Estudio técnico y económico para la implementación de una planta de generación de energía eléctrica a partir de la incineración de residuos sólidos urbanos producidos en la ciudad de Medellín Antioquia para una capacidad de operación de 5 toneladas al día. Andrés Lenin González Vargas Informe de práctica presentado para optar al título de Ingeniero Mecánico Asesores Iván Darío Bedoya Doctor (PhD) Enrique de Jesús Posada Magíster (MSc) en Ingeniería. Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica Medellín, Antioquia, Colombia 2024 Cita González Vargas [1] Referencia Estilo IEEE (2020) [1] González Vargas, “Estudio técnico y económico para la implementación de una planta de generación de energía eléctrica a partir de la incineración de residuos sólidos urbanos producidos en la ciudad de Medellín Antioquia para una capacidad de operación de 5 toneladas al día.”, Trabajo de grado profesional, Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia, Medellín, Antioquia, Colombia, 2024. Centro de Documentación Ingeniería (CENDOI) Repositorio Institucional: http://bibliotecadigital.udea.edu.co Universidad de Antioquia - www.udea.edu.co El contenido de esta obra corresponde al derecho de expresión de los autores y no compromete el pensamiento institucional de la Universidad de Antioquia ni desata su responsabilidad frente a terceros. Los autores asumen la responsabilidad por los derechos de autor y conexos. Dedicatoria Este logro lo dedico a Dios, a mis padres, mis hermanos, mi novia y todas esas personas que me apoyaron, que, aunque no siendo fácil, encontraron el don de la paciencia para enseñarme a transitar este camino con mucha perseverancia para llegar a este día. Agradecimientos En primer lugar a Dios que me dispuso los medios para culminar mi formación académica de manera exitosa, dándome el don de la sabiduría y la inteligencia para culminar este reto en mi vida, segundo a mi familia, mis padres y mis hermanos que siempre han sido mi apoyo incondicional, que son mi motivación y mi ejemplo de perseverancia para seguir hacia adelante y hacer las cosas bien, tercero a mi novia, mi princesa María Alejandra que ha sido el lado tierno y suave del camino, mi compañera y la persona más paciente y comprensiva en los momentos tormentosos, cuarto, a la empresa Grupo Pospin S.A.S y su gente maravillosa, donde pude adelantar mis prácticas académicas de manera muy completa y retadora. Y por último y no menos importantes a mis compañeros de carrera, profesoras y profesores de la Universidad de Antioquia, amistades de universidad, amistades de práctica y de vida, que han sido mis mentores, y fueron un ejemplo de resiliencia a seguir en estos años de formación, a ellos que hicieron este camino más confortable y ameno de pregrado de ingeniería… Gracias. TABLA DE CONTENIDO RESUMEN 11 ABSTRACT 12 I. INTRODUCCIÓN 13 II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14 III. JUSTIFICACIÓN 16 IV. OBJETIVOS 17 A. Objetivo general 17 B. Objetivos específicos 17 V. MARCO TEÓRICO 18 5.1 Marco conceptual. 18 5.1.1 Gasificación de residuos: 18 5.1.2 Biodigestión de residuos. 18 5.1.3 Pirólisis de residuos. 19 5.1.4 Incineración directa de residuos. 19 5.1.5 Etapas de una planta WTE: 19 5.1.5.1 Zona de llegada y separación: 20 5.1.5.2 Zona de acumulación: 20 5.1.5.3 Zona de combustión: 20 Horno de parrilla: 20 Hornos de lecho fluidizado: 20 Hornos rotativos: 20 5.1.5.4 Zona de postcombustión y eliminación de NOx: 21 5.1.5.5 Zona de generación eléctrica: 21 5.1.5.6 Zona de tratamiento de gases y control de emisiones: 21 5.2 Marco referencia 22 5.3 Marco legal 28 VI. METODOLOGÍA 30 6.1 Caracterización termoquímica bibliográfica del energético: 30 6.1.1 Composición fisicoquímica. 30 6.1.2 Composición molar del combustible y el aire de Medellín. 32 6.1.3 Determinación del poder energético calorífico: 33 6.2 Balance de masa aplicable de la combustión: 33 6.3 Determinación del vapor a producir para el ciclo Rankine y capacidad energética del combustible. 34 6.3.1 Vapor a producir: 35 6.3.2 Balance general de producción de energía eléctrica: 37 6.3.3 Balance general de producción de energía en el ciclo Rankine: 37 6.3.4 Balance general propuesto para la planta completa: 38 6.4 Evaluación económica: 43 6.4.1 Costos de inversión, operación y mantenimiento, e ingresos de la planta WTE: 43 6.4.2 Costos de operación y mantenimiento. 45 6.4.3 Ingresos propuestos de la planta: 45 Ahorro de disposición de residuos con respecto a el coste de O&M de la planta. 45 Venta de energía eléctrica de la planta, basado en la capacidad de generación. 46 Venta de bonos de carbono de la planta. 46 VII. RESULTADOS 48 VIII. DISCUSIÓN 51 IX. CONCLUSIONES 52 REFERENCIAS 54 LISTA DE TABLAS TABLA I: ALGUNAS PLANTAS DE INCINERACIÓN EN EL MUNDO 25 TABLA II: DIRECTRICES LEGALES EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS NO CONVENCIONALES APLICABLES AL PROCESO WTE POR INCINERACIÓN DIRECTA 29 TABLA III: COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN LA BASURA 31 TABLA IV: COMPOSICIÓN QUÍMICA GENERAL DE LA BASURA 32 TABLA V: COMPOSICIÓN MOLAR DE LOS RESIDUOS SIN CENIZAS 32 TABLA VI: CONDICIONES DEL AIRE EN LA CIUDAD DE MEDELLÍN 32 TABLA VII: CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA CALDERA, DATOS DE ENTRADA PARA SU DISEÑO 35 TABLA VIII: ENTALPÍAS DEL TRAYECTO DE 1 A 4 EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER36 TABLA IX: CONSIDERACIONES ENERGÉTICAS EN CADA DISPOSITIVO DEL CICLO RANKINE 37 TABLA X: COSTOS DE INVERSIÓN DE PLANTAS CON BASE EN SU CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO 43 TABLA XI: COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA UNA PLANTA DE 150000 TON/AÑO 44 TABLA XII: CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL CICLO RANKINE, PRODUCCIÓN DE VAPOR Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 48 TABLA XIII: DATOS BÁSICOS DEL MODELO ECONÓMICO EVALUADO 48 TABLA XIV: RESULTADOS DEL MODELO ECONÓMICO PROPUESTO 49 LISTA DE FIGURAS Fig. 1. Distancia de disposición de residuos desde Medellín a los principales rellenos sanitarios 14 Fig. 2. Proyección anual de demanda energía eléctrica (gwh-año) 15 Fig. 3. Proceso de waste to energy esquemático 21 Fig. 4. Disposición y aprovechamiento de los residuos en diferentes países 23 Fig. 5. Plantas de generación eléctrica de incineración de residuos en Europa 24 Fig. 6. Resolución 909 referente a normas y estándares de emisiones para fuentes fijas y móviles colombianas 29 Fig. 7. Composición física de los residuos que llegan a La Pradera desde Medellín 31 Fig. 8. Balance de masa general de una combustión para combustible sólido 33 Fig. 9. Ciclo Rankine ideal sencillo y su diagrama de Mollier 34 Fig. 10. Sección del ciclo de la planta en el diagrama de Mollier para las condiciones de diseño 36 Fig. 11. Ciclo Rankine ideal del modelo y diagrama de Mollier 38 Fig. 12. Diagrama general de la planta de incineración y zonas generales 38 Fig. 13. Flujo másico y energético general de la zona de recepción y acumulación 39 Fig. 14. Flujo másico y energético general de la zona de combustión y generación eléctrica 40 Fig. 15. Flujo másico general de la zona de tratamiento de gases 40 Fig. 16. Distribución de los equipos representativos de la planta 41 Fig. 17. Distribución de las principales zonas de la planta 42 Fig. 18. Modelo económico básico del proyecto 50 SIGLAS, ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS CEWEP Confederación Europea de Plantas de Valorización Energética de Residuos COP Pesos colombianos �̇� Flujo de energía para calentamiento y evaporación EUR Euro FORSU Fracción Orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos g gramos GWh Giga Watts Hora h Entalpía ID Índice de deseabilidad kJ kilo Julios kg kilogramos kW kilo Watts kWh kilo Watts hora km kilómetros m Metros �̇� Flujo másico mfi Porcentaje en peso del elemento en cuestión. Mwi Masa molar del elemento químico en cuestión N Potencia NOx Óxidos de nitrógeno O&M Operación y Mantenimiento P Presión Pa Pascales PhD Philosophiae Doctor �̇� Potencia térmica RDF Combustible derivado de residuos R&D Recolección y disposición RSU Residuos Sólidos Urbanos s Segundo SRF Combustible sólido recuperado T Temperatura TIR Tasa interna de retorno TRM Tasa Representativa del Mercado ton Tonelada UdeA Universidad de Antioquia USD dólar estadounidense UPME Unidad de Planeación Minero Energética de Colombia Vesp Volumen específico VNA Valor neto actual �̇� Trabajo o potencia mecánica WTE Waste to Energy X Calidad de vapor Xi Fracción molar elemento i XM Administradores del mercado eléctrico colombiano RESUMEN Este trabajo toma como referencia el manejo de los desechos sólidos, para desarrollar un estudio en la ciudad de Medellín que contempla la posibilidad de la implementación de un proyecto de generación eléctrica a partir de los desechos sólidos como materia prima. El estudio preliminar aborda y evalúa las posibilidades de generación de energía eléctrica en una planta de WTE, a través de incineración de los residuos, más un ciclo de potencia de vapor con una capacidad de generación de 128 kW de potencia. Este modelo es tomado de ejemplos que se han desarrollado en otras ciudades del mundo, con la diferencia de que es a una escala menor. El energético será la basura, al cual se le determinará con base en la recolección de información de fuentes municipales la caracterización física de los elementos que la componen, para luego desarrollar el análisis químico cuantitativo con base en dicha composición física y tomando datos de bibliografía consultada. Luego, se definirán las características de incineración con balances estequiométricos. Al término de este procedimiento se determinará producción de vapor a generar y la utilización en un ciclo Rankine básico. Según los datos obtenidos se pretende generar un panorama de inversión según los parámetros económicos regionales y considerar la posibilidad de implementación según un escenario económico propuesto. Los análisis económicos hechos se desarrollaron con base en la capacidad de generación de energía eléctrica, ahorros en disposición de basura y factores ambientales, según datos tomados de los informes consultados. Palabras clave — Gestión de desechos sólidos, generación de electricidad, planta de conversión de residuos en energía (WTE), incineración, ciclo de potencia de vapor, producción de vapor, ciclo Rankine, perspectiva de inversión, viabilidad de implementación, ahorros en disposición de desechos, factores ambientales. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 12 ABSTRACT This work references the management of solid waste to develop a study in the city of Medellín that considers the possibility of implementing a project for electricity generation using solid waste as raw material. The preliminary study addresses and evaluates the possibilities of generating electrical energy in a Waste-to-Energy (WTE) plant through the incineration of waste, along with a steam power cycle with a generation capacity of 128 kW. This model is based on examples developed in other cities worldwide, with the difference that it is on a smaller scale. The energy source will be waste, for which the physical characterization of its components will be determined based on information collected from municipal sources. Subsequently, a quantitative chemical analysis will be developed based on this physical composition, using data from the consulted bibliography. Then, the incineration characteristics will be defined with stoichiometric balances. At the end of this procedure, the production of steam to be generated and its utilization in a basic Rankine cycle will be determined. According to the obtained data, an investment outlook will be generated based on regional economic parameters, and the possibility of implementation will be considered according to a proposed economic scenario. The economic analyses were developed based on the electricity generation capacity, savings in waste disposal, and environmental factors, according to data from the consulted reports. Keywords — solid waste management, electricity generation, Waste-to-Energy (WTE) plant, incineration, steam power cycle, steam production, Rankine cycle, investment outlook, implementation feasibility, waste disposal savings, environmental factors. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 13 I. INTRODUCCIÓN Las condiciones energéticas de Colombia han propuesto metodologías de uso racional de la energía y búsquedas de nuevas fuentes que en el mejor de los casos sean renovables, fundamentadas por los principales puntos de crecimiento exponencial de la industria y la vivienda, que acarrean una demanda energética importante. Junto con lo anterior el desarrollo industrial y poblacional ha dejado una consecuencia importante desde el punto de vista ambiental por medio de los desechos o residuos sólidos. Los retos que acarrean ambos campos han planteado nuevas alternativas de diseño, implementación y consumo energético, involucrando a su vez una disposición más inteligente de residuos. La metodología “Waste to Energy”, surge como una ruta de diseño de un plan mejor articulado donde la disposición final de los residuos y el aprovechamiento energético de éstos se unen. En este trabajo se plantea la metodología de incineración directa como método WTE, pero estas metodologías comprenden no sólo la combustión de los residuos, sino también los procesos de gasificación, pirolisis y biodigestión, como metodologías de recuperación energética de estos. La incineración directa es una alternativa que, aunque ya implementada en muchos lugares del mundo (notablemente en Europa, Japón, Corea del Sur y China), aún no se lleva a cabo en Colombia de manera significativa, por lo cual, los procesos son poco conocidos en la industria local y no se generan planes de ordenamiento público que se implementen por parte de administraciones locales o inversiones privadas para el uso de desechos con potencial energético por parte de empresas específicas. Actualmente se ha visto la necesidad de contar con soluciones más adecuadas y de mayor impacto, es así como se pretende desarrollar un panorama desde el estudio de las capacidades energéticas de los residuos hasta los componentes de una central térmica pequeña para quemarlos, y usar esa energía en un ciclo de vapor, y con ello dimensionar un alcance posterior a cantidades mucho mayores y posibilidades a gran escala, considerando una inversión de un proyecto que procese 5 toneladas al día como base para trabajos posteriores de mayor capacidad. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 14 II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proceso industrializado de grandes ciudades y el aumento de su población son en general un factor directo en el crecimiento de los residuos generados por estas, las condiciones de disposición y tratamiento se han hecho en gran medida en rellenos sanitarios, los cuales han incrementado el costo ambiental de la disposición ya que los residuos no tienen una ruta distinta a la de agruparse compactadamente en zonas lejanas de los centros urbanos, con ello contaminando fuentes hídricas como ríos y quebradas. Al respecto, una de las principales fuentes de contaminación es el vertimiento de los lixiviados generados por los rellenos sanitarios, los cuales no cuentan con la capacidad necesaria para tratar la cantidad generada de dichos componentes [2]. Actualmente la disposición mayoritaria de los residuos sólidos se hace en el relleno sanitario La pradera, la cual se encuentra a casi 57 km de distancia de la cabecera municipal de Medellín [3], como se ve en la figura 1, estas grandes distancias llevan a costos que rondan los 1000 a 2000 millones de pesos anuales para el municipio [4]. Fig. 1. Distancia de disposición de residuos desde Medellín a los principales rellenos sanitarios Nota: Tomada de [3] En este sentido Corantioquia advirtió que 25 rellenos sanitarios que operan en la región antioqueña están en fase final de su vida útil, con máximo tres años más por delante de operación. El 25% de esos rellenos, está adelantando trámites para recibir la licencia ambiental que les permita prolongar su vida útil [5]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 15 Además de lo mencionado, los costos ambientales relacionados al calentamiento global están relacionados a los gases de efecto invernadero, esto debido a la generación de CO2 en el proceso de transporte y degradación de los FORSU, y la cantidad de CH4 generado por los rellenos en la descomposición de estos. La descomposición anaeróbica de la materia orgánica depositada en los rellenos sanitarios y en botaderos de basura a cielo abierto genera la producción de un gas compuesto aproximadamente por 55% de metano (CH4), 40% de gas carbónico (CO2) y 5% de nitrógeno (N2) más otros gases minoritarios [6]. Así mismo el panorama nacional muestra una tendencia en aumento del consumo energético sin tomar en cuenta los consumidores especiales [7]. Se estima que el crecimiento de la demanda energética del país siga una tendencia lineal al alza, tal como se muestran la figura 2, en donde se pronostica que para el 2036 se llegue a un crecimiento entre 2,22% al 3,33% según proyecciones de la UPME. Fig. 2 Proyección anual de demanda energía eléctrica (GWh-año) Nota: Tomada de [7]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 16 III. JUSTIFICACIÓN En el marco de la de la política nacional de transición energética propuesta desde el gobierno nacional se plantea la necesidad actual para implementar usos a metodologías distintas de aprovechamientos de fuentes energéticas no convencionales, este hecho desarrolla un compromiso desde la misma cultura ciudadana hasta metas que se ha propuesto desde el ministerio de ciencias, tecnología e innovación de Colombia. Este panorama tiene como objetivo desacelerar el cambio climático y aportar beneficiosamente a este último hacia el año 2050, tomando en cuenta los costos implicados sobre la economía nacional. Desde el año 2021 es un trabajo que se adelanta en esa dirección [8]. Esta política de cambio energético es una meta que enfrenta 3 problemáticas fundamentales las cuales son [8]: i.) Deficiente vinculación de la investigación y la innovación nacionales para reducir los riesgos e impactos de la transición energética sobre la estabilidad del sistema energético. ii.) Necesidad de incorporar la investigación y la innovación en la generación de valor en las cadenas productivas de la industria nacional asociada a la transición energética. iii.) Articulación deficiente de los actores institucionales, capacidades estructurales deficientes y gestión ineficiente del sistema de investigación e innovación en el ecosistema energético. Es por lo tanto el objetivo de esta investigación abordar desde una perspectiva académica e ingenieril la implementación de una metodología de aprovechamiento energética de los residuos que se generan en los centros urbanos y más específicamente en la ciudad de Medellín Antioquia, y así considerando los tres panoramas desfavorables abordar en gran medida el segundo, el cual se fundamenta en el valor adicional que se le puede dar a las cadenas productivas que generan desechos, y su aprovechamiento no sólo ambiental sino también energético, con ello comprender en la medida de la investigación el alcance de esta metodología y sus impactos en el sector social y público. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 17 IV. OBJETIVOS A. Objetivo general Aportar desde el punto de vista energético, una mirada investigativa fundamentalmente académica de los RSU como fuente energética para la ciudad de Medellín, con base en datos de la ciudad, y abordar los conceptos principales de una planta de generación de energía eléctrica a partir de desechos para la ciudad de Medellín Antioquia para una capacidad de 5 toneladas de residuos por día. B. Objetivos específicos 1. Realizar una revisión bibliográfica de fuentes digitales para determinar los procesos y características de una planta WTE, otras maneras de disposición de RSU, y las características de generación y capacidades de operación de plantas WTE por incineración en el mundo y en Colombia. 2. Consultar los datos de los residuos generados en la ciudad de Medellín para determinar su composición físico-química, y con ello determinar la capacidad energética térmica por incineración directa de estos y su posterior aprovechamiento térmico en un ciclo Rankine convencional. 3. Determinar el diagrama general del proceso de incineración y recuperación de calor, y con ello determinar un esquema de la planta. 4. Realizar un estudio de prefactibilidad económico del proyecto, basándose en costos de instalación de plantas desarrolladas en el mundo bajo consideraciones de parámetros económicos y operacionales locales. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 18 V. MARCO TEÓRICO 5.1 Marco conceptual. La valorización energética WTE es una metodología de tratamiento térmico o no térmico de residuos a través de varias tecnologías que aprovechan cada uno de estos desechos y/o los subproductos de los mismos. Las metodologías para aprovechar energéticamente estos desechos son variadas, dependiendo de los usos que se les quiera dar como último fin. Entre estas tecnologías se encuentran la incineración de quema en masa, combustión en lecho fluido (o fluidizado), coincineración, digestión anaeróbica o biometanización o biogás, RDF, SRF, gasificación, gasificación por plasma y pirólisis. También es frecuente la utilización de variantes y combinaciones de estos términos [9]. 5.1.1 Gasificación de residuos: La gasificación se define como un método en el que las moléculas de la materia prima se descomponen en sus elementos a altas temperaturas (entre 500 y 1400 °C) y presiones atmosféricas elevadas (hasta 33 bares) [10]. En el proceso son utilizados agentes gasificantes como vapor, aire, O2, CO2 o mezclas de estos [11]. La exposición de la materia prima al nivel estequiométrico de oxígeno conduce a la producción de gas de síntesis compuesto principalmente por hidrógeno, monóxido de carbono, metano, dióxido de carbono, hidrocarburos ramificados, alquitrán y una cantidad insignificante de nitrógeno [12]. Este gas tiene aplicaciones como la combustión en motores para la producción de energía eléctrica, generación de calor, materia prima en síntesis química, entre otras [10]. 5.1.2 Biodigestión de residuos. El proceso de biodigestión consiste en la degradación de la materia orgánica de los residuos urbanos en un ambiente anaeróbico (en ausencia de oxígeno), por medio de bacterias metanogénicas, este proceso libera un gas que se compone en su mayoría por CH4 (metano) y CO2 (dióxido de carbono), H2Og (vapor de agua) en menor medida, y trazas de otros gases. El proceso depende de varios factores, como la temperatura a la que se tenga el biodigestor, la materia orgánica que se procese y el tiempo de residencia en estos. El proceso es una manera de aprovechamiento energético de los residuos orgánicos para la producción de energía eléctrica en motores de combustión, energía térmica en quemadores o en el refinamiento del biogás para convertirlo en CH4 (metano) con una alta pureza y ser distribuido. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 19 5.1.3 Pirólisis de residuos. Esta tecnología consiste en calentar los residuos orgánicos o una mezcla entre inorgánicos y orgánicos (co-pirólisis) en un entorno sin o con poco oxígeno para convertir diversos tipos de biomasa o mezclas en bio-aceite, gas de síntesis y otros materiales energéticos [13]. Los procesos de pirólisis se ven afectados si los componentes son ricos en cenizas o inertes además del oxígeno presente en la materia prima [14]. La co-pirólisis con plásticos ricos en hidrógeno mejora la calidad de los productos generados [15]. El producto obtenido al igual que pasa con los procesos de biodigestión y gasificación puede ser usados como combustible en ciclos de potencia o sólo como una fuente de energía térmica en quemadores. 5.1.4 Incineración directa de residuos. El proceso de incineración de residuos aprovecha el poder calorífico que poseen este desperdicio como combustible. El método tradicional de convertir los residuos en energía consiste en quemarlos directamente en una cámara de combustión y una parrilla especiales [16]. Los RSU se convierten en una fuente energética para encender los hornos; a cambio, se genera calor y los residuos de RSU se convierten en cenizas y gases de combustión [17]. El ciclo Rankine convierte el calor en vapor para generar electricidad, en una turbina la cuál aprovecha la energía de dicho fluido [18]. La degradación de los residuos en la incineración reduce el volumen de estos, lo cual favorece el proceso de disposición e impactos en el suelo, además de ser una opción atractiva en el sentido de que se genera energía eléctrica de este proceso a través de la recuperación de calor en un ciclo de potencia de vapor. 5.1.5 Etapas de una planta WTE: Las condiciones de operación de las plantas de WTE de incineración pueden constar básicamente de 4 etapas o zonas: Combustión de RSU, postcombustión y reducción de NOx, generación de vapor y potencia, control ambiental [19], o 6 etapas si se incluyen los procesos de manipulación y almacenamiento de los desechos [16], como se aprecia en la figura 3. Cada una de estas últimas etapas se describen a continuación: ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 20 5.1.5.1 Zona de llegada y separación: Esta zona es donde se hace la primera disposición de los residuos, desde una selección de los elementos que no deben ir al incinerador, para luego disponerlos para ser ingresados a la zona de acumulación. 5.1.5.2 Zona de acumulación: El foso de acumulación es una estructura de hormigón cerrada e impermeabilizada para evitar que los lixiviados se infiltren al suelo. Además, cuenta con sistemas de control de olores para que no salgan del foso, generalmente por sistemas de extracción que generan presión negativa y no dejan que salgan gases de mal olor. En esta zona se retienen los residuos antes de entrar al horno incinerador. 5.1.5.3 Zona de combustión: Este lugar consta de una cámara de combustión el cual es un horno incinerador que puede ser de tres tipos principalmente [20]: Hornos de parrilla: Son por excelencia el horno más utilizado en la combustión de residuos sólidos, esto debido a que la falta de homogeneidad de estos dificulta su combustión y estos dispositivos generan una cama móvil donde estos pueden ser movidos a la vez que son quemados. Hornos de lecho fluidizado: Estos dispositivos requieren que los residuos se encuentren reducidos en su tamaño, y divididos por lo que se hace necesario una acción de pretratamiento más compleja. Hornos rotativos: Al igual que los incineradores de parrilla son muy utilizados en la incineración de residuos sólidos, aunque generalmente son usados en incineración de deseos peligrosos como residuos hospitalarios. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 21 5.1.5.4 Zona de postcombustión y eliminación de NOx: El óxido de nitrógeno de los gases de combustión ascendentes se neutraliza mediante inyección de amoníaco o urea. Las dioxinas y los furanos se destruyen exponiendo los gases de combustión a una temperatura sostenida de 850 °C durante dos segundos. Este proceso elimina más del 99 por ciento de las dioxinas y furanos [19]. 5.1.5.5 Zona de generación eléctrica: Es el lugar donde se aprovecha el calor producido por la combustión de los desechos a través de una caldera en un ciclo Rankine, el cual consta en su manera más general de un generador de vapor sobrecalentado, turbina, condensador y bombas. 5.1.5.6 Zona de tratamiento de gases y control de emisiones: Los productos de la combustión de estos residuos son gases con una cantidad de compuestos contaminantes así que antes de ser llevados a chimenea deben ser tratados a través de filtros que pueden ser electroestáticos, de manga, ciclones o lavadores de gases. Fig. 3. Proceso de Waste to Energy esquemático Nota: Tomado de [19]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 22 Los procesos de combustión por incineración directa son la metodología menos explorada en Colombia, el punto final de los residuos es casi siempre los rellenos sanitarios, sin embargo, el procesamiento de estos residuos a través de estos tiene consecuencias técnicas y ambientales grandes, como el diseño de la infraestructura de los terrenos y el tratamiento de lixiviados. 5.2 Marco referencia La industrialización ha generado un aumento importante del desperdicio de materiales que realmente pueden ser aprovechados como recurso importante. Se ha establecido que se depositan diariamente, en el mundo, dos millones ochocientas mil toneladas de RSM en vertederos y en rellenos sanitarios; 31000 en Colombia y 3000 en Antioquia [21]. En los principales centros urbanos del mundo funcionan más de 2100 plantas de termo valorización [22]. Según datos de CEWEP, para 2016 en Europa en promedio de todos sus países miembros se consiguió que el 28% de los residuos fueran valorizados térmicamente, el 47% a reciclaje y compostaje, y el 24% a rellenos sanitarios, siendo Suecia el país con mayores logros, con el 50% de los residuos generados aprovechados mediante este proceso, 49% con reciclaje y compostaje, y solo el 1% destinado a rellenos sanitarios [22]. En los países más desarrollados se trabaja con una combinación de métodos de reciclaje y de WTE por incineración lo cual favorece el aprovechamiento, reduciendo costos de selección en los procesos de incineración que se hacen directamente en las plantas. La figura 4 muestra esquemáticamente como se trabaja la gestión integral de los desechos sólidos en una muestra representativa de estos países. La opción reciclaje incluye el aprovechamiento de los residuos orgánicos [21]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 23 Fig. 4. Disposición y aprovechamiento de los residuos en diferentes países Nota: Figura tomada de [21]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 24 Cada año CEWEP publica un mapa de plantas de conversión de residuos en energía en Europa, basado en datos procedentes de miembros de CEWEP y fuentes nacionales. En la figura 5 se muestra la capacidad de tratamiento de conversión de residuos en energía para Europa se mantuvo en general estable en comparación con 2019, y solo el Reino Unido mostró un aumento significativo en la capacidad [23]. Fig. 5. Plantas de generación eléctrica de incineración de residuos en Europa Nota: Tomada de [23]. Las plantas de incineración son en gran medida un generador eléctrico importante en los países desarrollados, esto basado en las capacidades de procesamiento y tecnologías ya establecidas. Algunas de las plantas que hay actualmente en el mundo se muestran en la tabla 1. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 25 TABLA I ALGUNAS PLANTAS DE INCINERACIÓN EN EL MUNDO Nombre de la planta-País Capacidad (ton/año) Potencia Descripción Planta Augsburg- Alemania* 255000 75 MW, producción energía térmica • Puesta en marcha 1994. • Cogeneración de calor y energía. • Planta de 3 líneas que funcionan en paralelo. Tecnología de rejilla Martin, incineran residuos hospitalarios, procesamiento de escoria. • Costo de toda la instalación 420 millones de euros. Suministran electricidad y calefacción a 35000 hogares, gas natural, compost, etc (Wyndhamcity, 2023) Planta Bamberg- Alemania* 144000 53 MW, producción energía térmica • Puesta en marcha 1978. • Cogeneración de calor y energía. • Planta de 3 líneas. • Esta planta fue modernizada. Vida útil prevista 40 o 50 años, (Hitachi Zosen INOVA, 2023) Planta Köln - Alemania* 780000 56 MW 331,97 GWh de electricidad • Puesta en marcha 1998. • Cogeneración de calor y energía. • Planta de 4 líneas. • Esta planta fue modernizada. • Vida útil prevista 40 o 50 años Planta Hamburg MVR-Alemania* 320000 Capacidad eléctrica 29 MW. Capacidad calorífica 70 MW. 75 GWh anual de electricidad • Puesta en marcha 1999. • Cogeneración de calor y energía. • Planta de 2 líneas. • Producción de vapor de proceso, calefacción urbana, electricidad • Recuperación de ácido clorhídrico, yeso, escoria y chatarra. • Costo de inversión 254 millones de euros (CODE, 2023). Planta Darmstadt- Alemania* 212000 77 MW producción energía térmica • Puesta en marcha 1967. • Cogeneración de calor y energía. • Planta de 3 líneas. Planta Essen- Alemania* 745000 38 MW • Puesta en marcha 1987. • Cogeneración de calor y energía. • Planta de 4 líneas. Planta Issy-les- 460000 88 GWh de electricidad • Puesta en marcha 2007. • Inversión 580 millones de euros Moulineaux (Isseane)- Francia 25 MW de capacidad • Suministra suficiente energía limpia para abastecer a 47500 hogares. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 26 Nombre de la planta-País Capacidad (ton/año) Potencia Descripción Planta Saint-Ouen- Francia 650000 3 incineradores una potencia térmica de 65 MW cada uno. • Puesta en marcha 1990. • Tres incineradores. Del vapor generado el 95 % se destina a la empresa de calefacción urbana Compagnie de Chauffage Urbain (CPCU), que opera la red de vapor más grande del mundo. El 5% restante se convierte en electricidad mediante una turbina de vapor (10 MW) para su uso principal en esta planta (Yokogawa, 2023) . Planta Ivry Paris XIII- Reconstrucción 350000 toneladas anuales para conversión y 310000 toneladas anuales para producir biogás 116 GWh para electricidad y 890 GWh para calefacción urbana. • Puesta en marcha inicial 1969. Reconstrucción 2023. • Inversión 1000 millones de euros (libres de impuestos) • Dos líneas de instalación térmica. • Puede abastecer de electricidad a 23000 hogares y calor a 100000 hogares (PEi, 2023). Planta Turnkey-Reino Unido 585000 Capacidad térmica 238,5 MW 65 MW electricidad • Puesta en marcha 2011 • Inversión 400 millones de euros • Planta de 3 líneas. Planta Dunbar-Reino Unido 325000 36 MW 258 GWh de electricidad 10 MW para calor • Puesta en marcha 2019 • Dos líneas de combustión • Inversión 276,47 millones de euros Planta Edmonton- Reino Unido 500000 55 MW • Puesta en marcha 1974 • Actualmente se encuentra en ampliación Planta Dublín, Irlanda 600000 61 MW • Puesta en marcha 2017 • Puede abastecer 80000 hogares • Costo estimado del proyecto 542,5 millones de dólares • Cogeneración de calor y electricidad • Sistema de refrigeración por agua de mar Planta Poznan, Polonia 216000 18 MW de capacidad eléctrica y 34 MW de capacidad térmica 130 GWh de electricidad • Puesta en marcha 2016 • Puede abastecer 20000 hogares • Costo estimado del proyecto 238,97 millones de dólares • Cogeneración de calor y electricidad ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 27 Nombre de la planta-País Capacidad (ton/año) Potencia Descripción Planta Greatmoor, Reino Unido 345000 25 MW electricidad 6,6 MW de capacidad térmica • Puesta en marcha 2016 • Puede abastecer a 40000 hogares • Inversión 210 millones de francos suizos (213,5 millones de dólares), cubierto con préstamos Planta Hartlebury, Reino Unido 200000 20,4 MW eléctrica y 3 MW térmica • Puesta en marcha 2016 • Costo estimado 165 millones de libras esterlinas • Tecnología de parrilla Planta Amager Bakke plant, Dinamarca 440000 63 MW para electricidad y 247 MW para calefacción urbana • Puesta en marcha 2016 • Inversión 470 millones de euros (611 millones de dólares) • Complejo combinado de calor y electricidad • Tiene la capacidad para producir calor y electricidad para 150000 hogares (Power Technology, 2023) Planta Krakow, Polonia 220000 10,9 MWh de generación de electricidad • Puesta en marcha 2012 • Número de líneas: 2 Planta Spittelau, Austria 250000 60 GWh de electricidad 500 GWh en calefacción • Puesta en marcha 1992, renovada de 2012 a 2015 • Puede suministrar calefacción a 60000 hogares y electricidad a 50000 hogares Planta Torino-Italia 421000 64,68 MW • Puesta en marcha 2013 • Eficiencia eléctrica 31% • 3 líneas de operación Planta Parma-Italia 130000 18 MW para electricidad y 40 MW para calor • Puesta en marcha 2013 • Generación de calor y electricidad • Costo del proyecto 212,1 millones de euros (valor al año 2017) Planta Maishima- Japón 328500 32 MW • Puesta en marcha 2001 • Cogeneración de calor y electricidad • Inversión 600 millones de dólares Planta Naka-Japón 207000 15 MW • Puesta en marcha 2004 • Inversión 400 millones de dólares • Cogeneración de calor y electricidad • Electricidad para 20000 hogares Planta Covanta Hempstead-Estados Unidos 1000000 72 MW 548 GWh de electricidad. • Puesta en marcha 1989 • Electricidad para 55000 hogares ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 28 Nombre de la planta-País Capacidad (ton/año) Potencia Descripción Planta Wheelabrator Baltimore-Estados Unidos 821250 64,5 MW • Puesta en marcha 1985 • Electricidad para 68000 hogares Planta Fairfax- estados Unidos 1095000 93 MW • Puesta en marcha 1990 • Electricidad para 67000 hogares • 4 calderas Planta Shenzhen- China 1829000 600 GWh al año • Sistema tipo Parrilla Planta Laogang， Shanghai-China 2190000 210 MW 900 GWh de electricidad. • Puesta en marcha 2014 Planta Centro Ambiental en San Luis Potosí 40000 - • Puesta en marcha 2022 • Residuos industriales • Inversión 170 millones de pesos mexicanos • Electricidad utilizada para los hornos de cemento de Cementos Moctezuma Nota: Elaboración propia con los datos de [24]. En el mes de febrero del año 2021 el gobierno nacional de Colombia inauguró la primera planta colombiana WTE por incineración en el archipiélago de San Andrés. En dicha planta se planteó inicialmente la operación por medio de la separación y posterior aprovechamiento energético por medio de la combustión de los residuos. En su momento se manifestó que este proyecto conllevaría a contribuir a la economía circular que se pretendía adelantar. La planta fue diseñada para una capacidad de operación de 52,5 t/día de residuos, tuvo un costo aproximado de 24 mil millones de pesos [25]. con los que se proyectó que se generaría 1,2 MW de energía eléctrica [24]. Sin embargo, hasta la fecha de redacción de este trabajo la planta aún no se encuentra en operación. 5.3 Marco legal No se han encontrado datos aún de que en Colombia existan normativas que aborden directamente la regulación de plantas WTE por incineración, pero existen algunas directrices en el ámbito de incineradores como la regulación de “Hornos incineradores y características de operación, Art. 43 Resolución 909” [26], la cual se muestra en la figura 6, donde se delimitan las condiciones de operación de hornos incineradores y algunos de sus respectivos parámetros de diseño, operación y mantenimiento. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 29 Fig. 6. Resolución 909 referente a normas y estándares de emisiones para fuentes fijas y móviles colombianas Nota: Tomada de [26]. Existe también resoluciones, decretos y leyes que favorecen la implementación y producción de equipos de generación eléctrica que tome como fuentes energéticas combustibles no convencionales, estas directrices se mencionan en la tabla 2: TABLA II DIRECTRICES LEGALES EN EL ÁMBITO DE LAS ENERGÍAS NO CONVENCIONALES APLICABLES AL PROCESO WTE POR INCINERACIÓN DIRECTA Directriz Objetivo Ley 143 de 1993 Dictamina el régimen de generación, interconexión, transmisión, distribución, comercialización y otras directrices energéticas en Colombia. Ley 697 del 2001 Declara el manejo responsable y uso eficiente de la energía. Ley 1715 del 2014 Ayuda a la promoción de fuentes energéticas no convencionales especialmente a fuentes renovables. Resolución 058 del 2002 Regula el ingreso de fuentes de energía no convencionales al sistema eléctrico colombiano. Decreto 1076 del 2015 Regula los permisos de emisión de gases contaminantes emitidos. Nota: Elaboración propia con información de [24], [26]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 30 VI. METODOLOGÍA El proceso para llegar a los resultados de los objetivos propuestos fueron los siguientes: • Recolección de información: Haciendo uso de los recursos informáticos del sistema de bibliotecas de la universidad de Antioquia, como KNOVEL, Elsevier, Repositorio institucional, además de fuentes académicas externas y administrativas como Alcaldía de Medellín, se determinan las características del proceso WTE, Composición físico química de los residuos, modelos de plantas de incineración y factores económicos generales de estas. • Desarrollo de cálculos de Balance de energía y masa de los residuos: Con los valores y características físico químicas de los residuos se procede desarrollar los cálculos del poder calorífico, emisión de CO2, y generación de vapor, además del aprovechamiento térmico en un ciclo Rankine ideal para determinar la capacidad de energía eléctrica según características de operación propuestas. • Desarrollo de un escenario económico de inversión: Según los datos obtenidos de generación de energía del ciclo Rankine, y al considerar varios parámetros económicos regionales se plantea un escenario de inversión según un escenario económico propuesto. • Conclusiones: Con los datos obtenidos se pretende determinar si bajo las condiciones de operación y generación eléctrica el escenario de inversión es viable o no. El desarrollo de la metodología se lleva a cabo a continuación: 6.1 Caracterización termoquímica bibliográfica del energético: 6.1.1 Composición fisicoquímica. Como se requiere conocer el poder energético que tiene la basura la cual es el combustible, se procede a conocer su composición física [3] y luego química general en base húmeda [24]. Dicha composición se encuentra en la figura 7, donde se puede observar la composición física del energético (RSU de Medellín). ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 31 Fig. 7. Composición física de los residuos que llegan a La Pradera desde Medellín Nota: Tomada de [3]. La composición química de los residuos que componen la basura de Medellín determinada por medio de la bibliografía se muestra en la tabla 3 y la composición final de la basura en la tabla 4. Las participaciones físicas porcentuales de los elementos que compone la basura se determinaron con la misma figura 7. TABLA III COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN LA BASURA Elemento [porcentaje en peso] C H O N S Cenizas Humedad Orgánico 14,4 1,9 11,3 0,8 0,12 1,5 70 Plástico 58,8 7,1 22,4 0 0 9,8 2 Tela 49,5 5,9 28 4 0,14 2,3 10 Papel 40,9 5,6 41,4 0,3 0,2 5,6 6 Madera 39,6 4,8 34,2 0,2 0,08 1,2 20 Caucho 76,4 9,8 0 2 0 9,8 2 Vidrio 0,4 0,098 0,4 0,1 0 97 2 Nota: Autoría propia con datos de [3], [27]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 32 TABLA IV COMPOSICIÓN QUÍMICA GENERAL DE LA BASURA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA BASURA [PORCENTAJE EN PESO] C H O N S Cenizas Humedad 28,3 3,6 16,3 0,9 0,1 3,5 47,4 Nota: Autoría propia. 6.1.2 Composición molar del combustible y el aire de Medellín. Con la información obtenida de la composición química de los RSU se determina la fracción molar de los elementos que los componen, esta información es fundamental para los balances energéticos y másicos, ya que son los valores utilizados en la estequiometria que se muestra más adelante. La determinación de las fracciones molares de los componentes del combustible se muestra en la tabla 5 y la composición del aire para la combustión se muestran en la tabla 6, donde mfi es la fracción másica de los elementos en los residuos, Mwi su peso molecular y Xi su fracción molar en los mismos: TABLA V COMPOSICIÓN MOLAR DE LOS RESIDUOS SIN CENIZAS Composición molar de los RSU. mfi Mwi mfi/Mwi Xi C 29*10-2 12 24*10-3 24*10-2 H 37*10-3 1 37*10-3 37*10-2 O 17*10-2 16 1*10-2 1*10-1 N 93*10-4 14 7*10-4 7*10-3 S 1*10-3 32 33*10-6 3*10-4 HumedadH2O 49*10-2 18 27*10-3 27*10-2 kgi/kgtot kgi/kgmol kgmol/kgtot kgmol i/kgmol tot Nota: Autoría propia TABLA VI CONDICIONES DEL AIRE EN LA CIUDAD DE MEDELLÍN Fracción molar del aire real húmedo de Medellín Relación molar xO2 0,204 1 xN2 0,769 3,76 xvapor de agua 0,026 0,12 Nota: Autoría propia con datos locales para Medellín. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 33 6.1.3 Determinación del poder energético calorífico: Con la caracterización de los residuos se procede a calcular su poder calorífico con la ecuación 1, la cual es la ecuación de Du’Long, tanto para el poder calorífico superior como inferior de los RSU en kilo Julio por kilogramo de residuos. 𝑃𝐶𝑆 = 33960 ∗ 𝐶 + 141890 ∗ (𝐻 − 𝑂/8) + 9420 ∗ 𝑆 (Ec.1) Ecuación 1: Determinación del poder calorífico superior (PCS). 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − 2497,8 ∗ (9𝐻 + 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑) (Ec.2) Ecuación 2: Determinación del poder calorífico inferior (PCI). Donde los términos C, H, O, S son los porcentajes en peso por kilogramo de RSU de los elementos; Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Azufre respectivamente. 6.2 Balance de masa aplicable de la combustión: La combustión de la basura es el fenómeno fundamental en el proceso, ya que define los componentes a utilizar, sustancias y productos a liberar. El balance de masa de la combustión de combustibles sólidos se ejemplifica en la figura 8, donde se hace un balance másico de las sustancias que interactúan. Fig. 8. Balance de masa general de una combustión para combustible sólido Nota: Tomada de [28]. La combustión de residuos sólidos se caracteriza finalmente por su composición química general, con la cual se determina la estequiometria del proceso de incineración, haciendo uso de la reacción de combustión, la que da cuenta de la fracción de emisiones de CO2, el cual hace parte del análisis económico. El balance se hace a la luz de la ecuación 3 y 4, en donde el término at hace referencia ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 34 a la cantidad teórica de moles de aire para incinerar un mol de combustible y los términos α, β, γ, ε, w, a, b, c y d son las moles de los elementos que preceden por mol de combustible, los términos α, β, γ, ε, y w fueron definidos en la tabla 5 por medio de la columna Xi. [𝛼𝑪 + 𝛽𝑯 + 𝛾𝑶 + 𝛿𝑵 + 𝜀𝑺 + 𝑤𝑯𝟐𝑶 ] + 𝒂𝒕 ∗ [𝑶𝟐 + 𝟑, 𝟕𝟔𝑵𝟐 + 𝟎, 𝟏𝟐𝟕𝟔 𝑯𝟐𝑶(𝒈)] → 𝒂𝑪𝑶𝟐 + 𝒃𝑯𝟐𝑶+ 𝒄𝑺𝑶𝟐 + 𝒅𝑵𝟐 (Ec.3) Ecuación 3: Balance de masa estequiométrico para la combustión de los residuos sólidos. [𝛼𝑪 + 𝛽𝑯 + 𝛾𝑶 + 𝛿𝑵 + 𝜀𝑺 + 𝑤𝑯𝟐𝑶 ] + 𝒏 ∗ 𝒂𝒕 ∗ [𝑶𝟐 + 𝟑, 𝟕𝟔𝑵𝟐 + 𝟎, 𝟏𝟐𝟕𝟔 𝑯𝟐𝑶(𝒈)] → 𝑎𝑪𝑶𝟐 + 𝑏𝑯𝟐𝑶 + 𝑐𝑺𝑶𝟐 + 𝑑𝑵𝟐 + 𝑒𝑶𝟐 (Ec.4) Ecuación 4: Balance de masa para una combustión completa de los residuos sólidos con exceso de aire en condiciones teóricas. 6.3 Determinación del vapor a producir para el ciclo Rankine y capacidad energética del combustible. El ciclo termodinámico que se muestra en la figura 9 es un ciclo Rankine ideal, sencillo y sin recalentamiento, el cual se puede representan de manera directa en un diagrama de Mollier como se ve en la misma figura 9. Los valores de diseño para este ciclo se dan desde la etapa del ingreso del agua a la caldera, el uso del vapor en la turbina para generación de trabajo, condensación del vapor saturado, y el aumento de presión de la bomba hasta las características de operación de la caldera [29]. Fig. 9. Ciclo Rankine ideal sencillo y su diagrama de Mollier Nota: Tomada de [29]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 35 6.3.1 Vapor a producir: Para determinar la cantidad de producción de vapor teórica se definen las condiciones de operación de la caldera, como presión y temperatura, además de las condiciones de entrada del agua a esta; las condiciones de operación de la turbina se supusieron con base en características de diseño para turbinas pequeñas, las cuales se tuvieron en cuenta para determinar el punto de operación de la caldera. Se supuso para este modelo un aprovechamiento un poco mayor al 80% (porcentaje transmitido), de la energía térmica de los RSU aprovechado para el proceso de 2 a 3 expuesto en la figura 9 o generación de vapor sobrecalentado. Lo anterior se muestra resumido en la tabla 7. TABLA VII CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA CALDERA, DATOS DE ENTRADA PARA SU DISEÑO Parámetro Valor Fuente Presión de operación caldera (Entrada turbina) 1,27 MPa Definido Temperatura del vapor a la salida de la caldera (entrada turbina) 300 °C Definido Temperatura de entrada del agua a la caldera 76 °C Deseo de diseño Porcentaje de calor aprovechado del combustible 81,4% Deseo de diseño Poder calorífico inferior del combustible 9837 kJ/kg Ec.2 Nota: Autoría Propia. Las condiciones de operación como presión y temperatura se observan en la figura 10, estos parámetros se describen con base en la operación de la caldera. La ecuación que determina las entalpías específicas del trayecto de 1 (I) a 4 (IV) se definen en la ecuación 5, donde �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 es el flujo de vapor en kilogramos por segundo, �̇� es la potencia suministrada para la evaporación del agua en kilo Julio por segundo y h son las entalpías del vapor en kilo Julio por kilogramo de vapor. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 36 Fig. 10. Sección del ciclo de la planta en el diagrama de Mollier para las condiciones de diseño Nota: Autoría propia �̇� �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = [ (ℎ𝐼𝐼 − ℎ𝐼)⏟ (𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎) + (ℎ𝐼𝐼𝐼 − ℎ𝐼𝐼)⏟ ℎ𝑓𝑔 (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛) + (ℎ𝐼𝑉 − ℎ𝐼𝐼𝐼)⏟ (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ) ](Ec.5) Ecuación 5: Energía de sobrecalentamiento del agua en la caldera. A partir de tablas termodinámicas y con las condiciones de líquido comprimido, líquido saturado, vapor saturado y vapor sobrecalentado se determinan las entalpías de la ecuación 5, los resultados se muestran en la tabla 8. TABLA VIII ENTALPÍAS DEL TRAYECTO DE 1 A 4 EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER Punto Estado de agregación Entalpía [kJ/kg] I Líquido comprimido 318,9 II Líquido saturado 810,1 III Vapor saturado 2785,7 IV Vapor sobrecalentado 3043 Nota: Autoría Propia. Según lo planteado en la ecuación 5 la energía específica para llevar el agua a vapor sobrecalentado está supeditado a las condiciones de diseño y operación de la caldera a través de un delta de entalpías. Además, al consideran quemar 5 toneladas diarias de RSU se produce energía térmica aprovechable en la demanda de vapor de la turbina de condensación parcial. Tomando el poder calorífico inferior de los RSU, se estima la producción de vapor teórica según las propiedades térmicas de los residuos como se muestra en las ecuaciones 6 y 7 respectivamente. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 37 �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 = �̇�𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑅𝑆𝑈 ∗𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 (ℎ𝐼𝐼−ℎ𝐼)⏟ (𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎) + (ℎ𝐼𝐼𝐼−ℎ𝐼𝐼)⏟ ℎ𝑓𝑔 (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛) + (ℎ𝐼𝑉−ℎ𝐼𝐼𝐼)⏟ (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ) ̇ (Ec.6) Ecuación 6: Masa de vapor producida teórica. �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 569,3 [ 𝑘𝐽 𝑠 ]∗0,814 2724[ 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ] = 0,17[ 𝑘𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠 ] (Ec. 7) Ecuación 7: Masa de vapor sobrecalentado producida según las condiciones de diseño. 6.3.2 Balance general de producción de energía eléctrica: La producción energética se determinó con base en la operación de la turbina, asumida como una turbomáquina de condensación parcial a la salida se determina la producción de energía como lo muestra la ecuación 8, donde 𝑊 ̇ es trabajo mecánico en kilo vatios, �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 es el fujo másico de vapor y h son las entalpías del mismo. �̇�𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟[ 𝑘𝑔 𝑠 ] ∗ (ℎ𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − ℎ𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎)[ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] (Ec.8) Ecuación 8: Potencia producida por la turbina sin considerar la eficiencia. 6.3.3 Balance general de producción de energía en el ciclo Rankine: Considerando la cantidad de vapor a producir, energía necesaria y condiciones de operación (presión y temperatura) de la turbina, finalmente se dan las condiciones de los estados que componen un ciclo Rankine básico en consideraciones ideales. En la figura 11 se presenta el ciclo Rankine ideal, las ecuaciones de los balances de energía se muestran en la tabla 9. TABLA IX CONSIDERACIONES ENERGÉTICAS EN CADA DISPOSITIVO DEL CICLO RANKINE Estado Característica Balance de energía entre estados 1 Entrada a la caldera �̇�𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟[ 𝑘𝑔 𝑠 ] ∗ (ℎ1 − ℎ2)[ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 2 Salida caldera 2 Entrada Turbina �̇�𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟[ 𝑘𝑔 𝑠 ] ∗ (ℎ𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − ℎ𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎)[ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 3 Salida Turbina 3 Entrada a condensador �̇�𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟[ 𝑘𝑔 𝑠 ] ∗ (ℎ𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − ℎ𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎)[ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 4 Salida del condensador 4 Entrada a Bomba. �̇�𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑠𝑎𝑡 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ∗ 𝑣𝑒𝑠𝑝 [ 𝑚3 𝑘𝑔 ] ∗ (𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎)[𝑘𝑃𝑎] ∗ 1𝑘𝐽 1𝑘𝑃𝑎 ∗ 𝑚3 1 Salida bomba Nota: Elaboración propia. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 38 Fig. 11. Ciclo Rankine ideal del modelo y diagrama de Mollier Nota: Autoría Propia 6.3.4 Balance general propuesto para la planta completa: Las plantas incineradoras de residuos cuentan con una serie de elementos en sus zonas o etapas como se determinó en el marco teórico, estas plantas por lo tanto son más complejas y el ciclo de vapor de generación de energía es sólo una parte de ellas. En la figura 12 se muestra el flujograma propuesto de la planta con algunos de sus flujos estimados de energía y masa considerando la disposición de 5 toneladas al día. Fig. 12. Diagrama general de la planta de incineración y zonas generales Nota: Autoría Propia y Grupo Pospin S.A.S. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 39 En la imagen 12 se determinan: 1) Zonas de llegada de residuos, 2) Zona de combustión y generación de energía, y 3) Zona de manejo de gases. Estas tres zonas se determinaron con base primero al lugar donde se haría la disposición de los RSU recolectados, luego el aprovechamiento térmico de los mismos RSU y por último el manejo de contaminantes de ese mismo aprovechamiento térmico respectivamente. Las características operacionales de estas tres zonas se definen como sigue: • Zonas de llegada de residuos (Zona roja): Para la disposición y llegada de las 5 toneladas se plantea el uso de un área de 230 a 300 metros cuadrados, en los cuales se espera contar con una zona de acopio de camiones y una zona de descarga. El balance general de esta zona se describe en la figura 13, en donde se han asumido algunas consideraciones, como personal necesario para hacer las labores logísticas y las demandas eléctricas. Fig. 13. Flujo másico y energético general de la zona de recepción y acumulación Nota: Autoría Propia • Zona de combustión y generación de energía eléctrica (Zona azul): Esta zona es la más compleja en el diseño, ya que conlleva varios equipos y una configuración determinada siguiendo los lineamientos del montaje y la necesidad de ser ensamblados, la zona aproximada para el ensamble de los equipos necesarios es de 300 metros cuadrados aproximadamente. El esquema que representa esta zona que se muestra en la figura 14 en la cual se determinan los equipos por números del uno al once, y donde además se determinan los flujos másicos y la naturaleza de estos por medio de flechas de colores con sus respectivas leyendas. Algunas características como pérdidas energéticas de los equipos no están graficadas. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 40 Fig. 14. Flujo másico y energético general de la zona de combustión y generación eléctrica Nota: Autoría Propia • Zona de tratamiento de gases (Zona verde): Esta es la última zona del proceso, donde se hace el tratamiento de los gases, ya que estos pueden contener sustancias muy tóxicas, además de material particulado en grandes cantidades, esto debido a la incineración de combustibles sólidos como los RSU, es por eso que se debe hacer un lavado de éstos para controlar dichas sustancias así mismo como una filtración del material particulado. El esquema general de esta zona se describe en la figura 15, donde igualmente cada flujo tiene su etiqueta acompañada de un color, y los equipos que componen esta zona se etiquetan numéricamente con su respectivo nombre. Esta zona alberga un espacio entre los 200 a 250 metros cuadrados. Fig. 15. Flujo másico general de la zona de tratamiento de gases Nota: Autoría Propia ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 41 La determinación de los espacios propuestos, modelamiento de planta completa y esquema de los equipos involucrados, se desarrolla a través de herramientas de modelado de información de construcción o “BIM” por sus siglas en inglés. En la figura 16 y 17 se ejemplifica isométrico del montaje del sistema, considerando los equipos de los flujogramas expuestos en la figura 12,13,14, y 15, con todas las subzonas, equipos representativos y arreglo de distribución. Las condiciones de diseño se llevaron a cabo considerando las características mecánicas, térmicas, y fluidodinámicas, además de contemplar en las condiciones de diseño los espacios necesarios de circulación, operación y logística de personas necesarias para el funcionamiento de los equipos. Fig. 16. Distribución de los equipos representativos de la planta Nota: Propiedad de Grupo Pospin S.A.S. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 42 Fig. 17. Distribución de las principales zonas de la planta Nota: Propiedad de Grupo Pospin S.A.S. Las condiciones presentadas en la figura 16 y 17 contemplan una de las distribuciones propuestas de la planta, considerando un espacio determinado para el desarrollo del proyecto, que cumple con algunas de las características de plantas incineradoras de residuos discutidas anteriormente. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 43 6.4 Evaluación económica: 6.4.1 Costos de inversión, operación y mantenimiento, e ingresos de la planta WTE: Los costos asociados a este tipo de proyectos fueron determinados por medio de información de artículos utilizados en la metodología y con ello se proyectó un costo aproximado de la planta de este trabajo. Algunos de los valores de inversión que se han determinado para este tipo de proyectos se define con base en la cantidad de residuos procesados en toneladas por año, según los documentos encontrados estos valores pueden rondar los 234 a 700 USD/ton/año para países asiáticos diferentes de China [30] [31], 228 USD/ton/año en promedio para China [32], y alrededor de 620 a 800 USD/ton/año para países europeos y otros [32] [33]. Algunos de los valores más cercanos para países de la región colombiana se presentan en la tabla 10 y 11, la cuales muestran algunos de los costos de inversión, mantenimiento y operación proyectados de diferentes plantas para países de la región como Argentina, Chile y México. TABLA X COSTOS DE INVERSIÓN DE PLANTAS CON BASE EN SU CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO Lugar Capacidad (ton/año) Costo de capital por tonelada de capacidad (USD*año/ton) Moscú, Rusia 360000 800 París Francia 460000 1323 Shanghái, China 500000 331 Riverside, Reino Unido 670000 617 Brescia, Italia 796000 460 General* - 500-1000 General* - 650 General* 150000-350000 528-1416 Europa 394200** 761-1014 Países de bajos ingresos - 300-500 Países de ingreso medio - 400-600 País de altos ingresos (América del norte y Europa) - 600-900 Estudio de caso: Valparaíso, Chile 336000 (proyección) 670 Estudio de caso: Toluca, México 160000 (proyección) 750 Estudio de caso: Buenos Aires, Argentina 990000 (proyección) 595 Nota: Elaboración propia con información de [3]. * Valores típicos de una planta de incineración. ** Asumiendo una disponibilidad de 90% de la planta: 0,9x365 [día/año] x 1200 [ton/día] = 394200 [ton/año]. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 44 TABLA XI COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA UNA PLANTA DE 150000 TON/AÑO Valores típicos de operación y mantenimiento para una planta de incineración con capacidad de 150000 (t/año) Capacidad de incineración 150000 t/año Operación y mantenimiento, costo por tonelada Costo base en la UE* (configuración técnica avanzada, 2 líneas de horno) 180 EUR/ton Costo base países emergentes (configuración técnica básica, 1 línea de horno) 20-35 EUR/ton Nota: Elaboración propia con información de [34]. *UE hace referencia a Unión Europea. Para este tipo de proyectos los valores son muy dispersos y es difícil determinar a ciencia cierta el costo de una planta en específico. Por lo tanto, para conocer un análisis más exacto se debe hacer un análisis de factibilidad de cada proyecto. Con el objetivo de evaluar una posible inversión, se toman algunos de los valores presentados en la tabla 11, y con ellos se determina un escenario de inversión promedio considerando tres aspectos: • Costo de procesamiento mínimo: Considerando el costo menor de inversión de 300 USD/año/ton. • Costo de procesamiento máximo: Considerando el costo mayor proyectado para países latinoamericanos presente en la misma tabla 11, la cual es de 750 USD/año/ton. • Costo de procesamiento promedio: Promedio de ambas inversiones de 525 USD/año/ton. Inicialmente la planta se proyecta para procesar 5 toneladas día, y considerando un factor de planta del 90% se determina la cantidad de residuos a procesar en el año con la ecuación 9. 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 5 𝑇𝑜𝑛 𝑑í𝑎 ∗ 365 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 ∗ 0,9 = 1642,5 [ 𝑇𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜 ] (Ec. 9) Ecuación 9: Capacidad de procesamiento anual para la planta de 5 toneladas día. El posible escenario de inversión y de costos de operación para una planta de 5 toneladas día se representa con la ecuación 10. 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 [ 𝑡𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 [ 𝑈𝑆𝐷∗𝑎ñ𝑜 𝑡𝑜𝑛 ] (Ec. 10) Ecuación 10: Inversión aproximada considerando el costo de procesamiento y la cantidad de la planta. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 45 6.4.2 Costos de operación y mantenimiento. Los costos de operación y mantenimiento se determinan con base en la información presentada en la tabla 11, con un promedio de 27,5 euros por tonelada procesada, asumiendo la relación USD/EUR de 0,9 se determina un costo de operatividad de la planta dado por la ecuación 11. 𝑂&𝑀 = 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 [ 𝑇𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑂&𝑀 [ 𝐸𝑈𝑅 𝑇𝑜𝑛 ] ∗ 0,9[ 𝑈𝑆𝐷 𝐸𝑈𝑅 ] (Ec. 11) Ecuación 11: Costos de operación y mantenimiento de una planta para países emergentes. 6.4.3 Ingresos propuestos de la planta: Los ingresos propuestos para este modelo se basan en 3 factores fundamentales. 1. Ahorro de disposición de residuos con respecto a el coste de O&M de la planta. 2. Venta de energía de la planta, basado en la capacidad de generación. 3. Venta de bonos de carbono de la planta. Además, se ha asumido un TRM de 3900 COP/USD esto con el valor promedio del dólar mantenido hasta marzo del 2024 [35]. Ahorro de disposición de residuos con respecto a el coste de O&M de la planta. Para la recolección- transporte y disposición de los residuos en la ciudad de Medellín (R&D), Emvarias para el primer trimestre de 2024 tiene una tarifa de 168327,19 COP/ton para la recolección-transporte y una tarifa de 73530,74 COP/ton para su disposición final sin incentivos [36]. Considerando el costo total tarifario de 241857,93 COP por tonelada de residuos y asumiendo una relación de USD/COP 0,000256 de se determina el valor anual con la ecuación 12. 𝑅&𝐷 = 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 [ 𝑇𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑅&𝐷 [ 𝐶𝑂𝑃 𝑡𝑜𝑛 ] ∗ 0,000256 [ 𝑈𝑆𝐷 𝐶𝑂𝑃 ] (Ec.12) Ecuación 12: Costo de recolección y disposición de los residuos en Medellín. El ahorro planteado se considera entonces como se muestra en la ecuación 13. 𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑆𝑈 = 𝑅&𝐷 − 𝑂&𝑀 [𝑈𝑆𝐷] (Ec.13) Ecuación 13: Ahorro por procesamiento de los RSU. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 46 Venta de energía eléctrica de la planta, basado en la capacidad de generación. Con la capacidad de generación provista de la planta de 2611 kWh/día de potencia eléctrica, y asumiendo que el 10 % de la energía es para la operación de la central, o sea 26 kWh/día, se dispone entonces de 2585 kWh/día de energía eléctrica para vender a la red. El precio de la energía para usuarios regulados en Colombia para marzo del 2024 fue de 308,24 COP/kWh según XM [37], con ello se estima entonces el ingreso por venta de energía con la ecuación 14 considerando el factor de planta de 0,9 y una relación de USD/COP de 0,000256. 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 2585 [ 𝑘𝑊ℎ 𝑑í𝑎 ] ∗ 365 [ 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 308,24 [ 𝐶𝑂𝑃 𝑘𝑊ℎ ] ∗ 0,000256 [ 𝑈𝑆𝐷 𝐶𝑂𝑃 ] ∗ 0,9 (Ec.14) Ecuación 14: Ingreso por venta de energía de la planta. Venta de bonos de carbono de la planta. Un bono de carbono hace referencia a una tonelada de CO2 removida o reducida en la atmósfera. Estos bonos son comercializables en Colombia y tienen un costo de 20500 COP/ton para 2023 [38], precio fijado por impuesto nacional al carbono. Se estima que una planta de incineración libera alrededor de 100000 gramos de CO2 por tonelada de residuos incinerada en una planta WTE [30]. Los bonos de carbono de la planta de incineración de este trabajo se estimaron como se ilustra en las ecuaciones 15,16,17 y 18. 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑅𝑆𝑈 = 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 [ 𝑡𝑜𝑛𝑅𝑆𝑈 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 100000 ∗ [ 𝑔𝐶𝑂2 𝑡𝑜𝑛𝑅𝑆𝑈 ] ∗ 1𝑇𝑜𝑛𝐶𝑂2 1∗106𝑔𝐶𝑂2 (Ec.15) Ecuación 15: Emisiones de CO2 por parte de la incineradora. La producción anual de energía proyectada en la sección de resultados de la planta fue de 2611 kWh/día lo que anualmente sería de 857624 kWh/año, considerando el mismo factor de planta de 0,9. Además se estima que el carbón combustible tiene una emisión de 1020,13 gramos de CO2 por kWh [30]. Se puede estimar la producción de CO2 equivalente a la misma cantidad de energía dada por los RSU como lo presenta la ecuación 16. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 47 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠𝐶𝑂2 𝐶𝑎𝑟𝑏ó𝑛 = 910365,5 [ 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 1020,13 [ 𝑔𝐶𝑂2 𝑘𝑊ℎ ] ∗ 1𝑇𝑜𝑛𝐶𝑂2 1∗106𝑔𝐶𝑂2 (Ec.16) Ecuación 16: Estimación de CO2 emitido anual para la misma cantidad energía de los RSU por una planta de carbón. La cantidad de CO2 reducida está dada por la ecuación 17 y los ingresos por bonos de carbono se define según la ecuación 18. 𝐶𝑂2𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠𝐶𝑂2𝐶𝑎𝑟𝑏ó𝑛− 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑅𝑆𝑈 [ 𝑡𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜 ] (Ec.17) Ecuación 17: Toneladas de CO2 reducido por incineración de RSU con respecto una planta de la misma capacidad de generación a carbón. 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑛𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 = 𝐶𝑂2𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 [ 𝑇𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜 ] ∗ 20500 [ 𝐶𝑂𝑃 𝑡𝑜𝑛𝐶𝑂2 ] ∗ 0,000256 [ 𝑈𝑆𝐷 𝐶𝑂𝑃 ] (Ec.18) Ecuación 18: Ingreso por venta de CO2 reducido. Para el modelo económico se asumió una tasa de inflación de 7,16% dado por el Banco de la República para abril del 2024 [35]. Además, se implementó una tasa de descuento del 12% asumida. El tiempo de vida del proyecto se define en 15 años. El porcentaje de préstamo de capital de inversión es del 80%, con una tasa de interés de la deuda del 12% considerando el proyecto como inversión a energía renovable con un riesgo un poco más elevado, y un tiempo de duración de deuda de 10 años. Todos estos parámetros para el modelo se presentan en la sección de resultados. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 48 VII. RESULTADOS La evaluación de los parámetros técnicos de la producción de energía eléctrica y producción de vapor se presentan en la tabla 12 y 13, considerando todos los parámetros mencionados en la sección de metodología tanto para el desarrollo técnico como para el económico. TABLA XII CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL CICLO RANKINE, PRODUCCIÓN DE VAPOR Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Parámetro Valor Unidad Procesamiento de basura 1642,5 ton/año Poder calorífico inferior del combustible 9837 kJ/kg Potencia térmica de entrada 463,1 kW Producción de vapor sobrecalentado en la caldera 0,170 kg/s Potencia generada en la turbina 108,8 kW Calor expulsado en el condensador 354,6 kW Potencia consumida por la bomba 0,22 kW Energía eléctrica anual 857624 kWh/año Emisiones de CO2 por incineración directa sin tratamiento de gases (Ec.4) 1767 ton/año Emisiones de CO2 por medio de la planta WTE (Ec. 16) 164,3 ton/año Emisiones de CO2 por medio de una planta de carbón (Ec.17) 928,7 ton/año Consumo de agua externa 8064 m3/año Área necesaria para la instalación 880 m2 Nota: Elaboración propia. Las condiciones del modelo económico se muestran en la tabla 13: TABLA XIII DATOS BÁSICOS DEL MODELO ECONÓMICO EVALUADO ÍTEM UNIDAD VALOR INVERSIÓN USD 862312,5 AHORRO O&M USD 61044,5 VENTA DE ENERGÍA ELÉCTRICA USD 67007,7 VENTA DE BONOS DE CARBONO USD 4011,7 TASA DE INFLACIÓN % 7,16 TASA DE DESCUENTO % 12 TIEMPO DE VIDA DEL PROYECTO AÑOS 15 PORCENTAJE DEL PRÉSTAMO % 80 TASA DE INTERÉS DE LA DEUDA % 12 DURACIÓN DE LA DEUDA AÑOS 10 Nota: Elaboración propia. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 49 Los resultados del modelo económico para del escenario de inversión se muestra en la figura 18, donde se muestra el flujo de caja considerando el flujo del préstamo asumido. El valor presente neto o VNA fue positivo con un valor de 634213,56 USD, lo cual fue muy favorable en el escenario de inversión propuesto. El índice de deseabilidad (ID), fue de 0,94 lo que da un margen de casi un dólar de margen por cada dólar invertido. La TIR es mayor a la tasa de interés, o tasa de descuento del proyecto lo que es igualmente beneficioso para el retorno del capital, y por último el periodo de recupero (PR) de la inversión del proyecto es muy baja lo cual es muy buena bajo el escenario propuesto. Los resultados de estos parámetros se muestran en la tabla 14, en la cual se muestran los valores de valor neto actual, tasa interna de retorno y tiempo de recupero del dinero invertido. TABLA XIV RESULTADOS DEL MODELO ECONÓMICO PROPUESTO Ítems Valor Unidad Valor neto actual 634213,56 USD Índice de deseabilidad 0,94 USD TIR 44 % PR 3,37 Periodos Nota: Elaboración Propia. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 50 Fig. 18. Modelo económico básico del proyecto ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 51 VIII. DISCUSIÓN La metodología de incineración de los RSU plantea varios retos, dos de estos son la reología, y su alta variabilidad en propiedades térmicas, esto considerando que no siempre se tienen las mismas proporciones físicas planteadas en este trabajo. Por lo tanto, este proceso es más complejo que sólo evaluar de manera general los residuos, considerando que a estos no se les hace un proceso de separación en fuente, con lo que no es controlable las composiciones ni sus propiedades como combustible, y, por lo tanto, se deban tener fuentes térmicas de respaldo como quemadores de gas que suplan las variabilidades físico-químicas de los RSU. Las capacidades evaluadas de generación de energía son viables para un primer acercamiento a un modelo de generación teórico e ideal, sin embargo, para obtener una información más fiable en un escenario de factibilidad se debe realizar el diseño térmico de los equipos y del proceso completo, tal como se pretendió representar en la figura 12, considerando todos los parámetros de balances de masa y energía que contiene un sistema de incineración. Los escenarios de inversión de las plantas de WTE son muy variados, los datos presentados para plantas y tecnologías evidencian que, aunque se puede hacer un ejercicio económico con base en la información en marcos muy generales como países desarrollados y otros en vía de desarrollo, la bibliografía al respecto consultada contiene alta dispersión de los datos de costos de inversión y operación, lo que plantea un panorama de incertidumbres, ya que estos sistemas no son escalables a capacidad, considerando los volúmenes de procesamiento de las plantas consultadas ni de sus propias tecnologías. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 52 IX. CONCLUSIONES Las metodologías que compone los proceso de WTE son muy variadas, y esta misma diversidad abre un panorama de exploración de estas en la ciudad, no sólo desde el aprovechamiento RDF (que ya existe localmente en el valle de Aburrá), sino también desde la incineración directa, como solución de la disposición en rellenos sanitarios. Considerando el costo de disposición que tienen las basuras además de los gastos técnicos, logísticos, ambientales, y la incertidumbre de permisos de operación de los rellenos como La Pradera, las tecnologías WTE se pueden considerar una metodología alterna a largo plazo, esto considerando que el procedimiento tradicional de verter la basura en rellenos conlleva incertidumbres de permisos de operación, manejos ambientales estrictos de las zonas que ocupan, y alteraciones del confort de las comunidades aledañas a estos, parámetros que las plantas WTE manejan de manera más controlada. Las metodologías de WTE aún tienen un largo trecho que ahondar en Colombia, considerando que a la fecha sólo se tiene el dato de una única planta de incineración que presenta falta de continuidad en su operación y también en la falta de directrices claras para la operación de estas plantas en específico. El contraste con los países desarrollados es alto, considerando que estos cuentan con una capacidad eléctrica instalada importante de plantas WTE, que juega un papel importante en la matriz energética de estos. El rendimiento energético de la incineración directa en la generación de energía eléctrica está directamente relacionado con la capacidad calorífica de los mismos residuos, los cuales con los datos obtenidos para PCI determinaron una generación eléctrica aceptable para el ciclo Rankine evaluado. Se determinó entonces que la capacidad energética puede ser mejorada si se aplica un tratamiento de secado de los mismos residuos, ya que la alta humedad con la que cuentan según los datos obtenidos, disminuye en gran medida la posibilidad de obtener un PCI más alto y por lo tanto mejores rendimientos energéticos. El escenario de inversión promedio evaluado en este trabajo fue satisfactorio reconociendo tres aspectos importantes. Uno es el tiempo de retorno de capital de 3,65 años o periodos para un tiempo de 15 años de vida útil, segundo, un VNA 634213,56 USD positivo del valor invertido en la planta como flujo neto actual al día de la inversión, y tercero, un índice de deseabilidad del 0,94 USD lo que da un valor cercano 1 a 1 USD de la inversión inicial propuesta, como excedente de capital de la planta considerando los factores de préstamo traídos al momento de la inversión. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 53 X. RECOMENDACIONES Para considerar las implicaciones de posibles variaciones en generación de energía, los cuales dependen del PCI del combustible, además de los factores económicos se recomienda realizar un análisis de sensibilidad paramétrica, ya que para este modelo sólo se contemplaron de manera muy esencial y sencilla los modelos, y lo que se concluye aún no tiene en consideración los posibles cambios que existen en lo relacionado a cambios de escenarios técnicos y económicos. Para llegar a los resultados de generación se contemplaron escenarios ideales de un ciclo Rankine por facilidad de cálculos, pero para obtener resultados más adecuados para un análisis más preciso se recomienda considerar las irreversibilidades de un proceso térmico, y con ello tomar datos más conservativos, y poder plantear un escenario más adecuado. Como ultima recomendación se plantea la posibilidad de encontrar esquemas de plantas reales para obtener resultados de masa y energía y con ellos hacer un análisis más amplio de los procesos de incineración de residuos, como por ejemplo los planteados en la figura 12 que fueron tomados de plantas vistas en la bibliografía y por lo tanto fueron esquemáticos. ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN… 54 REFERENCIAS [1] A. L. González Vargas, «Estudio técnico y económico para la implementación de una planta de generación de energía eléctrica a partir de la incineración de residuos sólidos urbanos producidos en la ciudad de Medellín Antioquia para una capacidad de operación de 5 toneladas al día,» Medellín , 2024. [2] D. L. Cristacho Montenegro, Torres Mejía, Lobatón Orduz, «Análisis comparativo del impacto al recurso hídrico generado en los principales rellenos sanitarios en Colombia,» Revista Mutis, vol. 10, nº 1, pp. 25-25, 2020. 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