas presiones. La
principal diferencia de este proceso es que involucra dos torres de absorción, una torre de
15
recuperación, una unidad de secado de gas y un proceso de regeneración de absorbente en dos
etapas. El proceso es bastante más complejo que el descrito en la Figura 7, dado que las torres de
absorción funcionan alternativamente para asegurar operación continua, y la cantidad de equipos
presenta una mayor incertidumbre y fuentes de error posibles. Un proceso de esta naturaleza se
emplea para un alto flujo de gas por ser tratado, por ejemplo el recolectado en los rellenos sanitarios,
los cuales, de acuerdo a su tamaño, producen cantidades bastante mayores de biogás comparados
con los fermentadores de pequeña y mediana escala (Rasi, 2009). La Figura 8 muestra un diagrama
de este proceso, incluyendo las operaciones de almacenamiento y presurización de las corrientes.
Figura 8. Diagrama del proceso de lavado con agua a alta presión. Tomado de (Rasi, 2009)
Adicionalmente a esto, se tiene la necesidad de encontrar el procedimiento de tratamiento
más efectivo para los gases de salida de cada uno de los procesos de mejoramiento. La disposición
16
más común es mediante la combustión de los mismos en una tea, sin embargo, siguiendo el ánimo
de reducir emisiones y la motivación para minimizar la carga ambiental sobre el entorno a la planta,
se investigan y consideran otras alternativas. La separación y posterior venta de los compuestos de
desecho del proceso de purificación no se considera viable para este caso dada la baja cantidad
producida en el mismo.
No obstante, un método no tradicional de purificación y captura por medio de
microorganismos se ha planteado, simulado e implementado en refinerías a gran escala. Este
proceso se denomina THIOPAQ, e involucra la absorción química de las impurezas en una solución
de cloruro de sodio, y la posterior captura biológica por medio de los microorganismos Thiobacillus
denitrificans, los cuales toman los compuestos sulfurados disociados en la solución de absorbente, y
los convierten en diferentes compuestos, entre ellos azufre elemental.(Cline, Hoksberg, Abry, &
Janssen, 2003) Este proceso demuestra un gran atractivo, en tanto el azufre elemental se considera
una materia prima con valor, y el objetivo de este proyecto es producir valor a partir de los desechos
de diferentes procesos, representando una nueva potencial fuente de ingresos para la planta. La
Figura 9 muestra el diagrama de bloques del proceso THIOPAQ, en donde se evidencian las partes
del mismo, dícese la absorción química y la captura biológica.
1.3.4 Producción de energía térmica y eléctrica a partir de biogás
Posterior al mejoramiento del biogás, se puede inyectar el biometano obtenido a la red de
gas natural, suponiendo que se éste cumpla con las restricciones técnicas y legales. Adicionalmente,
es usado para impulsar vehículos, o producir corriente eléctrica y/o calor. La producción de calor a
partir de biogás es el uso más simple, dado que implica la combustión del mismo en una caldera y la
absorción de la energía térmica por un fluido de transferencia, o el uso de los gases de combustión
para calentar directamente el equipo o espacio objetivo. Al generar corriente eléctrica se genera
calor paralelamente, producto de la combustión del biogás, y las restricciones de eficiencia de los
diferentes sistemas de generación. Las configuraciones que aprovechan tanto la energía eléctrica
17
como la térmica producida se conocen como plantas de co-generación (CHP por sus siglas en
inglés). (Deublein & Steinhauser, 2011)
Figura 9. Diagrama de bloques para el proceso THIOPAQ. Tomado de (Cline et al., 2003)
Las tecnologías usadas para producir la corriente eléctrica directamente del gas incluyen
motores de cuatro tiempos o diesel, motores Stirling o micro-turbinas de gas, celdas de combustible
de alta o baja temperatura, o una combinación de una celda de combustible de alta de temperatura
conectada en serie a una turbina son configuraciones comunes en plantas de la modalidad CHP.
Las tecnologías que emplean un acercamiento indirecto a la generación de calor y energía
emplean vapor producido a partir de la combustión del gas en una caldera donde el calor de
combustión produce vapor de alta presión a partir de agua en su estado de líquido saturado. Las
modalidades más usadas de esta tecnología incluyen las turbinas de vapor de diferentes capacidades,
el ciclo Rankine, el ciclo de Cheng y motores de pistón o tornillo impulsados por vapor. (Deublein
& Steinhauser, 2011) La Figura 10 muestra los rangos de capacidad y eficiencia de las diferentes
18
tecnologías, aunque de igual manera éstas también dependen del potencial energético del gas de
entrada.
La corriente y calor obtenidos pueden alimentar las diferentes operaciones de la planta, al
igual que si se encuentra un sobrante de éstos, se pueden usar para vender a las redes aledañas de
industrias u hogares. En ciertos casos se ha visto que el calor también se usa para mover vehículos
dentro de la planta (Deublein & Steinhauser, 2011) .
Figura 10. Capacidad y eficiencia de las tecnologías de generación de energía eléctrica. Tomado de (Deublein & Steinhauser, 2011)
Dentro de los principales usos del calor dentro de la planta o hacia industrias aledañas
resalta más que todo el uso del calor para suplir las necesidades energéticas del fermentador,
precalentamiento de aire para la combustión, tratamiento y secado de productos sólidos, en dado
caso se tiene para sólo las necesidades de la planta, la Figura 11 muestra la red de distribución y
diferentes usos del calor generado dentro de la planta de producción de biogás. Otros usos comunes,
es para desinfección de elementos relacionados con el ordeño y uno de los usos más destacados
últimamente, es el uso de este calor para implementar un refrigerador de absorción, del cual el
fluido frío se empleó para refrigerar leche, esto es en el caso de una planta que se encontraba
adyacente a una granja lechera, y deja ver la versatilidad de los sistemas de tipo CHP.
19
Figura 11. Utilización del calor generado dentro de una planta de CHP. Las líneas punteadas representan los flujos de energía térmica, y las continuas flujos de materia. Tomado de (Deublein &
Steinhauser, 2011)
20
2. OBJETIVOS
Objetivo General:
Obtener una primera aproximación al diseño conceptual y básico de una planta
cogeneradora que use residuos producidos por una cadena de restaurantes con el fin de establecer
información que guíe la investigación básica que se está realizando a nivel de laboratorio.
Objetivos específicos:
Establecer un conjunto de las operaciones unitarias básicas requeridas para la operación de
una planta cogeneradora de dos capacidades modestas de producción (10 y 300 kW) sin tener en
cuenta las operaciones requeridas para el tratamiento de agua de caldera ni la disposición o
aprovechamiento final de los efluentes de fermentación y purificación del biogás.
Obtener los balances de materia y energía relacionados a las operaciones unitarias y
procesos que se establezcan para las dos capacidades en estudio, resumiéndolos en un diagrama de
flujo de proceso (PFD)
Calcular los costos asociados a los equipos relacionados con cada operación unitaria
seleccionada, obteniendo un estimado de la inversión inicial y un análisis de viabilidad para los dos
tamaños de planta seleccionados.
21
3. METODOLOGÍA
En la Figura 12 se presenta un resumen de la metodología empleada en el proyecto. A
continuación se discute cada una de las etapas en las que se dividió la metodología.
3.1 Revisión de literatura
A través de una revisión bibliográfica que incluye pero no se limita a los proyectos de grado
realizados con anterioridad en la Universidad de los Andes, se obtuvieron datos y pudieron
establecerse operaciones unitarias para todas las principales etapas de proceso involucradas en una
planta cogeneradora. Estas son:
3.1.1 Pretratamiento
Tiene por objeto llevar los residuos a las condiciones de fermentación, previo a la
alimentación de los mismos, para evitar que la adición de residuos frescos perturbe las condiciones
dentro del fermentador, en este caso se considera la reducción de sólidos totales en la mezcla una
prioridad, con ayuda de agua. Se consideraron las siguientes operaciones unitarias principales
dentro de esta etapa: precalentamiento y bombeo del agua por mezclarse con los residuos, y el
mezclado y bombeo de los residuos hacia el fermentador. Una discusión detallada de los resultados
del paso metodológico de revisión de literatura obtenidos para esta etapa, se presenta más adelante
en la Sección 4.1.1.
3.1.2 Fermentación
Tiene por objeto la transformación de los componentes orgánicos complejos presentes en
los residuos alimenticios a biogás. Se consideraron las siguientes operaciones unitarias principales
dentro de esta etapa: recipientes de fermentación, incluido el mezclado. Una discusión detallada de
los resultados del paso metodológico de revisión de literatura obtenidos para esta etapa, se presenta
más adelante en la Sección 4.1.2.
22
3.1.3 Purificación de la corriente de gases obtenida en la fermentación
Tiene por objeto la preparación del biogás obtenido en la fermentación para las aplicaciones
dispuestas para el mismo. Se consideraron las siguientes operaciones unitarias principales dentro de
esta etapa: absorción y separación flash. Una discusión detallada de los resultados del paso
metodológico de revisión de literatura obtenidos para esta etapa, se presenta más adelante en la
Sección 4.2.
3.1.4 Combustión y ciclo de vapor
Tiene por objeto la conversión de la energía química presente dentro del biogás a energía
térmica y mecánica. Se consideraron las siguientes operaciones unitarias principales dentro de esta
etapa: combustión, expansión dentro de una turbina, condensación y bombeo. Una discusión
detallada de los resultados del paso metodológico de revisión de literatura obtenidos para esta etapa,
se presenta más adelante en la Sección 4.3.
Figura 12. Resumen de la metodología empleada en el proyecto
Revisión de literatura •Contextualización del problema
•Condiciones de operación de los procesos
•Rendimientos y requerimientos
•Consulta legislación vigente
Obtención de balances de materia y energía •Cálculos manuales y simulación de pretratamiento, fermentación, purificación y producción de energía
•Construcción del PFD del proceso
Dimensionamiento y costeo de los equipos •Dimensionamiento manual y ayudado por software
•Costeo de equipos •Estimación de inversión inicial y flujos futuros
•Análisis de inversión
23
3.2 Obtención de balances de materia y energía
Existe un componente importante para obtener los balances de materia y energía
correspondientes a las etapas de purificación del gas y a la simulación del ciclo de producción de
energía a partir de biogás purificado. Esta es la selección de los modelos de acuerdo a las
condiciones en cada una de los procesos empleados. A continuación se presenta la metodología
usada para la selección de modelos para cada operación simulada con el software Aspen Plus ®.
3.2.1 Modelos de propiedades
Se siguieron los pasos para la selección de modelos de propiedades para simulación
propuestos por diferentes autores (Peters et al. 2003) y (E. Carlson, 1996). De acuerdo con la
metodología discutida y presentada, la selección de modelo depende de la presencia de ciertos tipos
de compuestos, de las presiones de operación, y de si se conocen o no los coeficientes de
interacción binaria (Peters et al. 2003). El árbol de decisión empleado se muestra en el Anexo 4.
3.2.2 Etapas de pretratamiento y fermentación
Para estos procesos no se dispone de modelos de propiedades, dada la complejidad
inherente a los mismos, por lo que se emplearon aproximaciones a partir de la reducción de sólidos
volátiles para determinar la producción de biogás, y datos sobre propiedades reportados por autores
en trabajos relacionados como se discute en la Sección 4.1. El dimensionamiento, y los balances de
masa y energía se realizan manualmente (fuera del software Aspen Plus®) sobre estos datos. Una
explicación de los procedimientos de cálculo se encuentra en la sección 4.1. El detalle
pormenorizado de todos los cálculos se encuentra en el Anexo 5.
3.2.3 Etapa de purificación del biogás
El proceso de purificación del biogás incluye una serie de operaciones de separación
acoplados de tal manera que se cumplan las especificaciones de proceso. La fuerza motriz detrás de
estas operaciones, son la transferencia de masa y el equilibrio de fases, por tanto es necesario
24
emplear modelos para los equipos que contengan las ecuaciones necesarias para el cálculo de las
composiciones resultantes de los procesos.
El modelo elegido para la torre de absorción se conoce en el software Aspen Plus como
RADFRAC, el cual calcula el equilibrio térmico y de fases sobre una serie de etapas teóricas,
resolviendo el modelo MESH para encontrar las concentraciones de salida tanto del líquido de
fondos y el gas de cabeza de absorción. Este modelo no tiene en cuenta ni rehervidor ni
condensador, además que en el bloque de convergencia del mismo, se modifica de tal manera que
realice los cálculos para una operación de absorción en vez de una destilación, como se encuentra
por defecto en el paquete de software. Por otro lado, el flash se modeló de acuerdo al modelo de
separación de dos fases en equilibrio líquido-vapor en una etapa, especificando la presión y carga
térmica del equipo.
3.2.4 Combustión y ciclo de vapor
Para simular este proceso se siguieron lineamientos encontrados en tutoriales
correspondientes a la simulación de ciclos de vapor Rankine en Aspen Plus, permitiendo la división
de las diferentes etapas que normalmente se encuentran dentro de la misma caldera, como una serie
de equipos por separado. La reacción de combustión se simula en un modelo de reactor de
minimización de la energía libre de Gibbs, el cual es el más adecuado cuando no se tiene
información sobre la extensión de la combustión, ni sobre la cinética de la misma. Para gases ricos
en metano, la fracción de oxígeno en exceso se define como 1.15 (Kitto & Stultz, 2005) y el reactor
se toma como completamente adiabático, para que la energía de la combustión se transmita a los
gases de escape.
Como se ve en la hoja de trabajo de Aspen Plus presentada en el Anexo 6, los gases
producto de la combustión pasan por un intercambiador de calor simulado con el modelo HEATX,
el cual modela intercambiadores de calor de tubos y coraza, o en este caso, intercambiadores con
más de una entrada y salida. Este bloque identifica dos conjuntos de entradas y salidas,
25
separándolos en calientes o frías dependiendo del cambio de temperatura que experimentan en el
bloque. Es importante notar que estos bloques en realidad componen un solo equipo, es decir, estos
bloques representan al funcionamiento de la caldera como tal, y dado que las cargas de vapor son
relativamente pequeñas comparadas con las de plantas dedicadas a la producción de energía
eléctrica a partir de vapor (Kitto & Stultz, 2005).
La turbina se modela como isentrópica, especificando la presión de descarga a 0.1 bar
absoluta con el propósito de generar la mayor cantidad de energía eléctrica. Las turbinas de baja
capacidad tienden a tener una eficiencia de alrededor del 45% (Kitto & Stultz, 2005), por tanto esta
especificación también se tuvo en cuenta para la simulación de la turbina. Por último, el
condensador y la bomba de recirculación fueron especificadas con la fracción de vapor y la presión
de descarga, respectivamente, y este flujo de agua se alimenta a la jerarquía (un bloque de Aspen
Plus que agrupa una serie de operaciones unitarias y se comporta como una unidad separada del
resto del sistema) que representa la caldera.
3.2.5 Bombas, compresores e intercambiadores de calor
Las bombas y compresores que presurizan los flujos presentes en el proceso se
especificaron a partir de la presión de salida necesaria para llegar a las presiones necesarias para
llevar a cabo los procesos descritos. Los compresores se simularon a partir de un modelo
isentrópico, al igual que la turbina del ciclo de vapor. Los intercambiadores de calor se modelaron
de acuerdo a modelos donde las especificaciones eran características de salida del fluido, como la
fracción de vapor, la temperatura, y además se les especifica la caída de presión, usando valores
típicos para los fluidos de trabajo y las presiones de operación, por ejemplo para agua y aire
trabajando a presiones cercanas a la presión atmosférica se tienen caídas de presión de
aproximadamente 0.25 kPa para intercambiadores compactos (Shah & Sekulic, 2003). Dada la baja
cantidad de biogás, agua y aire procesados, el módulo de dimensionamiento de Aspen Plus
26
recomienda emplear intercambiadores prefabricados de muy baja capacidad, por lo tanto esta
suposición es correcta.
3.2.6 Variables de inicialización
Las variables de inicialización se emplean como estimados de las soluciones de la
simulación para ciertos flujos, especialmente aquellos de reciclo y que poseen modelos matemáticos
complejos y ayudan a reducir considerablemente el tiempo de solución (Peters et al., 2003). Aspen
Plus cuenta con la opción de generar estas variables para cada bloque que así lo requiera, por
ejemplo en el caso del modelo RADFRAC genera estimados de temperatura, composición y presión
a lo largo de las etapas teóricas. Para los flujos de reciclo, se introdujo estimados de acuerdo a los
resultados obtenidos antes de hacer la conexión del reflujo como tal. Esto permite que el
solucionador, que en este caso emplea el método de Broyden, use estos estimados como entradas
adicionales que evitan la divergencia y reducen el esfuerzo computacional requerido para la
solución de los balances de materia y energía.
3.3 Dimensionamiento y costeo de equipos
El dimensionamiento y costeo de equipos se realizó principalmente por dos medios:
cálculos manuales basados en la literatura consultada, donde el paso metodológico de revisión de
literatura se convirtió en uno de suma importancia nuevamente, y el dimensionamiento y costeo con
ayuda de las herramientas de simulación. En el caso del cálculo manual se recurrió a diferentes
heurísticos y métodos de dimensionamiento y costeo de equipos similares pero a diferente escala,
cotizaciones de fabricantes, entre otros recursos disponibles. El dimensionamiento de equipos por
parte de las herramientas de simulación se realizó con el software Aspen Plus ® y Aspen Process
Economic Analyzer ®, introduciendo los datos correspondiente a los flujos de simulación y equipos
presentes dentro del mismo, por lo que fue indispensable recurrir a los balances de materia y
energía obtenidos anteriormente.
27
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
La sección de resultados contiene la información obtenida sobre las simulaciones,
dimensionamientos y análisis de inversión obtenidos para dos capacidades de turbina dadas: 10 kW
y 300 kW. A partir de estas capacidades obtenidas de catálogos de los fabricantes y de las
condiciones de operación dadas se calcularon las cargas de vapor necesarias, y por tanto la cantidad
de energía necesaria para obtener las potencias mencionadas anteriormente.
En medio de este proceso, se concluyó que es posible impulsar un ciclo de vapor equipado
con una turbina de 10 kW únicamente con biogás obtenido de fermentación seca de residuos
orgánicos alimenticios, a pesar de que la cantidad de residuos producida por WOK no es suficiente
para satisfacer esta demanda, por lo que se requiere de otra fuente de residuos alimenticios
separados en la fuente, como las otras cadenas de restaurantes que se han mostrado interesadas en
hacer parte del proyecto. La evaluación de esta planta se hizo con un flujo mayor de residuos, para
ilustrar la posibilidad de una generación completamente impulsada por biogás.
Por otro lado, para la turbina de 300 kW la escala de la planta de fermentación y los
residuos que se esperan entren a la planta no son suficientes para cumplir los requerimientos
térmicos de la turbina, por lo que se implementa un flujo adicional de gas natural a la caldera, el
cual se mezcla con el biogás ya tratado y proveen de la suficiente energía térmica al vapor
alimentado a la turbina para generar la potencia nominal de la misma. Para esta planta se decidió
trabajar con la producción completa de residuos de WOK, dado que es una cantidad sobre la que se
tiene certeza y se cuenta con la misma para la puesta en marcha de un proyecto.
Cada una de las plantas propuestas anteriormente, es decir la de 10 kW o 300kW, son
prácticamente iguales en las operaciones que las conforman y en las conexiones de los flujos del
sistema, excepto por el flujo adicional de gas natural hacia la caldera que se encuentra en la
configuración de la planta equipada con una turbina de 300 kW. Por esta razón, a continuación se
28
presenta la justificación y especificación de los equipos y operaciones, al mismo tiempo que los
resultados obtenidos para ambos casos.
Al mismo tiempo, la selección de modelos de propiedades fue la misma para ambos casos,
y por tanto se concluye que, de acuerdo a la metodología descrita, se elige emplear el modelo
UNIFAC dado que algunos de los compuestos principales son polares, no hay presencia de
electrolitos, y las presiones de operación se encuentran por debajo de los 10 bar en el caso de todas
las operaciones que involucran el biogás de los fermentadores, purificado, y la combustión dentro
de la caldera. Los únicos flujos de la simulación que no cumplen con estas condiciones son los
pertenecientes al agua del ciclo de vapor, la cual puede alcanzar presiones cerca de 186 bar y
temperaturas por encima de los 1,000°C (Kitto & Stultz, 2005). Para este caso, teniendo en cuenta
que se trata de agua que no entra en contacto en ninguna parte del proceso con alguno otro de los
flujos, se decide emplear el modelo de tablas de vapor de la Oficina Nacional de Estándares de
Estados unidos (NBS por sus siglas en inglés), el cual tiene una validez dentro del rango de 260 a
2,500K y de 0 a 30,000 bar (Haar, 1984). Con estos dos modelos, quedan especificadas las
propiedades de los compuestos presentes en los procesos y los flujos correspondientes a la etapa
posterior a la fermentación. A continuación se explica la selección de modelos para los equipos
principales y de servicio.
4.1 Descripción del proceso de producción de biogás: condiciones y parámetros
4.1.1 Pretratamiento
El pretratamiento de los residuos alimenticios que entran al proceso consiste en llevarles a
las condiciones de fermentación por medio del mezclado con agua caliente, permitiendo alcanzar la
temperatura y cantidad de sólidos totales necesarias para obtener los rendimientos esperados en la
fermentación. Para determinar la cantidad de agua por agregar, es necesario conocer las propiedades
de los residuos alimenticios, esencialmente el contenido de humedad y calor específico de los
mismos, que permiten conocer la cantidad de agua necesaria mediante una serie de cálculos
29
sencillos que incluyen estos datos. Se encontró que el porcentaje de sólidos totales en los residuos
de la cadena de restaurantes WOK es del 37% en peso aproximadamente, donde el resto se
compone de contenido de humedad (Baquero & Triana, 2013); entretanto, la capacidad calorífica se
toma como 1.2 𝐽 𝑔−1𝐾−1 (Bach et al., 1987), de acuerdo a lo reportado en un documento
relacionado a la fermentación de residuos alimenticios.
Tabla 1. Propiedades de los residuos alimenticios
Propiedad Valor Unidades Referencia % Sólidos Totales 37.0 - (Baquero & Triana, 2013) Capacidad calorífica 1.20 J g−1K−1 (Bach et al., 1987) Densidad 1,02 kg/m3 (Dogan & Demirer, 2012)
Una vez se tienen estos datos, suponiendo que el agua suministrada se encuentra a 40°C, y
que en el rango de temperaturas estudiado sus propiedades térmicas no cambian significativamente,
es posible encontrar la cantidad de agua para llevar la mezcla a 35°C y 30% de sólidos totales. Estas
condiciones son propias de una fermentación mesofílica y seca, la combinación elegida por
presentar rendimientos importantes y su amplio uso en aplicaciones a tamaño completo, además del
bajo consumo de agua relacionado con estas condiciones (Bolzonella et al., 2006).
4.1.2 Fermentación
4.1.2.1 Mecanismo y condiciones de operación
El mecanismo de fermentación de los residuos alimenticios comprende dos etapas
principales: acidogénesis y metanogénesis. Cada uno de estos momentos del proceso se distinguen
por el tipo de bacterias que las llevan a cabo, en tanto la descomposición de los orgánicos complejos
y producción de ácidos carboxílicos reduce el pH del medio reactivo, inhibiendo el crecimiento de
las bacterias que realizan este mismo proceso, y permitiendo que las poblaciones que convierten
estos ácidos a metano prosperen (Suryawanshi, Chaudhari, & Kothari, 2010); una ilustración del
mecanismo detallado de transformación de residuos alimenticios a metano se muestra en la Figura
13.
30
Orgánicos complejos
Ácidos orgánicos
Bacterias acidogénicas
Acetatos
Bacterias productoras de H2 Bacterias acetogénicas
Bacterias homo acetogénicas
MetanoDióxido de Carbono
Bacterias metanogénicas
Formiatos, HidrógenoDióxido de Carbono
Figura 13. Mecanismo detallado de la producción de metano a partir de residuos, adaptado de
(Omer, 2007)
Por la naturaleza de este mecanismo, se decide que es necesario disponer de dos etapas
separadas, similar a la configuración en la Figura 14, para garantizar una producción constante de
tanto ácido como metano sin variaciones importantes en las poblaciones presentes en cada etapa de
la fermentación (Nasir, Ghazi, Tinia, & Omar, 2012).
En cuanto a las condiciones durante el tiempo de fermentación, se tiene que de acuerdo a lo
reportado en plantas que implementan tecnología similar, la temperatura se mantiene a condiciones
mesofílicas (35°C) al igual que en el pretratamiento y la presión dentro del fermentador se
encuentra entre 150 y 200 mmH2O -aproximadamente de 1.47 a 1.96 kPa- manométricos (Nijaguna,
2006), lo que no representa una desviación importante de la presión atmosférica a la que entra la
31
mezcla de fermentación, y que se puede justificar como presión dada por la acumulación de gases
en la parte superior del recipiente. Para garantizar una digestión extensiva de los residuos
alimenticios, y rendimientos significativos de la producción de biogás se fija el tiempo de retención
hidráulica (HRT por sus siglas en inglés) en 30 días (Nasir et al., 2012), en donde a la primera etapa
de la fermentación entran los residuos alimenticios, que tienen una composición de 37% sólidos
totales (Baquero & Triana, 2013), junto con el agua necesaria para llevar este porcentaje a 30%
dentro de la mezcla fermentativa.
Figura 14. Un ejemplo de sistema de fermentación de dos etapas, obtenido de (Nijaguna, 2006)
4.1.2.2 Dimensionamiento de los fermentadores y requerimientos energéticos
Con la cantidad de residuos alimenticios alimentados, el tiempo de retención hidráulica y el
total de sólidos volátiles en la mezcla fermentativa, es posible conocer las dimensiones de cada uno
de los recipientes de fermentación. Teniendo en cuenta la densidad reportada tanto del agua a 35°C
y de los residuos sólidos, 994 kg/m3(Lide, 2003) y 1022 kg/m3 (Dogan & Demirer, 2012),
respectivamente. Con estos valores es posible encontrar el volumen por tonelada de residuos
alimentada al proceso. Adicionalmente, se tiene que la relación altura/diámetro de los
fermentadores comúnmente es de 1.3 (Nijaguna, 2006), permitiendo también conocer las
32
dimensiones de los mismos. Los resultados de los cálculos de dimensionamiento, junto con las
cantidades de residuos y agua para llegar a la consistencia deseada, se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Dimensionamiento de los fermentadores
Variable Planta de 300 kW Planta de 10 kW Unidades Peso de residuos/día 1,000 3,603 kg/día % de sólidos totales residuos 37.4 37.4 Volumen de residuos/día 0.98 3.53 m3/día Peso de agua/día 247 889 kg/día % de sólidos totales mezcla fermentativa 30.0 30.0 Volumen de agua/día 0.25 0.89 m3/día HRT 30.0 30.0 días Volumen de cada fermentador 36.8 133 m3 Diámetro 3.39 5.20 m Altura 4.07 6.24 m
Adicional a las dimensiones de los fermentadores, es necesario estimar los requerimientos
energéticos de los mismos, en tanto a la energía térmica necesaria para compensar las pérdidas de
calor al ambiente, como la potencia empleada por el sistema de mezclado de cada uno de los
fermentadores. Se puede obtener un valor aproximado a la pérdida de calor por medio de las
dimensiones del reactor, y los coeficientes de transferencia de calor tanto del medio fermentativo
como del ambiente, obteniendo valores aproximados de (Perry & Green, 2008), y el grosor y
conductividad térmica de la pared del fermentador, incluyendo el aislamiento, cuyos valores se
encuentran reportados en (Nijaguna, 2006). En cuanto a los requerimientos de potencia de los
sistemas de mezclado, en los cálculos de diseño y escalado se emplea una relación
potencia/volumen de entre 1.0 y 2.0 kW/m3, sin embargo, a través de la consulta de un número de
fermentadores productores de biogás, se obtuvo la relación descrita en la ecuación que se encuentra
en la Tabla 4. Cada uno de los valores empleados y calculados se encuentran en la Tabla 3, el calor
perdido al ambiente y la potencia necesaria para el sistema de mezclado en cada potencia de planta
33
se resumen en la Tabla 4, y todos los cálculos correspondientes al dimensionamiento y estimación
de parámetros de los fermentadores se encuentran en el Anexo 5.
Tabla 3. Parámetros térmicos de los fermentadores
Información Valor Unidades Coeficiente de transferencia de calor Aire 55.0 W/m2K Coeficiente de transferencia de calor Medio Fermentativo 5.25 W/m2K Conductividad térmica de la pared 0.30 W/m K Grosor de la pared 0.23 m Coeficiente global de transferencia de calor (U) 1.27 W/m2K Temperatura Ambiente 15.0 °C Temperatura dentro del fermentador 35.0 °C
Tabla 4. Requerimientos energéticos para cada uno de los fermentadores
Variable Planta de 300 kW Planta de 10 kW Unidades Área Superficial 52.4 123 m2
Pérdidas de calor al ambiente 1.34 3.14 kW Potencia del sistema de mezclado 𝑃𝑀/𝑉 = 𝑉−0.371 9.69 21.7 kW
Después del proceso de fermentación, se tiene una reducción de sólidos volátiles de
aproximadamente el 45% (Bolzonella et al., 2006), es decir, de los sólidos volátiles que entraron
inicialmente a la fermentación, que es aproximadamente el 77% de los sólidos totales (Nasir et al.,
2012), el 45% se convierte en biogás después de la fermentación. Acto seguido, el gas pasa al
proceso de purificación y tratamiento para remover impurezas potencialmente problemáticas y
llevarle a la concentración de metano necesaria para dar entrar al ciclo de producción de energía.
4.1.2.3 Costos de equipos
Los fermentadores de biogás, al no ser equipos ampliamente usados en la industria química,
por lo general se supone que su construcción se hace sobre el sitio de la planta, y con los recursos
disponibles. De hecho, al presentar una incertidumbre en cuanto a los costos, se propone una
1 En esta ecuación el volumen está en m3 y la potencia en kW, y es válida en un rango de volúmenes entre 0.5 y 300 m3 (Ju & Chase, 1992)
34
estrategia de costeo a partir de los valores promedio de los insumos y costos directos asociados a la
construcción. El sistema consiste en sumar los costos correspondientes a los siguientes ítems:
• El costo de 6.5 sacos de cemento por cada m3.
• El costo de 5 días de trabajo de un obrero por cada m3.
• El costo de 100 m de tuberías de ½”.
• El costo de dos válvulas de bola
• El costo de los accesorios adicionales del fermentador.
Este estimado se encuentra en (Information and Advisory Service on Appropriate
Information and Advisory Service on Appropriate Technology, n.d.), sin embargo también se
encuentran cotizaciones de fermentadores de mayor escala que los dimensionados en la sección
anterior, describiendo cada uno de los costos asociados a la implementación y construcción de los
mismos. Una de estas cotizaciones se empleó como base para el cálculo de costo de los
fermentadores, mediante el uso de la “regla de los 6/10”, un heurístico de costo que permite obtener
los costos asociados a un equipo similar a diferentes capacidades. Los resultados del costeo
detallado, y de los costos totales asociados a los fermentadores se encuentran en la Tabla 5, en
cuanto la cotización original está en el Anexo 11 Es importante notar que los costos se encontraban
en Euros, por lo que se realizó la conversión a Dólares al valor del 13 de junio de 2014.
Tabla 5. Costos de fermentadores
Variable Costo original
Planta de 300 kW
Planta de 10 kW Unidades
Cimientos 28,000 10,736 13,671 € Control de fugas para los cimientos 3,000 1,150 1,465 € Tanque de Acero, recubierto en vidrio 450,000 26,191 56,484 €
Mezclador 70,000 53,868 87,420 € Bridas 15,000 5,605 7,242 € Total 566,000 97,549 166,282 € Total Convertido a dólares 765,976 132,015 225,032 USD
35
Los costos de los demás equipos se encontraron a partir de la simulación en Aspen Plus,
junto con el software Aspen Economic Analyzer. Estos resultados se presentan en su propia sección
más adelante en el documento.
4.2 Purificación y tratamiento del biogás
4.2.1 Descripción y especificación del proceso
El biogás proveniente de los fermentadores usualmente contiene entre 45 y 70% molar de
metano y de 30 a 45% de dióxido de carbono, junto con concentraciones pequeñas pero importantes
de sulfuro de hidrógeno. Para permitir una combustión eficiente y segura del biogás, es necesario
llevarlo a una concentración de más de 90% molar de metano, y remover casi por completo el
sulfuro de hidrógeno, en tanto el primero se interpone en la reacción de combustión y no permite el
aprovechamiento del potencial térmico del metano presente en el biogás, entre tanto el segundo
puede causar corrosión en los equipos de combustión y tuberías por donde se transporta el biogás
(Rasi, 2009), además de estar catalogado como un contaminante atmosférico por el Ministerio de
Ambiente, siendo necesaria su neutralización o captura antes de su disposición final (Ministerio de
medio ambiente vivienda y desarrollo territorial, 2010).
En aplicaciones a escala de planta piloto, se reporta que al realizar un proceso de lavado con
agua a alta presión se logra llegar a las condiciones necesarias para pasar a la combustión
mencionadas anteriormente (Rasi, 2009). Adicionalmente, se plantea un sistema de recuperación del
absorbente mediante una separación flash posterior al proceso de lavado, y una recirculación del
absorbente al proceso, para disminuir lo más posible el consumo de agua. Un diagrama que ilustra
el proceso incluyendo el sistema de recirculación de agua, se presenta en la Figura 15. Con una
configuración de esta manera, la simulación de Aspen Plus muestra unos resultados aceptables para
la recuperación de los compuestos de interés, es decir, eliminación del sulfuro de hidrógeno y
permanencia del metano en la fase gaseosa, estos resultados se presentan en la Tabla 6 para cada
una de las plantas.
36
Tabla 6. Fracciones de recuperación de compuestos de importancia en la purificación del biogás. Valores en porcentaje.
Compuesto 300 kW 10 kW Sulfuro de Hidrógeno (en absorbente) 98.4 96.5 Metano (en biogás) 96.3 89.4
Absorbedor
Agua de compensación Gas Tratado (para combustión)
Biogás Absorbente + Gases
Flash de recuperación
Gases de salida
Agua Recuperada
Bomba presurizadora Enfriador
Reciclo Agua
Figura 15. Diagrama del proceso de purificación de biogás
4.2.2 Dimensionamiento de la columna de absorción
Una vez se deciden las condiciones de operación de la columna, se obtienen los balances
correspondientes a la misma, y con los flujos obtenidos para cada una de las etapas, es posible
realizar los cálculos correspondientes al dimensionamiento de la sección de empaque que compone
la torre, al tiempo que con estos datos es posible conocer la caída de presión de la columna. Estos
cálculos se realizaron con ayuda de los módulos de dimensionamiento y valoración del empaque.
Las características del empaque se hicieron basadas en la aplicación en planta piloto del proceso de
lavado con agua a altas presiones (Rasi, 2009), al mismo tiempo teniendo en cuenta consideraciones
37
de compatibilidad de materiales. Los resultados de la escogencia de empaque, el dimensionamiento
y la evaluación del empaque de la columna se presentan en la Tabla 7.
Tabla 7. Resultados del dimensionamiento y evaluación del empaque de la columna de absorción
Variable Planta de 300 kW Planta de 10 kW Tipo de empaque Aleatorio Aleatorio Especificación Anillos Pall de 0.625 in Anillos Pall de 0.625 in Material Plástico Plástico Fabricante Genérico Genérico Diámetro de columna 0.0690 m 0.139 m Altura de columna 1.50 m 1.50 m Caída de presión 0.00150 atm 0.00150 atm
4.2.3 Flash de recuperación
El equipo de recuperación de agua se encuentra aguas abajo de la columna de absorción,
funciona a presión atmosférica y se especificó a partir del calor que puede entrar al mismo, lo cual
gobierna la fracción de vaporización dentro del equipo. Al tratarse de gases disueltos en agua, una
fracción de vaporización mínima permite la casi total separación de los gases de salida como del
agua recuperada, la cual tiene una pureza de más del 99%. El agua que sale de este equipo se lleva a
las condiciones de alimentación de absorbente a la columna, permitiendo así reducir en gran parte la
necesidad de emplear agua de servicio en este proceso. Los resultados de este equipo para las dos
plantas estudiadas se presentan en la Tabla 8.
Tabla 8. Resultados de los separadores flash
Variable 300 kW 10 kW Unidades
Temperatura 97.0 83.7 °C
Presión 1.00 1.00 atm
Duty 25.0 66.0 kW
Pureza del agua de salida 99.96 99.83 % molar
38
4.3 Ciclo de generación de energía
4.3.1 Capacidad y especificaciones de las turbinas
Para el diseño del ciclo se parte la capacidad de la turbina, la cual se encuentra directamente
en el catálogo del fabricante. Además de la capacidad, el catálogo indica las condiciones de
operación de la turbina, tal como temperatura y presión tanto del vapor de entrada y de salida. Las
hojas de especificaciones de cada una de las turbinas seleccionadas se encuentran en los anexos 7 y
8 para las turbinas de 300 kW y 10 kW, respectivamente, además de un resumen de las condiciones
de las turbinas dentro de la simulación de Aspen Plus se encuentran en la Tabla 9.
Tabla 9. Resumen de las turbinas
Variable 300 kW 10 kW Unidades Eficiencia (%) 45.0 45.0 Presión de descarga 0.100 0.100 bar Temperatura de salida 124 45.8 °C Potencia generada 299 10.0 kW
4.3.2 Especificación de las calderas
Las calderas se modelaron como un reactor y un intercambiador de tubos y coraza, por las
razones explicadas anteriormente. El exceso de aire calculado probó ser adecuado para producir la
energía necesaria y llevar a cabo la combustión a una extensión aceptable. La caldera de la planta
con capacidad de 300 kW lleva además un flujo de gas natural para poder alcanzar las condiciones
de la turbina de esta capacidad. Un resumen de los flujos de entrada de las calderas de cada una de
las plantas se presenta en la Tabla 10.
Tabla 10. Flujos de entrada a las calderas
Flujos (en kmol/h) 300 kW 10 kW Biogás purificado 0.099 0.46 Gas natural 8.59 - Aire 89.1 3.79 Agua 124 5.96
39
4.3.3 Servicios del ciclo de vapor
Para asegurar un buen desempeño de la caldera, turbina, y demás equipos componentes del
ciclo de vapor, es necesario cumplir unas condiciones específicas de concentración de minerales en
el agua, pH y otras condiciones adversas que podrían causar daños en dichos equipos después de un
tiempo de operación, causando costos por mantenimiento o inclusive remplazo del equipo (Kitto &
Stultz, 2005). La extensión de los esfuerzos de purificación y control de calidad del agua del ciclo
de vapor se ve mayormente afectado por la procedencia del agua, que a su vez es producto de la
cercanía de la planta a fuentes de agua o acueductos, y la consecuente calidad del agua de entrada
de estas fuentes, bien sea de agua de pozo, agua de un reservorio, o agua de acueducto. Por tanto la
especificación de estas plantas es altamente variable de la ubicación de la planta, y se decide no
tener en cuenta dentro del alcance de este trabajo.
4.4 Equipos auxiliares, servicios y balance de energía térmica y eléctrica
Los equipos auxiliares como las bombas, compresores, ventiladores e intercambiadores de
calor son parte crucial de la operación de la planta, por lo que los resultados obtenidos de su
operación son de vital importancia para decidir sobre parte de la viabilidad de la planta, en tanto con
estos valores es posible encontrar si la energía eléctrica producida por la turbina es suficiente para
usarse en los equipos que la requieren para su funcionamiento. En la Tabla 11 se resumen los
equipos adicionales, incluyendo la sección a la que pertenecen y el tipo de energía que necesitan o
producen.
Se puede observar que el servicio de mayor consumo, dado que se encuentra en la mayoría
de equipos de la planta es el de electricidad, por lo que se considera que este es uno de los
principales a cubrir, y en dado caso de buscar una operación autosuficiente es imposible
40
Tabla 11. Resumen equipos adicionales y servicios
Equipo Función Servicio requerido
H-101 Calentador Agua Pretratamiento Calentamiento
P-101 Bomba Agua Pretratamiento Electricidad
P-102 Bomba desp. Positivo Fermento Electricidad
P-103 Bomba desp. Positivo Lodos Electricidad H-201 Enfriador agua recirculada Enfriamiento P-201 Bomba de agua absorbente Electricidad P-202 Compresor biogás Electricidad P-203 Bomba de agua recirculada Electricidad P-302 Bomba ciclo de vapor Electricidad P-303 Ventilador de aire caldera Electricidad
4.5 Diagrama de flujo de proceso (PFD)
En los anexos 1 y 2 se encuentran los diagramas de flujo de proceso (PFD por sus siglas en
inglés) correspondientes a tanto la planta de 300 kW como a la planta de 10 kW, listando los
equipos pertenecientes a cada una de las secciones de la planta, la sección de pretratamiento y
fermentación, identificada con el número 1, la sección de purificación y tratamiento de biogás, con
el número 2 y la sección del ciclo de vapor, identificada con la sección 3 del PFD. También se
ilustran en estos diagramas las conexiones de materia entre equipos, y a su vez la conexión de los
servicios correspondientes.
4.5.1 Lazos de control básicos y sistemas de alivio
Dentro del PFD se tienen en cuenta los lazos de control básicos que manipulan variables de
operación para controlar las variables de mayor importancia en el proceso, de tal manera se
garantiza la operación dentro de las condiciones establecidas para cada uno de los procesos que se
llevan a cabo. En los diagramas se muestran los diferentes lazos de control junto con la variable
controlada, manipulada, y su propósito dentro de los procesos; las variables por controlar, además
de las variables manipuladas en el caso del fermentador y de la caldera se encontraron en (Deublein
41
& Steinhauser, 2011) y de (Kitto & Stultz, 2005), respectivamente. Además de esto, los recipientes
que se encuentran cerrados cuentan con válvulas de alivio para evitar la sobrepresión dentro de los
mismos. Las válvulas de alivio se configuraron a 1.2 veces la presión del recipiente, de acuerdo a la
regla general para recipientes a presión (Seider, Seader, & Lewin, 2003).
4.5.2 Balances de materia y energía
Dentro de los anexos 1 y 2, en una tabla presente dentro de los PFD para cada planta se
tienen todos los flujos correspondientes al sistema junto con la caracterización de entalpía y
composiciones de cada uno. Los balances del proceso de fermentación se realizaron a partir de la
caracterización de los sólidos presentes en los residuos alimentados, y la conversión a Biogás a
partir de la reducción de sólidos volátiles resumidos anteriormente. En ese orden de ideas, se
presentan los balances de materia y energía obtenidos para cada uno de las plantas en su PFD
correspondiente.
4.6 Análisis de costo de capital y viabilidad de inversión
4.6.1 Costeo de equipos
El costeo y selección de los equipos aguas abajo del sistema de fermentación, además de los
equipos que calientan y bombean el agua al pretratamiento, se hizo completamente con la ayuda del
software Aspen Process Economic Analyzer, en tanto un ejemplo del costeo de los tanques de
fermentación para ambas plantas se encuentra en la Sección 4.1.2.3. Los costos de los tanques de
pretratamiento y de recepción de lodos de fermentación se dimensionaron con una capacidad
equivalente a 3 días de alimentación, y se hicieron con base en la cotización encontrada de tanques
similares (Krieg & Fisher Ingenieure GmbH, 2010), y por medio de la regla de los 6/10, la misma
empleada para el costeo de los transportadores tanto de alimentación hacia los fermentadores como
de lodos desde los fermentadores, obteniéndose un valor base de 777 USD para una capacidad de
0.0125 ton/h, y con esto se realizó el costeo de los mismos.
42
Los costos obtenidos por medio de ambas metodologías corresponden a precios del 2010, por lo que
se ajustan usando el CE index para Enero de 2014, ambos índices, el de 2010 y 2014 se presentan
en la Tabla 12, mientras que un resumen de los costos de inversión asociados a cada uno de los
equipos se presentan en la Tabla 13.
Tabla 12: Valores para el CE Plant Cost Index
The Chemical Engineering (CE) Plant Cost Index CE Index January 2014 573 CE Anual Index 2010 551
Tabla 13. Costo de equipos e inversión de capital total
Equipo Número Inversión de Capital Total 300 kW 10 kW
H-101 1 $ 97,234 $ 97,234 TK-101 2 $ 20,329 $ 43,866 P-101 3 $ 28,702 $ 28,702 P-102 4 $ 1,899 $ 4,098 R-101 & R-102 5 $ 1,453,055 $ 2,476,869 P-103 6 $ 1,749 $ 3,774 TK-102 7 $ 18,723 $ 40,399 H-201 8 $ 55,428 $ 68,012 P-201 9 $ 29,014 $ 29,014 P-202 10 $ 467,453 $ 526,002 P-203 11 $ 29,222 $ 29,950 T-201 12 $ 210,380 $ 210,380 T-202 13 $ 177,830 $ 177,830 H-301 15 $ 95,986 $ 68,636 P-301 16 $ 153,911 $ 84,755 P-302 17 $ 126,560 $ 52,413 P-303 18 $ 11,907 $ 11,314 R-301 19 $ 353,647 $ 57,110
Total $ 3,333,038 $ 4,010,364
Se observa que los fermentadores representan la mayor parte del costo inicial, dado que son
los equipos de mayor envergadura e implican un mayor sobrecosto en su instalación que otras de las
43
operaciones tenidas en cuenta en este análisis. Es importante notar las suposiciones que conllevan
los dimensionamientos y costeos de cada uno de los equipos empleados.
4.6.2 Uso y costo de servicios, costos variables
De acuerdo a las estimaciones realizadas tanto manualmente como en la simulación, se
tiene el consumo de los equipos en cuanto a calentamiento, enfriamiento, y electricidad para cada
uno de ellos, de esta manera se estima el consumo total de cada uno de estos servicios en la planta,
para calcular los costos asociados a los mismos. En la Tabla 14 se puede observar un resumen de
los consumos de electricidad de cada equipo, junto al total de cada planta, dado que son los más
importantes en cuanto a costo y consumo energético. Los requerimientos energéticos de las bombas
de desplazamiento positivo se estimaron a partir de la información sobre estos equipos, a pesar de
que las cargas son mucho menores a las descritas (Deublein & Steinhauser, 2011), por lo que se
hizo una aproximación con base en estos datos.
Tabla 14. Consumo de electricidad
Equipo Tipo de Equipo Consumo (kW) 300 kW 10 kW
P-101 Bomba Centrífuga 9.74E-04 3.51E-04 P-102 Bomba desp. Pos. 1.50 1.50 R-101 & R-102 Mezcladores 19.4 43.4 P-103 Bomba desp. Pos. 1.50 1.50 P-201 Bomba Centrífuga 0.0100 0.0300 P-203 Bomba Centrífuga 0.0900 0.370 P-302 Bomba Centrífuga 8.49 0.120 P-202 Compresor 0.330 1.320 P-303 Compresor 7.21 0.310
Total 38.5 48.6
Adicional a esto, mediante consulta de los precios de cada uno de los servicios es posible encontrar
el consumo monetario de servicios totales, excepto por el agua de enfriamiento, que se estima con
los precios calculados por Aspen Process Economic Analyzer y no se estima el costo del agua
consumida en el proceso, dado que como se explicó anteriormente los consumos y necesidad de
44
operaciones adicionales son altamente dependientes de la ubicación de la planta y la accesibilidad
de recursos cercanos a la misma, por lo que no se incluye en este análisis. De la misma manera,
como se determinó que las plantas son térmicamente autosuficientes no se tiene en cuenta la
necesidad de emplear servicios de calentamiento. En la Tabla 15 se encuentran los costos unitarios
de los servicios, en tanto en la Tabla 16 se encuentra la tasa a la que se utilizan y el costo total anual
suponiendo 8000 horas de operación por año (El-Hawagi, 2013).
Tabla 15. Precios de los servicios
Servicio Precio (USD) Unidades
Electricidad 0.141 $/kWh Agua de Enfriamiento 0.013 $/m3 Natural Gas 5.65 $/MBTU
Tabla 16. Consumo monetario de servicios
Servicio 300 kW 10 kW
Unidades 300 kW 10 kW
Tasa Costo Anual (USD) Electricidad 16.13 48.6 kW $ 18,136 $ 54,635 Agua de Enfriamiento 0.0187 0.0757 m3/h $ 31.1 $ 9.27 Gas Natural 0.203 0.00 MBTU/h $ 9,185 $ -
Total $ 27,352 $ 54,644
Se tiene que los costos de servicios son los más importantes en cuanto a costos variables
dentro del alcance de este proyecto, en tanto la materia prima empleada no viene a ningún costo
desde la cadena de restaurantes. De esta manera también se tiene el total de costos variables que es
relativamente equivalente al de servicios.
4.6.3 Costos fijos
Los costos fijos asociados a la planta principalmente dependen de la cantidad de operarios y
los turnos que realizan; en este caso se tuvo que se supone que hay 4 turnos de 6 horas con dos
operarios presentes en la planta. Al incluir permisos, vacaciones y demás situaciones por los haya
45
necesidad de suplir un operario, se tiene que aproximadamente se calculan 5 turnos en total, y de
acuerdo a esto se calculan los costos fijos (Seider et al., 2003). Estos también incluyen los costos de
mantenimiento, y costos adicionales de operación, incluyendo administración y afines. La Tabla 17
resume los costos fijos totales anuales relacionados a ambas plantas, dado que se tuvieron las
mismas suposiciones en ambos casos.
Tabla 17. Costos fijos para las dos plantas
Categoría Costo anual Operación
Operarios/turno 2 Salarios y beneficios operarios (USD/h) $ 2.00 Salarios y Beneficios Anuales (DW&B)* $ 41,600 Ventas directas y beneficios $ 6,240 Materiales de operación y servicios $ 2,496
Mantenimiento
Salarios y beneficios (MW&B) $ 41,600 Sueldos y beneficios $ 10,400 Materiales y Servicios $ 41,600 Costos adicionales de mantenimiento $ 2,080
Costos adicionales de operación
Costos adicionales generales $ 7,088 Serivicios del departamento mecánico $ 2,396 Departamento de relaciones humanas $ 5,890 Servicios de administración $ 7,388 TOTAL $ 168,779
4.6.4 Ventas
En el desarrollo actual del proyecto, es decir, en tanto sólo se tiene la planta de producción
de biogás, el producto a vender sería la electricidad producida por las turbinas de cada planta, sin
embargo en un desarrollo posterior habrían numerosas fuentes de ingresos para la planta completa,
dado que a medida que se considere la adición de otros procesos productivos a la planta es posible
una producción de derivados más elaborados a partir de los residuos producidos por WOK y
cadenas adicionales. La Tabla 18 contiene las proyecciones de ventas de electricidad suponiendo
46
que se vende la electricidad en su totalidad a aproximadamente el precio de compra y 8,000 horas
de tiempo de operación.
Tabla 18. Ventas de electricidad de las plantas
Tasa de producción Unidades Ventas
Anuales 299.78 kW $ 337,081 10.00 kW $ 11,240
4.6.5 Análisis de inversión, y viabilidad de planta.
Una vez se tienen los resultados correspondientes a los ingresos, costos e inversión inicial
es posible realizar un análisis de la inversión de acuerdo a indicadores de viabilidad financiera. Sin
embargo, todavía es necesario encontrar los flujos de caja, la depreciación e incluir los beneficios
tributarios propuestos por Colciencias para proyectos involucrados en la producción de energías
alternativas. En la Tabla 19 se encuentra un resumen de los supuestos adicionales y los datos más
importantes para tomar como base del análisis de inversión.
Tabla 19. Suposiciones y parámetros del análisis de inversión. Adaptada de (El-Hawagi, 2013)
Parámetro Valor Descripción Vida útil de planta 10.0 Años
Depreciación general de la planta (%) 200 Método Geométrico Decreciente por 7 años
Financiamiento (%) 100 Equity Tasa de descuento después de impuestos (%) 10.0 Tasa de impuesto al ingreso (%) 39.0 Año al que se calcula el Dólar 2014 Subsidios No Capacidad de planta Toneladas residuos/año Período de construcción 1.00 Años Inversión en Capital de Trabajo (%) 10 10% Inversión de capital Fijo
Temporada de Operación 8000 Horas/año
47
Adicional a esto, se tienen los aspectos económicos de la planta, los cuales ayudan a
obtener el análisis de viabilidad, los flujos de caja relacionados a la vida útil de la planta, entre otros.
Dentro de los valores económicos se encuentran además las ventas y gastos calculados
anteriormente, que ayudan a encontrar las utilidades antes y después de impuestos. En el caso de
utilidades negativas, no se tiene el cobro de impuestos, por lo que estas utilidades son iguales a las
anteriores, hasta el momento que la inversión presente utilidades antes de impuestos positivas. La
Tabla 20 contiene tanto las inversiones de capital total, los costos, ventas y utilidades calculadas
antes y después de impuestos para ambas plantas. De esta información se obtiene una información
importante sobre la posible viabilidad de la planta.
Tabla 20. Parámetros económicos generales de las plantas; valores en USD
Parámetro 300 kW 10 kW Terreno y acondicionamiento $ 1,000,000 $ 1,000,000 Inversión Fija de Capital (FCI) $ 3,333,038 $ 4,010,364 Inversión en Capital de Trabajo $ 333,303 $ 401,036 Inversión Total de Capital $ 3,666,341 $ 4,411,400 Costos Fijos Anuales $ 168,779 $ 168,779 Costos Variables Anuales $ 52,517 $ 54,644 Total costos $ 221,297 $ 223,424 Ventas Anuales $ 337,081 $ 11,240 Utilidades anuales antes de impuestos $ 115,784 $ (212,183) Utilidades anuales después de impuestos $ 70,628 $ (212,183)
A primera vista, la planta que produce 10 kW a partir de sólo biogás obtiene utilidades
negativas, dado que sus gastos sobrepasan en gran manera a los ingresos posibles de vender
electricidad, en tanto la planta de 300 kW a pesar de que tiene gastos por servicios adicionales,
como el gasto por gas natural, llega a producir ganancias o utilidades positivas haciendo un balance
entre sus ventas y sus gastos. Este análisis tampoco favorece la planta de 10 kW, en tanto la
inversión de capital fijo es bastante mayor que la de 300 kW. Salvo no se encuentre una manera de
aumentar los ingresos o disminuir los costos de la planta productora de 10 kW mediante el uso de
48
diferentes tecnologías o la producción de derivados de alto valor agregado, la planta no es
sostenible económicamente.
Pasando a un análisis de inversión, es posible realizar dos estimados diferentes: uno
teniendo en cuenta el valor del dinero en el tiempo, y otro sin tener en cuenta el mismo. Ambos son
valiosas herramientas que dejan ver diferentes aspectos de la viabilidad de planta en cuanto el
análisis sin tener en cuenta el valor del dinero en el tiempo permite evaluar el comportamiento de la
economía de la planta dentro de un período, teniendo en cuenta los ahorros tributarios por
depreciación. Por otro lado, los indicadores que tienen en cuenta el valor del dinero en el tiempo
tienen la capacidad de evaluar a una cierta tasa de descuento la viabilidad de una inversión en
cuanto al dinero que puede representar al momento de realizar la inversión inicial. En las Tablas 21
y 22 se tienen los indicadores calculados para cada planta. El detalle del cálculo de los indicadores
donde no se tiene en cuenta el valor del dinero en el tiempo se encuentra en el anexo 10.
Tabla 21. Indicadores económicos sin tener en cuenta el valor del dinero en el tiempo
300 kW 10 kW Depreciación anual del costo de capital fijo $ 476,148 $ 572,909
Costos totales anuales $ 221,297 $ 223,424 Utilidad neta Anual después de impuestos $ 256,326 $ 94,002
Inversión total de Capital $ 3,666,341 $ 4,411,400 Retorno en la Inversión (%) 6.99 2.13
Tabla 22. Indicadores de viabilidad de inversión teniendo en cuenta el valor del dinero en el tiempo
Indicador 300 kW 10 kW Tasa interna de retorno (TIR) (%) 21.37 16.92 Valor presente Neto de la inversión $ 1,158,499 $ 651,786
Observando estos valores, las inversiones no presentan pérdidas sobre la inversión inicial,
sin embargo las razones de estos resultados es posible que no se deban a la viabilidad económica de
49
la planta como tal, sino a los ahorros tributarios, además de los incentivos tributarios ofrecidos por
Colciencias, que representan un 175% sobre el valor de la inversión inicial repartidos sobre tres
años de operación de la planta.
En los flujos de caja calculados, la planta de producción de 10 kW nunca tiene un flujo
positivo dentro de su vida útil, y la productora de 300 kW sólo presenta flujo de caja positivo en el
último año (véase anexo 9), por lo que se considera que las plantas deben estar acopladas a otras
unidades productivas para aumentar los ingresos de las mismas, o también se recomienda aumentar
la capacidad posible de residuos a recibir, en tanto a medida que aumenta la capacidad de los
equipos que representan el mayor costo de capital, es decir los fermentadores, la variación en el
precio tiende a disminuir (Information and Advisory Service on Appropriate Information and
Advisory Service on Appropriate Technology, n.d.), y a medida que se procesa más biogás es
posible la autosuficiencia de la planta en términos energéticos, y la posible venta de energía
producida en exceso a la red eléctrica, de acuerdo a la legislación actual.
En conclusión, con los resultados de la operación de la planta y los resultados del análisis
económico, se observa que la planta es técnicamente viable, existen las tecnologías para realizar
cada uno de los procesos relacionados a las mismas, al igual que la inversión de capital es cuantiosa,
pero no presenta pérdidas en el valor presente ni en las utilidades netas anuales. Uno de los
principales problemas con el conjunto de datos presentado en esta sección, es la incertidumbre
asociada, dado el elevado número de suposiciones, aproximaciones, interpolaciones y demás
estimados de los valores reales tanto técnica como económicamente.
Sin embargo, este proyecto se convierte en un excelente ejercicio exploratorio sobre las
eventualidades técnicas y económicas de poner en marcha una planta de tratamiento de residuos
alimenticios con las tecnologías descritas, y deja ver la necesidad de un esfuerzo activo para reducir
la incertidumbre asociada a la investigación preliminar que este trabajo supone. En este orden de
ideas, el proyecto se convierte en una hoja de ruta para encaminar los esfuerzos tanto investigativos
50
como económicos a la reducción de la incertidumbre en la dinámica de los sistemas involucrados,
por ejemplo en el comportamiento de los procesos y sistemas de separación parte del tratamiento y
purificación del biogás, la estimación de los ingresos y costos asociados a la producción de
derivados de los residuos alimenticios, de tal manera que se afecten positivamente los ingresos e
indicadores de viabilidad de la planta.
51
5. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
La problemática de residuos sólidos es una de ámbito mundial, con numerosas
aproximaciones con respecto a su solución, incluyendo el modelo de producción de biogás a partir
de residuos alimenticios, la misma siendo es especialmente apta para el territorio nacional, y
especialmente en Bogotá, dada la participación mayoritaria de este tipo de residuos en las descargas
de basuras de la ciudad y el país.
La mayoría de la investigación en cuanto a fermentación de residuos alimenticios por vía de
bacterias anaerobias demuestra la versatilidad, rendimiento y facilidad de implementación de la
fermentación seca (>20% sólidos totales) a condiciones mesofílicas (35°C). El modelamiento de
estos fermentadores es altamente complejo, por tanto se tienen valores de conversión en
aplicaciones en modelo escala laboratorio y escala completa, de los que se alimenta el cálculo de
flujos de biogás reportados.
Es posible simular los procesos de tratamiento y combustión del biogás en una caldera parte
de un ciclo de vapor con un grado aceptable de exactitud por medio de la simulación con la
herramienta Aspen Plus y la alimentación de datos experimentales y teóricos sobre el
comportamiento de los sistemas y equipos involucrados.
Los resultados de operación y costos de capital y variables de dos plantas, produciendo cada
una 10 kW y 300 kW de electricidad respectivamente, se pueden obtener por medio de una serie de
costeo de equipos similares, y costeo por medio de la introducción de la simulación de Aspen Plus a
la herramienta Aspen Process Economic Analyzer.
Los estudios de viabilidad de inversión arrojan resultados positivos para el valor presente
neto y la tasa interna de retorno, sin embargo los flujos de caja proyectados para las plantas dejan
ver la necesidad de una mayor profundización en cuanto a la simulación y costeo del proceso.
52
El obtener valores sobre la operación y la economía de planta ayuda a encaminar los
esfuerzos investigativos hacia la reducción de la incertidumbre asociada a los valores reportado en
este trabajo, sin embargo deja un marco teórico establecido para el desarrollo posterior del proyecto
y etapas consiguientes.
53
6. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
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56
ANEXO 1: diagrama de flujo de proceso (PFD) planta de co-generación
de 300 kW
General Notes
Reactions
Conventions
Faculty of Engineering.
Department of Chemical
Engineering
Drawn by:
Course: Proyecto de Grado
Drawing Number01
16/06/2014Scale:None
REV.1
0
Rev.
16/06/2014
Date
Issued for comments
Description Checked
Anexo 1: 300 kW plant PFD
Process Flow Diagram: Co-generation of electricity
and heat from biogas
Approved by:
Rocío Sierra Ramírez, PhD
Process input
Process output
Major LineMinor Line
Electrical signal
LPS
CW
Temperature ControlTC
LC Level Control
Cooling Water
Low Pressure Steam
FC Flow Control
Control valve
Safety valve
TK-101
H-101
R-101 R-102P-102
T-201
P-201
T-202
H-201
R-301
Water
P-202
P-303
Air
P-301
H-301
P-302
P-203
Sludge
Exhaust Gases
Combustion Gases
Isaac Enrique Pérez Borda
H-101Pre-treatment water heater
TK-101Pre-treatment tank
& mixer
R-101Acidogenesis
Fermenter
R-102Methanogenesis
Fermenter
P-202Biogas
Compressor
P-102Ferment-feeding
screw pump
P-201Absorber
pump
T-201Biogas Upgrading
Absorption Column
T-202Water Recovery Flash Separator
H-201Water Recycle Condenser and
Cooler
P-203Water Recycle
Compressing Pump
P-303Air-intake Fan
R-301Biogas and Natural
Gas-firedSuperheated Steam
Boiler
P-301Electricity-
Generating Turbine
H-301Condenser and
Cooler
P-101Water
Solid Refuse
P-103
1
2 4
3
5
6
8
10
13
14
15
16
17
12
11
18
19
20
25
22
24
23
21
P-101Pretreatment water pump
P-103Sludge Pump
P-302Steam cycle
pump
26
Set @ 6.1 atm
Set @ 1.2 atm
Set @ 1.21 atmSet @ 1.21 atm
Set @ 14.09 atm
FC
LPS
TC
TC
LPS
LC
P-124
7
TC
LPS
TC
LPS
FCP-131
FC
9
CW
TC
CW
TC
Stream Label
Natural Gas
P-14127
57
ANEXO 2: diagrama de flujo de proceso (PFD) planta de co-generación
de 10 kW
General Notes
Reactions
Conventions
Faculty of Engineering.
Department of Chemical
Engineering
Drawn by:
Course: Proyecto de Grado
Drawing Number01
16/06/2014Scale:None
REV.1
0
Rev.
16/06/2014
Date
Issued for comments
Description Checked
Anexo 2: 10 kW plant PFD
Process Flow Diagram: Co-generation of electricity
and heat from biogas
Approved by:
Rocío Sierra Ramírez, PhD
Process input
Process output
Major LineMinor Line
Electrical signal
LPS
CW
Temperature ControlTC
LC Level Control
Cooling Water
Low Pressure Steam
FC Flow Control
Control valve
Safety valve
TK-101
H-101
R-101 R-102P-102
T-201
P-201
T-202
H-201
R-301
Water
P-202
P-303
Air
P-301
H-301
P-302
P-203
Sludge
Exhaust Gases
Combustion Gases
Isaac Enrique Pérez Borda
H-101Pre-treatment water heater
TK-101Pre-treatment tank
& mixer
R-101Acidogenesis
Fermenter
R-102Methanogenesis
Fermenter
P-202Biogas
Compressor
P-102Ferment-feeding
screw pump
P-201Absorber
pump
T-201Biogas Upgrading
Absorption Column
T-202Water Recovery Flash Separator
H-201Water Recycle Condenser and
Cooler
P-203Water Recycle
Compressing Pump
P-303Air-intake Fan
R-301Biogas and Natural
Gas-firedSuperheated Steam
Boiler
P-301Electricity-
Generating Turbine
H-301Condenser and
Cooler
P-101Water
Solid Refuse
P-103
1
2 4
3
5
6
8
10
13
14
15
16
17
12
11
18
19
20
25
22
24
23
21
P-101Pretreatment water pump
P-103Sludge Pump
P-302Steam cycle
pump
26
Set @ 6.1 atm
Set @ 1.2 atm
Set @ 1.21 atmSet @ 1.21 atm
Set @ 14.09 atm
FC
LPS
TC
TC
LPS
LC
P-124
7
TC
LPS
TC
LPS
FCP-131
FC
9
CW
TC
CW
TC
Stream Label
58
ANEXO 3: detalles de la legislación relacionada con tratamiento y
disposición de residuos sólidos
59
Reglamento Técnico del Sector Potable y Saneamiento Basico RAS - Titulo F
• Página 111:
Localización de la planta de aprovechamiento y valorización
“Para la localización de la planta de aprovechamiento y valorización de materiales
contenidos en residuos sólidos, se deben considerar, entre otros, los siguientes criterios:
a. Deben tenerse en cuenta los usos del suelo establecidos en el plan de ordenamiento
territorial (POT, PBOT o EOT), así como lo definido en el PGIRS del municipio
b. Debe ser técnica, económica y ambientalmente viable teniendo en cuenta las condiciones de
tráfico vehicular, conectividad y vialidad, generación de ruido, emisiones de olores y
material particulado, esparcimiento de materiales, vertimientos de líquidos y el control de
vectores
c. Debe considerar las rutas y vías de acceso de tal manera que minimice el impacto generado
por el tráfico
d. Debe contar con servicios públicos de acueducto, alcantarillado y energía. En caso de
carecer de alcantarillado, debe implementarse un sistema de tratamiento de aguas
residuales.
e. Debe tenerse un retiro de mínimo 50 m de áreas residenciales cuando se efectúe la gestión
de fracciones de residuos sólidos inorgánicos reciclables y su localización debe realizarse
preferiblemente en áreas con uso de suelo industrial; y de 500 m de áreas residenciales
cuando se efectúe la gestión de fracciones de residuos sólidos orgánicos biodegradables y
preferiblemente localizarse en áreas con uso del suelo de expansión urbana, periurbano o
rural”
60
• Requisitos previos para la comercialización de productos obtenidos por tratamientos de las
fracciones de residuos sólidos orgánicos biodegradables. Página 116:
“La planta de aprovechamiento de residuos orgánicos debe contar con su respectivo
registro de funcionamiento y el producto final con la respectiva licencia de venta, definidos
en la resolución 0150 de 2003 del Instituto Colombiano Agropecuario – ICA por la cual se
adopta el Reglamento Técnico de Fertilizantes y Acondicionadores de Suelos para
Colombia, o las normas que las modifiquen, adicionen o sustituyan.
• Estudios de factibilidad. Página 141:
a. Análisis de costo de capital de la construcción y montaje de la unidad de acopio
y tratamiento. Deben considerarse los siguientes aspectos:
• Actividades de preparación del sitio
• Servicios públicos
• Estructuras civiles. Accesos, edificaciones, cerramientos, etc.
• Tamaño de la unidad de tratamiento según la capacidad de
procesamiento y el almacenamiento del material no procesado y
procesado.
• Costos de equipo. Deben considerarse los aspectos de adquisición,
transporte, montaje, pesaje y puesta en marcha de los equipos. El
equipo a utilizar debe estar en función del tamaño de la unidad.
• Costos de elementos, equipos y maquinaria requeridos para el control
ambiental: control de olores, control de vectores, control de emisiones,
tratamiento de vertimientos, implementación de aislamientos e
impermeabilización.
61
b. Costos de diseño, incluidos en el manual operativo y el reglamento operativo de
la instalación
• Criterios mínimos para el diseño del área de procesos de aprovechamiento de fracciones de
residuos sólidos orgánicos biodegradables. Página 113:
Tabla A3.1: tipos de residuos sólidos y sus generadores
Tipo de generador Tipo de residuos
Institucional y comercial
Plazas de mercado Residuos orgánicos frescos
Actividades de jardinería Residuos de poda, corte de
césped y jardinería
Plantas de tratamiento de agua
residual domiciliaria
Lodos procedentes del
tratamiento biológico de aguas
residuales que no contienen
residuos peligrosos y cumplen
con los valores mínimos para
ser materia prima según la
NTC 5167 V.2 o aquellas que
la modifiquen o sustituyan
Doméstico
Residuos orgánicos frescos
Residuos de poda, corte de
césped y jardinería
62
No son apropiados para compostaje los residuos de mataderos, de restos de comida cocidos,
carne, pescado, huesos, cáscaras de huevo, restos de plantas enfermas, heces, pañales, arena para
gatos; por representar riesgos en la calidad del proceso y del producto a obtener.
El diseño debe considerar como mínimo las siguientes etapas de proceso:
a. Entrega y control de residuos: selección y pesaje
b. Acondicionamiento mecánico: trituración y mezcla
c. Tratamiento biológico mediante degradación aerobia / anaerobia.
d. En procesos aerobios, oxigenación dinámica mediante volteo manual o mecánico o estática
mediante ventilación forzada.
e. Maduración
f. Empaque: tamizado y pesaje.
Resolución ICA 00991 de 2001
ARTICULO PRIMEREO: prohibir el uso de harinas de carne, de sangre, de hueso vaporizadas, de
carne y hueso y de despojos de mamíferos nacionales o importadas, en la formulación de alimentos,
sales mineralizadas para rumiantes y en la elaboración de abonos o fertilizantes
Decreto Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio 2981 del 2013.
Reglamento de la prestación del servicio público de aseo
Aprovechamiento: es la actividad complementaria del servicio público de aseo que comprende la
recolección de residuos aprovechables separados en la fuente por los usuarios, el transporte
selectivo hasta la estación de clasificación y aprovechamiento o hasta la planta de aprovechamiento,
así como su clasificación y pesaje.
63
Gestión integral de residuos sólidos: es el conjunto de actividades encaminadas a reducir la
generación de residuos, a realizar el aprovechamiento teniendo en cuenta sus características,
volumen, procedencia, costos, tratamiento con fines de valorización energética, posibilidades de
aprovechamiento y comercialización. También incluye el tratamiento y disposición final de los
residuos no aprovechables.
Plan de gestión integral de residuos sólidos, PGIRS: es el instrumento de planeación municipal o
regional que contiene un conjunto ordenado de objetivos, metas, programas, proyectos, actividades
y recursos definidos por uno o más entes territoriales para el manejo de los residuos ´solidos,
basado en la política de gestión integral de los mismos, el cual se ejecutará durante un período
determinado, basándose en un diagnóstico inicial, en su proyección hacia el futuro y en un plan
financiero viable que permita garantizar el mejoramiento continuo del manejo de residuos y la
prestación del servicio de aseo a nivel municipal o regional, evaluado a través de la medición de
resultados.
• Página 13
Artículo 28. Requisitos de la actividad de recolección. La actividad de recolección se realizará
observando los siguientes requisitos:
1. La recolección deberá efectuarse de modo tal que se minimicen los impactos, en especial el
ruido y se evite el esparcimiento de residuos en la vía pública, cumpliendo la normativa
vigente en caso de que se esparzan residuos durante la recolección, es deber de la persona
prestadora realizar inmediatamente la limpieza correspondiente dejando el área libre de
residuos para mantener la condición de limpieza de la misma.
2. Para garantizar la actividad de recolección, las personas prestadoras deberán contar con los
equipos y mecanismos suficientes que garanticen la suplencia en los casos de averías y en
el mantenimiento de los mismos. Estos equipos deberán cumplir con las características de
64
los vehículos recolectores definidas en este decreto. El servicio de recolección de residuos
no podrá ser interrumpido por fallas mecánicas.
3. El servicio de recolección de residuos aprovechables y no aprovechables se prestará de
acuerdo con lo establecido en el PGIRS, de tal forma no se generen riesgos a la salud
pública.
4. En las zonas en las cuales se utilice el sistema de recolección en cajas de almacenamiento,
las personas prestadoras del servicio público de aseo deberán instalar las que sean
necesarias de acuerdo a la generación de residuos, frecuencias y horarios de la prestación
del servicio, para que los residuos sólidos compactados no desborden su capacidad.
5. La operación de compactación deberá efectuarse en zonas donde causen la mínima molestia
a los residentes. En ningún caso esta operación podrá realizarse frente a centros educativos,
hospitales clínicas o cualquier clase de centros asistenciales.
6. Será responsabilidad de la persona prestadora del servicio público de aseo capacitar al
personal encargado del manejo de residuos, dotarlo de equipos de protección personal,
identificación, uniformes de trabajo con aditamentos reflectivos y demás implementos así
como condiciones conforme a la normativa vigente en materia laboral y de salud
ocupacional.
7. Los lixiviados almacenados en el vehículo que se originen durante la recolección y
transporte de los residuos sólidos ordinarios serán depositados en el sitio de disposición
final para su respectivo tratamiento.
Pagina 31:
Artículo 82. Propósitos del aprovechamiento. El aprovechamiento de los materiales contenidos
en los residuos sólidos, tiene como propósitos fundamentales:
1. Racionalizar el uso y consumo de las materias primas provenientes de los recursos naturales
65
2. Recuperar valores económicos y energéticos que hayan sido utilizados en los diferente
procesos productivos
3. Disminuir el consumo de energía en los procesos productivos que utilizan materiales
reciclados.
4. Aumentar la vida útil de los rellenos sanitarios al reducir la cantidad de residuos a disponer
finalmente en forma adecuada.
5. Reducir el caudal y la carga contaminante de lixiviados en el relleno sanitario,
especialmente cuando se aprovechan residuos orgánicos
6. Disminuir los impactos ambientales, tanto por demanda y uso de materias primas como por
los procesos de disposición final.
7. Garantizar la participación de los recicladores de oficio, en las actividades de recuperación
y aprovechamiento, con el fin de consolidar productivamente estas actividades y mejorara
sus condiciones de vida.
Artículo 83. Características de los residuos sólidos para el aprovechamiento. En las
actividades de aprovechamiento, los residuos deben cumplir por lo menos con los siguientes
criterios básicos y requerimientos, para que los métodos de aprovechamiento se realicen en
forma óptima:
1. Los residuos sólidos deben estar limpios y debidamente separados por tipo de material,
de acuerdo con los lineamientos establecidos en el PGIRS.
2. No deben estad contaminados con residuos peligrosos, metales pesados, ni bifenilos
policlorados.
Parágrafo. En el caso de las fracciones de residuos sólidos orgánicos biodegradables el
almacenamiento temporal no puede superar las cuarenta y 8 (48) horas.
66
Artículo 84. Almacenamiento de materiales aprovechables. El almacenamiento de los materiales
aprovechables deberá realizarse de tal manera, que no se deteriore su calidad ni se pierda su valor.
Los residuos sólidos aprovechables separados en la fuente, deben almacenarse de manera que no
afecten el entorno físico, la salud humana y la seguridad; por lo tanto deben controlarse los vectores,
olores, explosiones y fuentes de llama o chispas que puedan generar incendios. Los lugares de
almacenamiento deben salvaguardar las características físicas y químicas de los residuos sólidos allí
depositados. Se deben almacenar bajo condiciones seguras dependiendo de sus características. Los
materiales reciclables inorgánicos pueden almacenarse en altura.
Artículo 85. Compactación o densificación de materiales aprovechables. En las instalaciones de
almacenamiento se podrá incrementar la densidad de los residuos sólidos, ya sea para reducir las
necesidades de almacenamiento o para la reducción del volumen para el transporte, con los equipos
tecnológicos disponibles en el mercado.
Página 32:
CAPITULO IX
ESTACIÓN DE CLASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO
Artículo 87. Requisitos mínimos para las estaciones de clasificación y aprovechamiento. Las
estaciones de clasificación y aprovechamiento deberán cumplir como mínimo con los siguientes
requisitos:
1. Tener en cuenta para su ubicación los usos de suelo establecidos en las normas de
ordenamiento territorial.
2. La localización y el número de estaciones de clasificación y aprovechamiento deberá estar
sustentada técnicamente en el marco del PGIRS.
3. La zona operativa y de almacenamiento de materiales debe ser cubierta y con el
cerramiento físico con el fin de prevenir o mitigar los impactos sobre el área de influencia.
67
4. Contar con el respectivo diagrama de flujo del proceso incluida la: recepción, pesaje y
registro.
5. Contar con las siguientes áreas de operación:
• Recepción.
• Pesaje.
• Selección y clasificación.
• Procesos y para materiales aprovechables.
• Procesos para materiales de rápida biodegradación.
6. Contar con instrumentos de pesaje debidamente calibrados de acuerdo con la normatividad
vigente.
7. Contar con un sistema de ventilación y extracción adecuado, que controle la emisión de
olores mediante trampas y sistemas de adsorción.
8. Contar con sistema de prevención y control de incendios.
9. Contar con sistema de drenaje para el control de las aguas lluvias y escorrentía
subsuperficial y sistema de recolección y tratamiento de lixiviados cuando sea del caso.
10. Contar con las autorizaciones que haya lugar.
11. Las instalaciones deben tener impermeabilización de los pisos y paredes y deben estar
construidas en materiales que permitan su aseo, desinfección periódica y mantenimiento
mediante lavado.
12. Cumplir con las normas de seguridad industrial.
13. Estar vinculado al servicio público de aseo como usuario, para efector de la presentación y
entrega de los residuos de rechazo con destino a disposición final. Los residuos entregados
al prestador del servicio deberán ser pesados entregando al prestador el registro de las
cantidades presentadas.
Página 34:
68
Artículo 92. Viabilidad de los proyectos de aprovechamiento. El ente territorial en el marco de
los PGIRS deberá determinar la viabilidad de los proyectos de aprovechamiento de residuos,
teniendo en cuenta aspectos sociales, económicos, técnicos, operativos, financieros y comerciales
así como los beneficios, entre otros los ambientales. Para ello deberá considerar, por lo menos, los
siguientes factores:
1. Realización de un análisis de mercado en el cual se evalúe como mínimo la oferta, la
demanda, los precios históricos de compra y venta de materiales; identificación de los
actores de la cadena de comercialización y transformación de material reciclable, que
permita estimar la cantidad de residuos a ser incorporados en el ciclo productivo en un
período determinado de tiempo.
2. Realización de la cuantificación y caracterización de los residuos para determinar el
potencial de aprovechamiento, de acuerdo con sus propiedades y condiciones de mercado.
3. Realización del predimensionamiento de la infraestructura y equipos necesarios, en lo
posible considerante por lo menos dos (2) alternativas tecnológicas y administrativas,
apropiadas a las condiciones socioeconómicas del municipio. Para el efecto se considerará
la cantidad y tipo de residuos que se gestionarán en el proyecto de aprovechamiento,
teniendo en cuenta el tipo de producto que el proyecto ofrecerá en el mercado.
4. Comparación de alternativas a través de indicadores como beneficio/costo, empleos
generados, costos de operación y mantenimiento, ingresos, entre otros.
5. Evaluación de la viabilidad financiera y comercial de la alternativa seleccionada, para lo
cual deberá considerar los costos de inversión, operación, administración y mantenimiento.
Así mismo, deberá incluid los ingresos por concepto de comercialización de materiales y
tarifas. El análisis deberá ser desarrollado para un período mínimo de diez años,
incorporando indicadores financieros como B/C, VPN y TIR. La viabilidad del proyecto se
considera positiva en condiciones de indiferencia de estos indicadores.
69
6. En el marco de los PGIRS, el municipio deberá considerar la articulación del proyecto de
aprovechamiento de residuos con los demás componentes del servicio público de aseo
como la presentación de los residuos separados en la fuente, recolección y transporte
selectivo, sensibilización y capacitación en separación en la fuente.
7. Sensibilización, educación y capacitación a los usuarios del servicio público, funcionarios
de la administración municipal, empleados de las empresas prestadoras del servicio público
de aseo, en temas de competencia de cada grupo objetivo, que garantice la articulación del
esquema de aprovechamiento en el ente territorial.
8. El sitio donde se instalará la infraestructura debe ser compatible con los usos del suelo
definidos en las normas de ordenamiento territorial vigentes.
9. El proyecto debe contar con los permisos, concesiones y autorizaciones a que haya lugar,
según lo establecido en la normativa vigente.
10. Estructurar las estrategias para la vinculación de los recicladores de oficio cuando sea el
caso.
70
ANEXO 4: procedimiento de selección de modelos termodinámicos de
propiedades
71
La selección se justifica por medio del seguimiento de los diagramas de flujo presentados en
(Carlson, 1996); a continuación se presenta la justificación de las decisiones tomadas:
Para el primer diagrama de flujo, se tiene que el agua es altamente polar, al igual que el dióxido de
carbono y el sulfuro de hidrógeno. Adicional a esto, no hay presencia de electrolitos, por lo que se
sigue con otro diagrama de flujo:
Figura A4.1. Primer árbol de decisión
En el siguiente diagrama de flujo, se tiene que las presiones en la simulación (a excepción de los
flujos de agua del ciclo de vapor, que estarán modelados por el modelo de tablas de vapor del NBS),
son todos menores a 10 bar. Además, no se tiene información sobre los parámetros de interacción
72
entre todos los compuestos presentes en la simulación, aunque se tiene seguridad de que no habrá
equilibrio entre fases líquidas, por lo que el árbol de decisión deja como selección el modelo
UNIFAC y derivados del mismo. De esta manera, y ratificando esta decisión con la Figura 5-2 de
(Peters et al., 2003), que se trata de un árbol de decisión similar, se define el modelo usado para los
cálculos de equilibrio y adicionales es UNIFAC.
Figura A4.2. Segundo árbol de decisión.
73
ANEXO 5: descripción en detalle de los cálculos usados en la estimación
de parámetros de los fermentadores.
74
Sea 𝐹�̇�el flujo de residuos y 𝐹�̇� la cantidad de agua necesaria para llevar a 30% de sólidos totales la
mezcla a ser alimentada al fermentador, ambos en kg/día. Con las densidades obtenidas de la
literatura a 35°C tanto del agua como de los residuos, se tiene el flujo volumétrico de cada uno, y su
suma resulta en un flujo volumétrico de mezcla fermentativa �̇�𝑀, en m3/día:
𝐹�̇�𝜌𝑅
+𝐹�̇�𝜌𝑊
= 𝑉�̇� + 𝑉�̇� = 𝑉�̇� A5.1
Con el tiempo de retención hidráulico de cada tanque, definido como 𝐻𝑅𝑇, se obtiene el volumen
total del tanque, 𝑉𝑇:
𝑉𝑇 = 𝑉�̇� ∙ 𝐻𝑅𝑇 A5.2
De acuerdo a la literatura, la forma más común de un fermentador anaeróbico es cilíndrica, por lo
que si se tiene la ecuación del volumen de un cilintro, y se sabe que la relación altura/diámetro es
1.2, se obtiene:
𝑉𝑇 =𝜋4∙ 𝑑2 ∙ ℎ A5.3
𝑠𝑖 ℎ = 1.2𝑑
𝑉𝑇 = 1.2 ∙𝜋4∙ 𝑑3
Despejando el diámetro, dado que ya se conoce el volumen, se obtiene:
𝑑 = � 4
1.2𝜋∙ 𝑉𝑇
3 A5.4
Y con esta información ya se tienen las dimensiones del fermentador.
75
Para el cálculo de las pérdidas de calor, se necesitan las dimensiones del reactor, y además datos
teóricos sobre los coeficientes de transferencia de calor, conductividades térmicas y dimensiones
del reactor. En el siguiente diagrama se observa cómo se realizó el cálculo del coeficiente global de
transferencia de calor:
Figura A5.1 Diagrama información térmica fermentadores
Con esta información, y partiendo de la teoría de resistencias térmicas, se tiene que el coeficiente
global de transferencia de calor, 𝑈 se calcula de acuerdo a la siguiente expresión:
𝑈 =1
1ℎ𝐴𝑖𝑟𝑒
+ Δ𝑥𝑘𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑
+ 1ℎ𝑀𝑒𝑑.𝐹𝑒𝑟𝑚.
= 1.27𝑊𝑚2𝐾
A5.5
Este parámetro es indiferente de las dimensiones de los reactores, sin embargo para encontrar las
pérdidas de calor se tiene en cuenta el área superficial de la pared vertical y el techo,
sobreestimando este último suponiendo que el coeficiente convectivo dentro del fermentador es
Aire:
T=15°C
h=55.0
Pared:
Δx=0.23 m
k=0.300 W/m K
Medio Fermentativo:
T=35°C
h=5.25 kW/m2K
76
igual en todos los puntos del mismo, a pesar de que el nivel de la mezcla no alcanza el techo. El
área superficial entonces se calcula en términos del diámetro:
𝐴𝑆 = á𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 = 𝜋 ∙ 𝑑 ∙ ℎ +𝜋4∙ 𝑑2
= 1.2𝜋 ∙ 𝑑2 + 1.2𝜋4∙ 𝑑2
A5.6
=32𝜋𝑑2
Y por último las pérdidas de calor al ambiente se calculan con el coeficiente global, el área
superficial, y la diferencia de temperaturas entre el medio fermentativo y el ambiente.
𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝑈 ∙ 𝐴𝑆 ∙ (𝑇𝑀𝑒𝑑.𝐹𝑒𝑟𝑚. − 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒) A5.7
77
ANEXO 6: hoja de trabajo de Aspen Plus®
78
Figura A6.1 Hoja de trabajo de Aspen Plus®
79
ANEXO 7: hoja de especificaciones turbina Siemens SST-040
(300 kW)
SST-040(denominación anterior: AFA 3,5)
Hasta 300 kWLa SST-040 una turbina de presión constante de una etapa (turbina de impulso). Esta turbina marcadamente económica sirve de accionamiento del generador en la gama de potencia de 75 a 300 kW. Se emplea en pequeñas centrales de cogeneración de calor y electricidad y de biomasa, en plantas termosolares descentralizadas y para el aprovechamiento del claro residual, por ejemplo tras motores de gas o biogás, o vapor residual.
Datos técnicosn Potencia: hasta 300 kW n Presión del vapor vivo: hasta 40 bar (a)n Temperatura del vapor vivo: vapor seco saturado de hasta 400 °Cn Velocidad: conforme a la máquina accionada n Presión del vapor de escape: Contrapresión hasta máx. 7 bar (a);
condensación hasta 0,1 bar (a)
Dimensiones típicasLongitud: 2,5 m*Anchura: 1,5 m*Altura: 2 m*
Principales característicasn Turbina de contrapresión o condensaciónn Modelo del paquete, dispositivo de lubricación integrado en
el bastidor de basen Pequeño, ligero y compacto: apenas 4.500 kg aprox. de peso total*n Mínimo gasto en fundamento n Construcción resistente y robusta, – prácticamente libre
de manutención n Alta disponibilidad gracias a una técnica resistente y seguran Arranque rápido sin calentamiento previo de la turbina n Económica por sus componentes experimentadosn Rápida tramitación y puesta en servicio
*Paquete completo de turbogenerador.
Turbinas de vapor prediseñadasTurbinas de vapor compactas para la gama de potencia de hasta 12 MW
SST-010(nombre anterior: EPM – Expansion Power Modul)
Hasta 110 kW El SST-010 es un turbogenerador compacto para descompresión de gas natural en estaciones reguladoras de presión de gas. La turbina sin reductor, dispuesta directamente en la tubería del gas, aprove-cha la disminución de presión para accionar un generador.
Datos técnicosn Potencia: 110 kW n Presión del gas: hasta 70 bar (a)n Caudal del gas: hasta 15.000 m3/hn Presión de salida del gas: hasta 25 bar (a)n Diámetro del rodete: 400 mm
Dimensiones típicasLongitud: 1,2 m Anchura: 0,8 mAltura: 0,9 m
Principales característicasn Escaso mantenimiento gracias a su sencillo diseñon Funcionamiento muy seguron Posibilidad de arranque rápidon Carcasa sujeta directamente a la tubería del gasn Homologación ATEX
80
ANEXO 8: hoja de especificaciones turbina Green Turbine 15 kW
(10 kW)
81
ANEXO 9: flujos de caja calculados planta de 300 kW y 10 kW; valores
en dólares
82
Planta de 300 kW
Tabla A9.1. Flujos de caja para la planta de 300 kW
Planta de 10 kW
Tabla A9.2. Flujos de caja para la planta de 10 kW
Fin del año
Inversión fija de capital
Capital de Trabajo
Impuestos/Beneficios
Depreciación Costos Ventas Ganancia Neta Flujo de Caja Flujo de Caja descontado
Flujo de Caja descontado Acumulado
0 1,000,000.00$ -$ (1,000,000.00)$ (1,000,000.00)$ (1,000,000.00)$ 1 3,333,038.05$ -$ (3,333,038.05)$ (3,030,034.59)$ (4,030,034.59)$ 2 333,303.81$ 1,944,272.20$ -$ -$ -$ 1,610,968.39$ 1,331,378.84$ (2,698,655.76)$ 3 1,944,272.20$ 952,296.59$ 221,297.39$ 337,081.46$ (510,272.63)$ 2,386,296.15$ 1,792,859.61$ (905,796.14)$ 4 1,944,272.20$ 680,211.85$ 221,297.39$ 337,081.46$ (344,300.94)$ 2,280,183.10$ 1,557,395.74$ 651,599.60$ 5 485,865.60$ 221,297.39$ 337,081.46$ (225,749.74)$ 260,115.87$ 161,511.49$ 813,111.09$ 6 347,046.86$ 221,297.39$ 337,081.46$ (141,070.30)$ 205,976.56$ 116,268.40$ 929,379.48$ 7 247,890.61$ 221,297.39$ 337,081.46$ (80,584.99)$ 167,305.62$ 85,854.24$ 1,015,233.72$ 8 177,064.72$ 221,297.39$ 337,081.46$ (37,381.20)$ 139,683.53$ 65,163.40$ 1,080,397.12$ 9 126,474.80$ 221,297.39$ 337,081.46$ (6,521.35)$ 119,953.46$ 50,871.97$ 1,131,269.09$
10 221,297.39$ 337,081.46$ 70,628.28$ 70,628.28$ 27,230.26$ 1,158,499.35$
Fin del año
Inversión fija de capital
Capital de Trabajo
Impuestos/Beneficios Depreciación Costos Ventas Ganancia Neta Flujo de Caja
Flujo de Caja descontado
Flujo de Caja descontado Acumulado
0 1,000,000.00$ -$ (1,000,000.00)$ (1,000,000.00)$ (1,000,000.00)$ 1 4,010,364.39$ -$ (4,010,364.39)$ (3,645,785.81)$ (4,645,785.81)$ 2 401,036.44$ 2,339,379.23$ -$ -$ -$ 1,938,342.79$ 1,601,936.19$ (3,043,849.62)$ 3 2,339,379.23$ 1,145,818.40$ 223,424.11$ 11,240.40$ (828,381.29)$ 2,656,816.34$ 1,996,105.44$ (1,047,744.18)$ 4 2,339,379.23$ 818,441.71$ 223,424.11$ 11,240.40$ (628,681.51)$ 2,529,139.43$ 1,727,436.26$ 679,692.08$ 5 584,601.22$ 223,424.11$ 11,240.40$ (486,038.81)$ 98,562.41$ 61,199.50$ 740,891.58$ 6 417,572.30$ 223,424.11$ 11,240.40$ (384,151.17)$ 33,421.13$ 18,865.36$ 759,756.94$ 7 298,265.93$ 223,424.11$ 11,240.40$ (311,374.28)$ (13,108.35)$ (6,726.66)$ 753,030.28$ 8 213,047.09$ 223,424.11$ 11,240.40$ (259,390.79)$ (46,343.70)$ (21,619.68)$ 731,410.60$ 9 152,176.49$ 223,424.11$ 11,240.40$ (222,259.73)$ (70,083.23)$ (29,722.13)$ 701,688.47$
10 223,424.11$ 11,240.40$ (129,432.07)$ (129,432.07)$ (49,901.66)$ 651,786.81$
83
ANEXO 10: cálculo de indicadores de bondad financiera sin tener en
cuenta el valor del dinero en el tiempo
84
El cálculo de estos indicadores se realizó teniendo como guía el ejemplo 2 del capítulo 2 de (El-
Hawagi, 2013):
El retorno en la inversión (ROI) se define según la ecuación 2.38 de (El-Hawagi, 2013):
𝑅𝑂𝐼 =
𝑈𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙
A10.1
Donde la utilidad anual se calcula por medio de la ecuación 2.47 de la misma fuente:
𝑈𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙= (𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 − 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠− 𝐷𝑒𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛)(1 − 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠) + 𝐷𝑒𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛
A10.2
La depreciación promedio anual de la Inversión de Capital Fijo se encuentra dividiendo la Inversión
de Capital Fijo entre los períodos de depreciación:
𝐹𝐶𝐼𝑑𝑒𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =𝐹𝐶𝐼
7 A10.3
Los costos anuales se obtienen del análisis ya realizado, al igual que los ingresos, que se supone que
son únicamente las ventas. La tasa de impuestos supuesta es la misma encontrada en la Tabla 19.
Con esta información es posible calcular el retorno sobre la inversión para cada una de las plantas
evaluadas.
85
ANEXO 11: Cotización de una planta de producción de biogás en
Alemania en el 2010; base para los costos de fermentadores
26.07.2010 Biogas Plant 1514 ELETROSUL TUPANDI- Cost Assessment as for such a Biogas Plant
in Germany, 526 kWe -
EuroCivil Works 0,00Preparation of Site on siteFence and Gate on siteStreet Works on siteCivil Works in general on site
Reception Tank for Liquid Input 94.000,00Concrete Tank, diameter 17,00 m, height cyl. 6,00 m, volume 1,360 m³ 50.000,002 mixers, submerged, 11 kWe each 20.000,00Cage Ladder with Platform 4.000,00Cover (simple roof) 15.000,00Flanges 5.000,00
Pasteurisation Unit 0,00no Pasteurisation included 0,00
Digester 566.000,00Foundation, concrete, diameter 18,00 m 28.000,00Leakage Control for Foundation 3.000,00Steel Tank, glass coated, diameter 17,50 m, height cyl. 17,50 m, volume 4,210 m³ 450.000,00Leak-/Over-/Underpressuretest 0,001 mixer, top mounted, 15 kW 70.000,00Insulation includedCage Ladder, Platform, Viewing Glass includedOver-/Under pressure Valve and Safety Equipment includedFreight, Assembly, Documentation includedFlanges 15.000,00
Secondary Digester 180.000,00Concrete Tank, diameter 20,00 m, height cyl. 6,00 m, volume 1,885 m³ 65.000,00Leakage Control for Foundation 4.000,002 mixers, side-mounted, 11 kWe each 35.000,00Double Membrane Gas Holder Roof, volume about 640 m³ 33.000,00Insulation 28.000,00Cage Ladder, Platform, Viewing Glass 6.000,00Over-/Underpressure Valve 3.000,00Flanges 6.000,00
Storage Tank 0,00according to local regulations, may be lagoon 0,00
Gas System 165.000,00Emergency Flare, 250 m³/h 25.000,00Gas Blower 10.000,00Gas Cooler 50.000,00Gas desulphurisation 80.000,00
Gas Engine 360.000,00Gas Engine, Jenbacher, 526 kW el. Power 350.000,00completely equipped to be installed in a building includedincl. heat distribution, safety devices, control cabinet includedHeat for start-up operation 10.000,00
1514 da eletrosul LPozzatti 100726 Cost Assessment 526 kWe.xls Page 1
26.07.2010 Biogas Plant 1514 ELETROSUL TUPANDI- Cost Assessment as for such a Biogas Plant
in Germany, 526 kWe -
Building 65.000,00Pumping Room between digesters and secondary digester 30.000,001 Building for electrical devices 10.000,00Building for Gas Engines 25.000,00Reception Hall 0,00Biofilter 0,00Toilet, shower, office 0,00Office Building 0,00
Equipment 142.500,00Pumps 22.500,00Grinder 0,00Heat Exchanger 60.000,00Pipes 60.000,00Weigh Bridge 0,00
Gas-, Electric-, Heating System Installations 110.000,00Electrical Equipment 80.000,00Process Control Equipment 20.000,00Measurement Devices 10.000,00Lightning Protection 0,00Transformer on siteConnection to Transformer on site
Engineering K&F 300.000,00Engineering Brazil ???
Subtotal, net, without VAT 1.982.500,00
1514 da eletrosul LPozzatti 100726 Cost Assessment 526 kWe.xls Page 2