UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA
Unidad lztapalapa
División de Ciencias Básicas e Ingeniería
POTENCIAL NACIONAL DE GENERACION DE ENERGIA
ELECTRICA UTILIZANDO EL BIOGAS DE RELLENOS
SANITARIOS COMO COMBUSTIBLE.
PROYECTO TERMINAL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN ENERGIA
DEDICATORIA
A MIS PADRES
Y
MI QUERIDO HERMANO,
MIGUEL ANGEL
Mis mayores gracias:
A Dios, por iluminarme y acompañarme en este camino.
A la UAM por complementar mis conocimientos para ser un ingeniero.
A mi asesor de proyecto:
M.I. Alberto Valdés Palacios
cuya orientación y valiosos consejos permitieron la realización de esta obra.
A mi familia por su apoyo en los momentos difíciles.
INDICE
INTRODUCCION 1
CAPITULO 1. ASPECTOS BASICOS
1.1 Metanogénesis
1.2 Biodigestores y rellenos sanitarios 1.3 Parámetros de regulación
1.4 Composición y propiedades del biogás 1.5 Aplicaciones del biogás
1.6 Beneficios ambientales
CAPITULO II. PRODUCCION DE BIOGAS
2.1 Por substratos animales y vegetales 2.2 Por residuos sólidos municipales
11 13
CAPITULO 111. POTENCIAL DE GENERACION DE BIOGAS EN MEXICO
3.1 Tasa de disposición de desechos 15
3.2 Composición física de los residuos sólidos municipales 17 3.3 Material biodegradable en los residuos sólidos municipales 17
3.4 Tasas de producción de biogás 20
3.5 PC1 del biogás generado 21
3.6 Potencial energético del biogás generado 21
CAPITULO IV. TECNOLOGIA PARA LA COMBUSTION DE BlOGAS
4.1 Motores Otto
4.2 Modificación de un motor Otto para utilizar biogás 4.3 Motores diesel
4.4 Modificación de un motor diesel para utilizar biogás 4.5 Tratamientos de purificación del biogás
CAPITULO V. ANALISIS ECONOMICO
5.1 Parámetros utilizados en la evaluación económica 5.2 Análisis después de impuestos
5.3 Análisis de sensibilidad
5.4 Criterios utilizados para evaluar los beneficios del sistema de
generación propuesto 37
5.5 Inversiones y costos 38
CAPITULO VI. ESTUDIO DE PREVlABlLlDAD EN SANTA CATARINA
6.1 Relleno sanitario Santa Catarina
6.2 Tasa de disposicón de los desechos
6.3 Vida útil estimada para la generación de biogás 6.4 Tecnología a emplear para este estudio
6.5 Análisis de capacidad y número de equipos a instalar recomendables
6.6 Inversiones y costos
6.7 Criterios utilizados para la evaluación económica 6.8 Análisis económico
41 41 41 41
42 43 44 44
CONCLUSIONES 46
BlBLlOGRAFlA 47
INTRODUCCION
Uno de los problemas que agobia a las grandes ciudades en la actualidad, es el manejo y disposición final de los residuos sólidos municipales ( RSM ) que generan sus habitantes. Según datos de la Secretaría de Desarrollo Social publicados en el Informe de la Situación General en Materia de Equilibrio Ecológico y Protección del Ambiente, 1991-1992, “ en la ciudad de México se
producían 370 g de RSU percápita en 1950. En 1993 se estima que en el Distrito Federal se generarían cerca de 11,000 ton/día, de las cuales cada habitante fue responsable de producir más de 1 kg. Si se considera el total de la zona Metropolitana de la Ciudad de México, el volumen actual asciende a cerca de 19,000 ton/día y para el año 2,000 se calcula que se producirán 25 mil ton/día, de las cuales 48% corresponderán al DF y 52% a los municipios conurbados”. Esto conlleva a buscar alternativas de solución de la problemática de la disposición final de estos residuos.
Generalmente la disposición se ha hecho en tiraderos a cielo abierto, con todas las complicaciones ecológicas y sanitarias que esto implica.
Una alternativa a lo anterior, es la implementación de rellenos sanitarios diseñados cumpliendo todas las normas técnicas requeridas. Un relleno sanitario es un sitio previamente seleccionado, en el que se depositan los residuos sólidos urbanos, el cual debe cubrir, entre otros, los siguientes requisitos:
Debe localizarse en un sitio totalmente impermeabilizado, ya sea natural o artificialmente, para evitar que los lixiviados se filtren al manto freático. Las zonas de recarga de acuíferos o fuentes de abastecimiento de agua potable, deben encontrarse a una distancia mayor de 1,000 metros, aguas arriba del sitio elegido. El sitio deberá ubicarse fuera de zonas de inundación con taludes inestables y con asentamientos diferenciales y en el sitio debe existir suficiente material adecuado para realizar la cobertura diaria de
los
residuos depositados.En un relleno sanitario en el que los residuos son confinados mediante el sellado del mismo, se presenta el fenómeno de la descomposición anaeróbica (en ausencia de oxígeno) de los residuos orgánicos biodegradables. Esto provoca la generación de gas metano junto con otros gases, que reciben el nombre de biogás. Este biogás, dependiendo de la cantidad de metano, puede contener un alto poder calorífico.
El gran volumen de biogás producido por toda la masa de residuos biodegradables acumulados en
los
grandes rellenos hace económicamente atractiva su recuperación como un recurso energético. Este gas puede quemarse en calderas y generar vapor o utilizarse en turbinas de gas o motores de combustión interna para generar energía mecánica y subsecuentemente energía eléctrica.CAPITULO
I
AsPectos Básicos
En el proceso de metanogénesis, desperdicios orgánicos o biomasa con alto contenido de humedad se alimentan a un recipiente llamado digestor biológico. Por la acción de microorganismos adecuados la materia orgánica se transforma en biogás, que puede aprovecharse como combustible reduciendo la
contaminación ambiental producida por la disposición de desechos no tratados. Por lo tanto, un conocimiento de los procesos fundamentales envueltos en la generación de biogás es necesario para planear su utilización como energético, considerando al relleno sanitario como el biodigestor.
1 .I Metanogénesis
La biodigestión se realiza en tres procesos degenerativos:
0 Hidrólisis enzimática.
Es el primer
paso en el cual la materia orgánica esenzimolizada externamente por enzimas extracelulares (celulosa, amilasa,
proteasa y lipasa) de microorganismos. Las bacterias descomponen las largas cadenas de carbohidratos complejos, proteínas y lípidos en pequeñas partes . Por ejemplo, los polisacáridos se convierten a monosacáridos; las proteínas se dividen en péptidos y aminoácidos.
0 Acidificación. La bacteria productora de ácidos convierte los productos de la hidrólisis en ácidos orgánicos volátiles, como el ácido acético (CH3COOH),
butírico y propiónico, además de hidrógeno (Hz) y bióxido de carbono (Coz). Para producir ácido acético necesitan oxígeno y carbono; por lo que usan el oxigeno disuelto en la solución. Así se crea una condición anaerobia la cual es esencial para los microorganismos productores de metano. Además, ellas reducen los componentes con un bajo peso molecular en alcoholes, ácidos orgánicos, aminoácidos, bióxido de carbono, sulfur0 de hidrógeno y trazas de metano.
0 Metanación. La bacteria metanogénica, es decir, productora de metano, descompone los compuestos con un bajo peso molecular. Por ejemplo, ellas utilizan hidrógeno, bióxido de carbono y ácido acético para formar metano y
1.2 Biodigestores y rellenos sanitarios
Según la forma de alimentación pueden distinguirse dos tipos diferentes de biodigestores: intermitentes y continuos. Cuando la alimentación es intermitente el digestor se llena y se cierra. La producción de biogás se manifiesta algún tiempo después, alcanza un máximo y vuelve a declinar. AI llegar a una producción muy pequeña de biogás el digestor se destapa, se limpia y se cierra nuevamente para repetir el ciclo. Esto ocurre típicamente cada 3 o 6 meses. En los digestores de alimentación continua, una vez establecidas las condiciones normales de operación, la materia orgánica se alimenta diariamente (una o dos veces por día) de acuerdo al volumen del digestor y al tiempo de retención de diseño.
Un relleno sanitario es un tipo de biodigestor intermitente que requiere planeación detallada, construcción cuidadosa y operación eficiente. En el relleno sanitario se depositan desechos sólidos cubriendo un área específica en capas delgadas, éstos inmediatamente después se compactan a volúmenes mucho más pequeños, cubriéndolos periódicamente con tierra o con un material sustituto de tal forma que minimice los problemas ambientales.
La vida activa de un relleno sanitario es muy larga aún después de que éste ya esté cerrado. La estabilización de los desechos comienza poco después de que se colocan en el relleno, pero termina mucho después de que el relleno se cierre. Es de suma importancia el diseño y construcción del relleno, para evitar fugas de lixiviados y gases que se forman durante el proceso de descomposición de los desechos orgánicos.
Las etapas del proceso de un relleno sanitario son: selección del lugar, diseño, construcción y operación, clausura y monitoreo durante un largo tiempo. El monitoreo del relleno sanitario se debe principalmente al biogás que se está liberando durante el proceso de estabilización de la basura.
O Tiempo de retención
O Nivel de pH
Inhibición de nitrógeno y relación C/N
O Contenido de sólidos y agitación
O Factores inhibidores
Debido al hecho de cada uno de
los
tipos de bacterias responsables delos
tres pasos de la metanogénesis es afectada diferentemente por estos parámetros, y de que probablemente haya efectos interactivos entre varios de los factores, no existe un dato cuantitativo preciso de la producción de biogás como función de estos factores.1.3.1 Temperatura del substrato
Rango de temperatura de la digestión anaeróbia
La fermentación anaerobia requiere una temperatura ambiente entre 3°C y aproximadamente 70°C. Generalmente se hace una diferenciación entre tres rangos de temperatura. Aunque existen diversos valores de estos rangos se puede considerar que el rango de temperatura sicrofílico esta situado por abajo de los 2OoC, el mesofílico entre 20°C y 40°C y el termofílico por arriba de
los
40°C.Temperatura promedio mínima
La actividad metabólica de las bacterias normalmente se incrementan con la temperatura. Sin embargo, la cantidad de amoníaco libre también se incrementa, inhibiendo o reduciendo el funcionamiento biodigestivo. En general, una diseminación de biogás es sólo factible cuando la temperatura media anual es alrededor de 20°C o cuando la temperatura diaria promedio es al menos 18°C. Dentro del rango de 20-28°C la producción de gas se incrementa
Cambios de temperatura
El proceso de biometanación es muy sensible a cambios de temperatura. El grado de sensibilidad depende del rango de temperatura. Breves fluctuaciones que no excedan los siguientes límites no afectan los procesos de fermentación:
0 sicrofílico: 2"C/h mesofílico: I"C/h 0 termofílico: 0.5"C/h
Las fluctuaciones de temperatura entre el día y la noche no son gran problema en los rellenos sanitarios,
los
cuales están construidos debajo de la tierra, porque la temperatura de la tierra a profundidades menores a un metro es prácticamente constante.1.3.2 Nutrientes disponibles
Debido a su crecimiento, las bacterias requieren ciertos nutrientes salinos
(nutrientes minerales). Además de carbono, oxígeno e hidrógeno, la generación de biogás requiere un adecuado suministro de nitrógeno, azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio y ciertas trazas de hierro, manganeso, molibdeno, zinc, etc. Substratos normales como residuos agrícolas o aguas de desecho municipales usualmente contienen cantidades adecuadas de los elementos mencionados. Por otra parte, una excesiva concentración de alguna de estas substancias puede tener efectos inhibidores.
1.3.3 Tiempo de retención
condiciones anaeróbias, el pH se normalizará tomando un valor entre 7 y 8.5. Si el pH cae por abajo de 6.2, el medio tendrá un efecto tóxico sobre la bacteria.
1.3.5 Inhibición de nitrógeno y relación CIN
Inhibición de nitrógeno
Todos los substratos contienen nitrógeno. Para altos valores de pH, aun
concentraciones bajas de nitrógeno pueden inhibir el proceso de fermentación. Notablemente la inhibición ocurre a una concentración de nitrógeno de aproximadamente 1700 mg amonio-nitrógeno (NH4-N) por litro de substrato. No obstante, para un tiempo largo, las metanógenas son capaces de adaptar concentraciones de NH4-N del orden de 5000-7000 mg/l de substrato, el principal requisito sería que el nivel de amoníaco no excediera 200-300 mg NH3-N por litro de substrato. La tasa de disociación de amoníaco en agua depende de la temperatura del proceso y el valor de pH del substrato en cuestión.
Relación C/N
Los microorganismos necesitan nitrógeno y carbono para asimilar en sus estructuras celulares. Varios experimentos han mostrado que la actividad metabólica de la bacteria metanogénica pude ser optimizada para una relación C/N de aproximadamente 8-20, donde el punto óptimo varia dependiendo de la naturaleza del substrato.
1.3.6 Contenido de sólidos y agitación
Contenido de sólidos
La movilidad de las metanógenas dentro del substrato es gradualmente impedida por un incremento del contenido sólido, afectando la producción de biogás. Sin embargo, reportes de relativamente alta producción de biogás de rellenos sanitarios con alto contenido de sólidos han sido encontrados recientemente en la literatura, aunque no se pueden ofrecer guías validas para la producción específica de biogás para algún particular porcentaje de sólidos.
Agitación
Muchos substratos y varios modos de fermentación requieren de la agitación o mezclado para mantener la estabilidad del proceso dentro del digestor. Los más importantes objetivos de la agitación son:
0 mezclado de substratos frescos y población bacterial (inoculación)
0 imposibilitar la formación de natas y sedimentación
0 evitar gradientes pronunciados de temperatura dentro del digestor
proveer una densidad de población bacterial uniforme
0 prevenir la formación de espacios muertos que pudieran reducir el volumen de fermentación efectiva.
Hay que recalcar que en
los
rellenos sanitarios este proceso no es posible.1.3.7 Factores inhibidores
La presencia de metales pesados, antibióticos y detergentes pueden tener un efecto inhibidor sobre el proceso de biometanación. La Tabla 1 .I lista las concentraciones límite para varios inhibidores.
Tabla 1 .I Concentraciones para varios inhibidores de la biometanación. [I21
Substancia
2 , Cianuro
3000 Magnesio 200 Azufre 8000 Sodio
200
-
2000 Cromo8000 Calcio
350
-
1000 Zinc10 -250 Cobre
(mg/l) Substancia
(mgll)
O cambio en el volumen como una función de la temperatura y presión,
0 cambio en el poder calorífico como una función de la temperatura, presión y contenido de vapor de agua, y
O cambio en el contenido de vapor de agua como una función de la temperatura y presión.
El poder calorífico del biogás es una función de su contenido de metano, dos valores conocidos son:
0 40% de metano: PC1 = 15,295.64 kJ/m3 0 60% de metano: PC1
=
22.464.00 kJ/m3y de aquí se interpola para cualquier otro orcentaje de metano. La densidad del biogás con 60% de metano es de 1.2 kg/m .
I:
1.5 Aplicaciones del biogás
El biogás es un gas que puede en principio, ser usado como cualquier otro gas para propósitos domésticos o industriales, especialmente como combustible para:
0 estufas
O lamparas de biogás
0 calentadores 0 incubadores 0 refrigeradores
O motores de combustión interna
Una de las más interesantes aplicaciones del biogás es producir electricidad mediante el uso de los motores de combustión.
1.6 Beneficios am bientales
previene su emisión a la atmósfera, disminuyendo su impacto en el efecto invernadero. Además, el biogás contiene compuestos orgánicos,
los
cuales contribuyen al ozono a nivel de suelo ( el principal componente del smog urbano).La estimación global para la emisión anual de metano a partir del biogás es de 10
a
70 millones de toneladas. Las emisiones totales de metano son estimadas entre 440 y 530 millones de toneladas [9]. Esto significa que la contribución a las emisiones totales de metano por parte del biogás es menor al 15 %.Un dato más preciso se muestra en la Tabla 1.2, la cual muestra las emisiones contaminantes del biogás resultado de un estudio realizado en 27 países europeos (CORINAIRSO) [IO]. En este caso la participación del biogás es del 17.5% para el metano y en cuanto al COZ sólo 0.4 %.
Tabla 1.2 Contribución del biogás de rellenos sanitarios a las emisiones totales de contaminantes. [9] Contaminantes 1.3
-
0.4 0.4 17.5 0.2 0.2o
Emisiones (%) NH3 N 2 0 C 0 2 COCH4 VOC*
NOx S 0 2
Notas:
O
=
emisiones reportadas, pero el valor exacto está por debajo del 0.1 por ciento.-
= emisiones no reportadas.* = componentes orgánicos volátiles.
En cuanto al otro contaminante causante del efecto invernadero, el COZ, en la Tabla 1.3 se muestra un comparativo con otros combustibles.
Tabla 1.3 Emisión típica de contaminantes por kg. de petróleo equivalente (kg. De contaminantes). Modificada de [I 11
CAPITULO II
Producción de biogás
La composición de la materia orgánica proporcionada a los biodigestores puede ser de dos tipos: alimentando únicamente un tipo de substrato, ya sea animal o vegetal; o alimentando una mezcla de substratos, como Io son los residuos sólidos municipales. La determinación de la producción de biogas es diferente para cada caso.
2.1 Por substratos animales y vegetales
En principio, todos los materiales orgánicos pueden ser fermentados o digeridos, sin embargo, sólo substratos líquidos y homogéneos pueden ser considerados para biodigestores sencillos de biogás: heces y orina de ganado vacuno, cerdos y posiblemente de aves de corral y el agua de desecho de inodoros. Cuando el biodigestor es rellenado, el excremento tiene que ser diluido con cierta cantidad de agua, de preferencia orina. Los desechos de industrias procesadoras de
comida se pueden utilizar si se encuentran en forma líquida y homogénea. La máxima cantidad de producción de biogás para una cierta cantidad de material crudo depende del tipo de substrato.
Si la cantidad diaria de estiércol disponible (peso fresco) es conocida, la
producción de gas será aproximadamente correspondiente a
los
siguientes valores:O 1 kg de estiércol de ganado vacuno: 40 litros de biogás
O 1 kg de estiércol de búfalo. 30 litros de biogás
0 1 kg de estiércol de cerdo: 60 litros de biogás
O 1 kg de gallinas caídas: 70 litros de biogás
Si el peso vivo de todos los animales cuyo estiércol es utilizado en una planta de biogás es conocido , la producción diaria de gas corresponderá a los siguientes valores:
0 ganado vacuno, búfalo y gallinas: 1.5 litros de biogás por día por kg de peso vivo
La Tabla 2.1 muestra los rangos de producción y contenido de metano para 30 diferentes substratos, incluyendo materiales vegetales y residuos, al final de un tiempo de retención de 10 a 20 días y con una temperatura de alrededor de 30" C.
Tabla 2.1 Producción de gas y contenido de metano de varios substratos. [I21
Su bstrato Producción de gas Contenido de metano
(I I kg sólidos volátiles)
200
-
300 Estiércol de caballo60 310
-
620 Excremento de aves65 90
-
310 Estiércol de vaca65
-
70 340 -550Estiércol de cerdo
("/O)
Estiércol de oveja
200
-
300 Paja de centeno50
-
60 200-
300Paja de trigo
175
-
280 Estiércol de aves de corral90
-
31059 250
-
300Paia de cebada
59
Paja de avena
200 Paia de col
59 380 -460
Paja de maíz
59 290
-
310Paja de arroz
Cáscara de semilla de arroz
170
-
280360 Cáñamo
59 360 Lino 105 70 280 -550 Pasto 59
Desecho de caña (bagazo)
280
-
490 Papas330 - 360 Residuos vegetales
430
-
490 Trébol 170 Caña 405 Retama 165 59 3002.2 Por residuos sólidos municipales
Para determinar la generación de biogás producida por la biodegradación de
residuos sólidos municipales depositados en rellenos sanitarios, se necesita determinar los kg secos de desechos biodegradables por tonelada de desechos, lo cual se hace utilizando los factores característicos que se muestran en la Tabla 2.2.
El Instituto de Investigaciones Eléctricas [4] ha desarrollado un Modelo de Predicción y Producción de Metano para determinar la generación posible de biogás. Este modelo requiere de información tal como el por ciento de biodegradabilidad del material dispuesto en el relleno, la producción máxima de biogás por unidad de masa del material (concepto que depende de la producción de metano: 0.415 m3 de metanolkg de desechos biodegradables secos), la cantidad de material depositado en el relleno, la edad del material, el contenido de metano en el biogás y la temperatura y la humedad del relleno sanitario.
Tabla
2.2
Características de residuos sólidos municipales. [4]La curva de predicción de producción de biogás para desechos similares producidos y dispuestos en el Distrito Federal indica que el ochenta por ciento del potencial se emitirá en un período de quince años. Este período está en función de la fecha de depósito de los diferentes estratos de que consta el relleno, por lo que se tendrán diferentes estados de biodegradabilidad de los residuos con respecto al tiempo. La Tabla 2.3 presenta estas tasas de generación de biogás a partir de un año después de depositados
los
residuos en el relleno.Tabla
2.3
Tasas de producción de biogás. [4]Año Tasa d e producción d e biogás (%) 1
6.
O
2
3.8
3
9.1
4
8.0
5
9.2
6
9.3
7
8.6
9
8.8
8
9.
I
10
6.0
11
7.7
12
3.8
13
5.1
CAPITULO
111
Potencial de generación de biogás en México
Para calcular la generación de biogás en rellenos sanitarios en México es necesario determinar cuantos rellenos sanitarios existen y en que parte del país se localizan. Desgraciadamente no existen datos actualizados sobre las
características de los rellenos sanitarios que hay en México en las dependencias del gobierno federal ( Inegi, Sedesol, Sedemun, INE); la información más reciente es la que se encuentra en el Informe de la Situación General en Materia de Equilibrio Ecológico y Protección al Medio Ambiente 1993-1994 [8], en la cual se basan los indicadores ambientales en materia de residuos sólidos municipales (RSM) del Instituto Nacional de Ecología [13]. Estas dos fuentes son las que utilizaremos para determinar el potencial de generación de biogás a nivel nacional. En el Anexo1 se muestran los rellenos sanitarios existentes en el país hasta 1994.
3.1 Tasa de disposición de desechos
El sistema de recolección es una parte importante del manejo de los RSM. En algunas ocasiones llega a representar hasta un 80 %de los costos totales que el municipio destina para resolver el problema. En general, en México, la recolección abarca un 70% del total de RSM, pero, sólo un bajo porcentaje de ese total, poco más del 17%, se dispone en rellenos sanitarios; el resto (83 %) se deposita en tiraderos a cielo abierto [14].
Consideraremos la disposición de desechos durante 10 años, de 1995 hasta el 2005 mediante el uso de las estimaciones que se muestran en la Fig. 3.1 para
10s
RSM generados.
En México, el volumen y la composición de los RSM no es homogénea en todo el territorio nacional, sino que responde a la distribución, hábitos y costumbres alimenticias, al nivel del consumo y al poder adquisitivo de la población distribuidas en las diferentes regiones en que la Dirección General de Normatividad Ambiental dividió a la República Mexicana (ver Fig. 3.2).
Fig. 3.1 Tendencias en la generación de RSM (1992-2000) [13].
T.6703
-.
5059 5236 5454 sanitario]0 1 y=-927.571n(x]+6358
1992 1994 1995 1996
Fig. 3.2 Regionalización de la República Mexicana [13].
Tabla 3.1 Porcentaje estimado de generación de RSM por zona [8].
Sureste
I
15.42Total 100.00
I
Tabla 3.2 RSM dispuestos en rellenos sanitarios por región.
3.2 Composición física de los residuos sólidos municipales
La composición física promedio de
los
residuos no es homogénea tal y como se comentó anteriormente; en la Tabla 3.3 se presenta la composición de los residuos por zona geográfica.3.3 Material biodegradable en los residuos sólidos municipales
Para poder calcular la cantidad de desechos biodegradables que se encuentra en los RSM es necesario aplicar
los
factores de la Tabla 2.2 a la composición física de los residuos, la cual es agrupada en 7 clases:0 Desechos de comida: residuos alimenticios. 0 Desechos de jardinería: residuos de jardín. 0 Desechos de papel: papel y cartón.
0 Desechos de plástico: hule, plástico de película y plástico rígido.
Desechos de madera: madera
Desechos inorgánicos: residuos finos, hueso, lata, material ferroso, materlas no ferroso, pañal desechable, vidrio, otros.
Las tablas 3.4 a 3.8 muestran
los
desechos biodegradables para cada una de las regiones, y como se observa en la Tabla 3.3 no hay datos acerca delos
desechos de madera. Para el caso del D. F. en el subproducto de papel consideraremos el11.47 % que es el valor para el relleno sanitario de Santa Catarina [2].
Tabla 3.3 Composición porcentual por zonas de
los
RSM [8].ND: no disponible
*: no totaliza el 100% por incluir otros subproductos
Tabla 3.5 Contenido de material biodegradable de los RSM en la región Norte.
Tabla 3.6 Contenido de material biodegradable de los RSM en la región Centro.
Tabla 3.7 Contenido de material biodegradable de los RSM en la región Sureste
Componente
biodegradables dabilidad
secos I Ton (Desechos
kg de desechos
' I
ÓBiodegra-
% Volatiles kg de sólidos
% Humedad
% RSM
da\ de RSM secos I Ton de RSM
" " I " . "" ~
Comida 84.51 70 92 131.22 6 13.96 Papel 84.54 70 80 150.96 60 37.74 Jardinería 31.74 80 80 49.59 70 16.53
Textiles 0.9 10 8.10 92 30 2.24
Plástico 8.74 4 83.90 92 5 3.86
Inorgánicos I 22.13 I I I I I
Total 1 O0
I
I
423.778I
206.883.4 Tasas de producción de biogas
Como se mencionó en el capítulo anterior, de acuerdo al modelo cinético teórico empleado para predecir el comportamiento de los rellenos sanitarios, el ochenta porciento del potencial de producción del biogás se emitirá en un período de quince años ( esto es cierto para el D.F., pero se utilizará de forma general para todo el país ). Este período esta en función de la fecha de depósito de los diferentes estratos de que constan
los
rellenos, por lo que se tendrán diferentes estados de biodegradabilidad de los residuos con respecto al tiempo. Las tasas de generación son las que se mostraron en la Tabla 2.3.Lo anterior indica que debido a los años que abarca el estudio, se tendrán residuos que se encuentran en diferente grado de biodegradabilidad, por lo que la producción de biogás, estará en función de esta tasa y la fecha de disposición de los residuos. El resultado de esta aplicación es que se tienen curvas de generación para cada estrato, que se integran para formar la curva de comportamiento general; en la Figura 3.3 se observa el caso del Distrito Federal (para más detalles ver el Anexo 2).
La Tabla 3.9 muestra la generación de biogás en función de la edad de los residuos sólidos depositados (para el cálculo de la generación de biogás por zona ver el Anexo 2).
Fig 3.3 Curva de comportamiento general del biogás generado ( m3 ).
120000000
100000000
80000000
60000000
0 -
Ario dedisposici6n
-
19951996
1997
1998
~
-
I 1999
~
Tabla 3.9 Generación de biogás a nivel nacional.
3.5 PC1 del biogás generado
El poder calorífico del biogás con 40 % de metano es de 15, 295.64 kJ/m3 y con un contenido del 60 Ohde metano es de 22, 464 kJ/m3 , interpolando entre estos valores para un contenido supuesto de 50 % de metano en el biogás, se tiene un poder calorífico de 18,879.82 kJ/m3 .
3.6 Potencial energético del biogás generado
En la Tabla 3.10 se presentan las estimaciones correspondientes a la producción de biogás y energía (sea térmica o eléctrica), derivadas de aplicar las tasas de generación del modelo para cada uno de los estratos de disposición de desechos
En la elaboración de la Tabla 3.10 de acuerdo al modelo empleado por el IIE, consideró conservadoramente que el 40% del biogás generado se recuperaría equipo de conversión empleado será un motor de combustión interna (ver capíi IV ) con una eficiencia del 36 % y un generador eléctrico con una eficiencia 95%.
Tabla 3.10 Producción de biogás y electricidad estimada por el modelo.
se
,, el
CAPITULO
IV
Tecnología para la combustión de biogás
En principio todas las máquinas de combustión interna pueden operar con combustibles líquidos o gaseosos; sin embargo hay ciertas restricciones para
algunas máquinas:
0 Motores de dos tiempos. Su lubricación utiliza una mezcla con el combustible líquido, lo que excluye el uso del combustible gaseoso.
Turbinas de gas. Son comparativamente más caras y requieren una operación y mantenimiento delicado.
Motores de pistón rotatorio ( Wankel ). En general tienen mala reputación en confiabilidad y tiempo de vida.
0 Motores turbocargados. Tienen sistemas de control relativamente sofisticados.
Por 10 tanto
sólo
se consideraran las modificaciones, para utilizar biogás como combustible, de los siguientes motores:Motor Otto (de gasolina), cuatro tiempos
0 Motor diesel, cuatro tiempos
En el Anexo 3 se encuentra un glosario de definiciones básicas de motores de combustión.
4.1 Motores Otto
El motor Otto y su proceso se muestran en la figuras 4.1 y 4.2.
Las características de
los
motores Otto son las siguientes:a) Formación de la mezcla en el exterior del cilindro. El combustible y el aire se mezclan fuera del cilindro al realizarse la aspiración, es decir, en el carburador,
Fig. 4.1 Motor Otto, parcialmente abierto ( BMW ) [5]
Datos: 1 pistón, 2 válvula de entrada, 3 cilindro, 4 cámara de combustión, 5 biela, 6 árbol de levas, 7 cojinete del cigüeñal, 8 volante, 9 distribuidor, 10 aspiración del filtro de aire, 11 distribuidor de la aspiración, 12 carburador, 13 motor de arranque,
14 generador, 15 filtro de aceite.
b) Producción externa de la corriente de encendido. El encendido de la mezcla comprimida, combustible
-
aire, se realiza (controlado en el tiempo) por medio de una chispa eléctrica producida desde una instalación auxiliar, en el momento antes de que el pistón llegue al PMS para un óptimo desempeño.c) Combustión a volumen constante. El suministro de calor tiene lugar a volumen aproximadamente constante de la mezcla comprimida.
La relación de compresión de los motores Otto actuales está comprendida entre
E = 6 y E
=
9 y está limitada por el autoencendido de la mezcla combustible-
aire( perjudicial en motores
Otto)
al final del tiempo de compresión, que es lo que produce la llamada detonación.El control de potencia y velocidad del motor es efectuado a través de una válvula de mariposa integrada dentro del carburador, la cual produce la variación del flujo de entrada de la mezcla mediante su grado de apertura. Esta válvula produce una caída de presión que causa una subsecuente caída de la presión media efectiva y por lo tanto disminuye la potencia y la eficiencia.
4.2 Modificación de un motor Otto para utilizar biogás
La modificación básica consiste en proveer un mezclador gas-aire en lugar del carburador. El control del motor se hace mediante la variación de la mezcla suministrada.
Desde el punto de vista termodinámico un aumento en la relación de compresión parece deseable para incrementar la eficiencia del proceso; ya que se puede esperar un bajo consumo específico de combustible y una alta potencia de salida. Sin embargo la modificación es permanente e impide operar con el combustible original en casos de escasez de biogás. En la Tabla 4.1 se muestran las modificaciones en las características del motor.
Tabla 4.1 Comparación de las características de un motor Otto original y modificado. [5]
Característica
1
.-
Datos de diseñoRelación de compresión E
Presión después de la zompresión sin ignición Temperatura después de la zompresión sin ignición Relación de exceso de aire h Eficiencia
Consumo específico de zombustible
Eficiencia volumétrica
Temperatura de gases de salida
Relación de velocidad
B estacionario D vehículo
Tipo de ignición
2. Principio de control
nodo manual
Motor Otto original
6 . . .9.5 gasolina
6 . . .12 alcohol
15 ... 20 bar 400 ... 600 "C
0.7 ... 1.2 0.2 ... 0.35 300 . . . 400 g/kWh
0.3 ... 0.9 (bajos valores para válvula reguladora parcialmente cerrada)
500 ... 900 "C
1300 . . . 2500 (gas)
1300 . . . 7000 Ignición de chispa por bujía poco antes de que el pistón alcance el PMS
Variación de la admisión de la mezcla aire/combustible por
una válvula reguladora entre el dispositivo de mezclado
(carburador) y la entrada del motor. La regulación reduce la presión de aspiración actual del motor, así como compresión
absoluta y la eficiencia.
Mediante la palanca de la válvula reguladora en el
Motor Otto modificado
10 ... 12
Igual
Igual
0.9 ... 1.3
Igual
0.65 ... 1 .O m3/kWh Igual Igual Igual Igual Igual Igual
Fig. 4.3 Diagrama de desempeño de un motor Otto usando combustible líquido
(-) y metano (- . -). [5]
r(-1
PotenciaL I
“-””
I
Velocidad (min”)I
Consumo específico de combustible (g/HPh)
Datos: 1 potencia, 2 torca, 3 consumo específico de combustible.
4.3 Motores diesel
El motor diesel y su proceso se muestran en las figuras 4.4 y 4.5.
Las características distintivas de un motor diesel son las siguientes:
a) Formación de la mezcla en el interior. Es aspirado aire puro y comprimido no siendo inyectado el combustible, en forma de finas gotas, hasta el final del tiempo de compresión; la formación de la mezcla se verifica de una manera más o menos continua, durante el proceso de inyección;
Fig. 4.4 Motor diesel de 6 cilindros, parcialmente abierto ( MAN ). [5]
-1
7"""
I7
Datos: 1 pistón,
2
válvula de entrada, 3 cilindro, 4 cámara de combustión, 5 biela, 6 tobera de inyección, 7 distribuidor de la aspiración, 8 filtro de aceite, 9 válvula de salida, 1 O bomba de inyección, 11 alternador, 12 filtro de combustible, 13 bomba agua de enfriamiento.c) Combustión a presión constante. El suministro de calor se realiza a una presión de
los
gases aproximadamente constante, ya que el aumento de presión por la adición de calor es relativamente compensado por la expansión de los gases (descenso del pistón) de la combustión que se produce paralelamente a aquella adición.La relación de compresión de los motores diesel es mayor que la de los motores Otto. Está comprendida entre E
=
14 y E = 20 a causa de la elevada temperaturaque se necesita al final de la compresión. Con eso se consigue un mayor rendimiento que en los motores Otto. Los mayores esfuerzos mecánicos sobre las piezas del motor, a consecuencia de las mayores compresiones, exigen en cambio una estructura más pesada que en
los
motores Otto.Es de gran influencia, para la obtención de pequeños retrasos en el encendido, la existencia de una abundante cantidad de oxígeno del aire ( gran exceso de aire), así como una buena mezcla interior entre el combustible inyectado y el aire
comprimido ( buena formación de torbellinos). Por esto en los motores diesel puede quemarse cualquier cantidad de combustible pequeña que se desee, sin variación de la cantidad de aire, ya que en la zona donde se va difuminando el chorro del combustible inyectado se produce siempre una mezcla inflamable.
4.4 Modificación de un motor diesel para utilizar biogás
Un motor diesel se puede modificar de dos formas para utilizar combustibles gaseosos:
0 operando mediante un sistema dual de combustible
convirtiéndolo en un motor Otto
4.4.1 El motor dual
En la operación dual de combustible el sistema de inyección suministra una cierta cantidad de diesel; por su parte, el motor aspira y comprime una mezcla de aire y combustible gaseoso la cual ha sido preparada en un dispositivo de mezclado externo. La mezcla es entonces encendida junto con el diesel rociado en él.
La operación del motor a carga parcial requiere la reducción del gas suministrado por medio de una válvula de control de gas. Una reducción simultánea del aire suministrado podría disminuir la aspiración y por lo tanto la presión de compresión
y la presión media efectiva, lo que conduciría a una caída en la potencia y eficiencia. Por lo tanto los motores duales no se controlan mediante el lado del aire.
Todos los otros parámetros y elementos del motor permanecen sin cambio, tales como la relación de compresión, el ángulo de inyección, etc. La Tabla 4.2
muestra las modificaciones en sus características del motor diesel.
La modificaciones del motor diesel tiene las siguientes ventajas:
O la operación con únicamente diesel es posible cuando el suministro de biogás sea poco.
0 una contribución de O a 85 % de biogás puede substituir una parte correspondiente de diesel, mientras su desempeño permanece como si estuviera trabajando con 100% diesel.
Pero también tiene sus limitaciones:
O el motor dual no puede operar sin un suministro de diesel para la ignición
o el sistema de inyección se puede sobrecalentar cuando el suministro de diesel se reduce al 10 o 15 % del flujo nominal.
4.4.2 Conversión de un motor diesel a un motor Otto
Tabla 4.2 Comparación de las características de un motor diesel original y modificado. [5]
Característica 1
.-
Datos de diseño Relación de compresión E Presión después de la compresión sin ignición Temperatura después de la compresión sin ignición Relación de exceso de aire hEficiencia
Consumo específico de combustible
Eficiencia volumétrica
Temperatura de gases de salida
Relación de velocidad
0 estacionario 0 vehículo
~ _ _ _ _ _ _
Motor diesel original
15 ... 21 35 ... 60 bar
600 ... 900 "C
1.3 ... 4.0 0.3 ... 0.4
230 ... 350 glkWh
0.7 ... 0.9 400 ... 600 "C
1300 ... 2500 1300 ... 5000
Autoignición por inyección del combustible a un aire caliente comprimido, poco antes de que el pistón llegue al PMS.
Variación de la cantidad de combustible inyectado. El flujc de aire no es controlado, ¡.e., la
compresión completa siempre se lleva a cabo. La variación de la cantidad de combustible se hace por el mecanismc
centrífugo del regulador con el fin de mantener fija la velocidad escogida mediante la posiciór de la palanca de control.
Mediante la posición de la palanca de control del regulador, para la velocidad
requerida, la cual permanece constante dentro de pequeños límites, independiente de la actual demanda de potencia.
Los cambios de velocidad se llevan a cabo colocando la palanca a diferentes posiciones. Usando el mecanismo de arriba. " I ! ! ! I I ! ! ! I I I I I I I ! 1 I ! I !
-
Motor diesel modificado
~~
15 ... 18 Igual
Igual
Igual Igual
0.55 ... 0.75 m3/kWh (más diesel inicial) Igual
500 ... 700 "C
Igual Igual
Autoignición del diesel inicia
inyectado dentro de una mezcla comprimida caliente de aire )I
biogás , la cual se enciende despues de la autoignición.
Una pequeña cantidad de diese es inyectada para facilitar 12 ignición. Variaciones de la cantidad de biogás suministrado se utilizan para variar la potencia de salida. E flujo de aire no es controladc
para mantener una alta presiór y temperatura de encendido.
El sistema regulador/inyectol suministra el diesel inicia
solamente. La válvula de gas er la cámara de mezclado esta preparada para llevar acabo los requerimientos de salida
velocidad/potencia.
Usando el mecanismo de arriba. La válvula de gas opera por un regulador o un activado1 de un sistema de control
4.5 Tratamientos de purificación del biogás
Algunas veces el biogás deberá ser tratado antes de su utilización. Las formas predominantes de tratamiento apuntan a la remoción de agua, ácido sulfhídrico y bióxido de carbono del biogás crudo.
4.5.1 Reducción del contenido de humedad
El biogás está usualmente saturado con vapor de agua. Esto provoca el enfriamiento del gas; por ejemplo, si se conduce este gas a través de un tubo subterráneo, el exceso de vapor de agua condensa a la temperatura más baja. Cuando el gas se calienta nuevamente, su contenido de vapor relativo disminuye. El “secado” del biogás es útil especialmente en conexión con el uso de medidores de secado de gas el cual de otra forma se llenarían eventualmente con agua condensada.
4.5.2 Reducción del contenido de ácido sulfhídrico
El H2S en el biogás se combina con el agua condensada para formar ácidos corrosivos, siendo los dispositivos para calentar agua, artefactos y refrigeradores los que corren mayor riesgo.
La reducción del contenido de H2S se hace necesaria si el biogás es usado como combustible y posee una cantidad excesiva de este compuesto, por ejemplo, más del
2%
de H2S; algunos fabricantes de motores especifican un valor máximo permitido de 0.15 % en volumen. Debido a que la mayoría del biogás contiene menos del 1% de HzS, normalmente no se hace necesaria una desulfuración, especialmente si se utiliza para un motor estacionario.4.5.3 Reducción del contenido de bióxido de carbono
La reducción del contenido de CO2 es muy complicada y cara. En principio el bióxido de carbono se puede resolver por absorción sobre cal lechosa, pero esta práctica produce capas de pasta de cal y debe entonces ser regulado,
particularmente en conexión con plantas de gran escala, para lo cual sólo procesos de alta tecnología como micro mallas son merecedoras de consideración. El COZ lavado es raramente conveniente, excepto para
CAPITULO
V
Análisis económico
El propósito de evaluar la factibilidad económica de
las
opciones de un proyecto es para asegurar que el proyecto satisface una cierta eficiencia de costo. Hay varios objetivos de un sistema de recuperación de gas: lucrativo, suministro de energía o reducción de emisiones contaminantes ( o una combinación de las tres). Si un costo neto puede ser determinado por reducir las emisiones de metano y encontrar otros objetivos ambientales, es recomendable evaluar en términos del costo por tonelada de emisiones evitadas ( por ejemplo, 2$USD / ton de emisiones equivalentes de COZ evitadas). Alternativamente, si el objetivo del proyecto es satisfacer demandas de energía de la comunidad, es recomendable evaluar en terminos de costo por unidad de energía suministrada (por ejemplo, 0.07$USD/kWh).5.1 Parámetros utilizados en la evaluación económica
El aprovechamiento del biogás de los rellenos sanitarios para la generación de energía eléctrica, presenta características muy particulares, entre otras que el combustible que se empleará no representa costo de operación, es decir;el costo del combusatible es cero.
Los
parámetros básicos empleados en la evaluación económica son:Inversión
Operación y mantenimiento
Tasa de descuento
y se definen como:
Inversión. El costo de inversión lo componen varios factores, entre los que se incluyen generador y equipo mecánico, obra civil, equipo de control, instalaciones eléctricas internas, equipo para extracción de gas, estudios de ingeniería y
administración, contingencias e intereses durante la construcción. Los costos por estos conceptos normalmente son proporcionados por los fabricantes, excepto los cuatro últimos, los servicos de ingeniería, administración y contingencias se estiman en un porcentaje sobre el costo del equipo. Los intereses durante la construcción se calculan en función del costo del capital y el período de construcción de la planta de generación eléctrica.
Operación y mantenimiento.
Los
costos de operación y mantenimiento se basan únicamente en los costos de personal para prestar mantenimiento y operar la planta de generación eléctrica y el control y manejo de los datos obtenidos.Tasa de descuento. El valor de la tasa real se estima tomando como referencia las tasas de interés CPP o CETES a 28 días, la que resulte mayor. Por ejemplo, durante 1996 fue CETES la tasa de interés más alta, 36.15 %, la inflación en ese mismo año, 27.7 %. Por tanto, la tasa real es 6.53 %. A este valor se le suman 5
puntos porcentuales por apertura de crédito, administración crediticia y beneficios bancarios.
Generación de energía. La generación de energía depende de la capacidad del relleno, de la composición de los residuos sólidos y de la vida útil del relleno sanitario. La generación de energía dada por el modelo no es la considerada en la evaluación económica, ya que la energía aprovechada dependerá de la capacidad de los equipos de combustión.
Período de vida útil. El período de vida útil para una planta eléctrica que opera con biogás de rellenos sanitarios se estima entre 1 O y 15 años.
Valor de rescate. Este parámetro se estima en 10 % sobre el costo de inversión.
Tasa
$/USD.
Porlo
general el precio de los equipos siempre está dado en dólares, por lo tanto es necesario determinar la tasa de cambio de esta divisa a moneda nacional. En nuestro país este parámetro es uno de los que más fluctuaciones puede tener y por lo tanto se toma mucho en cuenta en el análisis de sensibilidad.Costo por transmisión. Es el costo por la transmisión de la energía eléctrica, se puede considerar como un 3% de la energía generada.
Federal de Electricidad o Luz y Fuerza del Centro. La venta de la energía producida se reflejará en
lo
que el gobierno municipal dejaría de pagar por servicios de las compañías eléctricas, por ejemplo, alumbrado público y bombeo de aguas.5.2 Análisis después de impuestos
El análisis después de impuestos incluye otra serie de parámetros que deben
considerarse para determinar si el proyecto será o no rentable en un país conocido. Estos parámetros varían mucho en cada país, por eso no es recomendable incluirlos al determinar el costo de generación, sobre todo si los resultados se va a comparar con indicadores internacionales.
Los parámetros adicionales que deben considerarse para el análisis financiero de un proyecto son:
Tasa de descuento. El valor de la tasa de descuento en este análisis, debe cubrir el costo del capital, el rendimiento esperado y los riesgos a que se expone el proyecto. Normalmente cuando los créditos se manejan en dólares, se toma como referencia la tasa Prime Rate de Estados Unidos, cuyo valor promedio en los últimos 6 años fue alrededor de 8%. A este valor se le adiciona una sobretasa que cubra el rendimiento esperado y los riesgos, normalmente arriba de 5 %.
El valor de la tasa de descuento debe ser valorado cuidadosamente ya que es uno de
los
parámetros que más impactan sobre el costo de generación de la energía. No obstante, considerando que este parámetro es de alta incertidumbre, se debe considerar el desarrollo del análisis de sensibilidad.Depreciación fiscal. La ley fiscal permite depreciar los equipos de apoyo ecológico en un período de dos años. La amortización de este concepto es básico para el análisis financiero y el cálculo de
los
impuestos.ingreso gravable es el resultado de las utilidades brutas, la depreciación fiscal del equipo y de
los
intereses sobre el capital.5.3 Análisis de sensibilidad
El análisis de sensibilidad, se aplica cuando es alta la incertidumbre de uno o varios parámetros base del proyecto. Este análisis nos muestra una visión más amplia referente a la rentabilidad sobre algunos o todos los parámetros, sobre algunos o varios indicadores de rentabilidad. Para el caso de generación eléctrica, se establece la sensibilidad del costo nivelado de generación, ante la variación de: la tasa $/USD y tasa de descuento entre otros.
5.4 Criterios utilizados para evaluar los beneficios del sistema de generación propuesto
Período real de Recuperación (PR). Es el tiempo en el cual se recuperará la inversión requerida para el proyecto mediante
los
ahorros e ingresos actualizados que éste produzca.Valor Presente Neto (VPN). Consiste en valorar a la fecha de inversión inicial, vía una tasa de actualización, todos los componentes del flujo de fondos del proyecto. La tasa de actualización utilizada debe ser superior a la Tasa de Rendimiento Mínima Atractiva, es decir la TREMA, afín de satisfacer el costo de oportunidad del inversionista. Si el valor presente neto es positivo significa que el proyecto debe realizarse. Cuando en un proyecto de inversión se obtiene un VPN negativo, es debido a que la TIR no alcanza a satisfacer la tasa de descuento propuesta, sin embargo esto no significa que no se obtengan ganancias en el proyecto, sino que las ganancias o ahorros no cubren el “PREMIO” que el empresario quiere obtener por el riesgo de invertir su dinero.
Tasa Interna de Retorno (TIR). La tasa interna de retorno (TIR) es un índice de rentabilidad que representa el porcentaje o tasa de interés que se gana sobre el saldo no recuperado de una inversión, en forma tal que al final de la vida del proyecto, el saldo no recuperado sea igual a cero.
Relación Beneficio
-
Costo (BIC). La relación beneficio/costo expresa los beneficios como una proporción de los costos, en dondelos
beneficios y los5.5 Inversiones y costos
La inversión de una central de generación con motor reciprocante es a igualdad de potencia, ligeramente inferior a una central con turbina de gas. Para análisis económicos en base a datos estadísticos, se puede tomar como cifra orientativa, para instalaciones de media potencia (1 a 6 MW) el valor de 1,000 USD/kW instalado, incluyendo los siguientes equipos y sistemas.
0 Moto-generador reciprocante completo, incluyendo sistemas eléctricos de mando, control y sincronismo.
O Sistema de captación, deshidratación, filtrado y compresión del biogás.
0 Sistema eléctrico de interconexión con la red, incluyendo transformador de potencia.
0 Interconexiones mecánicas (tuberías)
0 Obra civil y estructuras.
0 Sistemas auxiliares (ventilación, baja tensión, contraincendios, iluminación,
etc.).
0 Ingeniería
O Aranceles, permisos y legalizaciones en México.
En la inversión no se han considerado
los
gastos originados por modificaciones en la línea eléctrica de acometida.Como se observa en estas cotizaciones no se incluye todos los parámetros económicos a considerar de este proyecto, por lo que se debe estimar el costo por los siguientes rubros: ingeniería, obra civil, aranceles y permisos entre otros.
5.5.2 Costo de instalación del equipo de generación
Los costos totales de inversión para este tipo de proyectos, deben considerar los costos de diseño e instalación, formados básicamente por los siguientes rubros:
0 Ingeniería de detalle
0 Obra civil
0 Obras mecánica
0 Obra eléctrica
De acuerdo a lo anterior, se considera que el costo de la ingeniería de detalle es de aproximadamente 60 USD/kW y el costo por obra civil, mecánica y eléctrica, es de 160 USD/kW.
Incluyendo estos indicadores, obtenemos un costo de 940 USD/kW, al cual le agregaremos un 10% para imprevistos, lo cual arroja finalmente 1,034 USD/kW que es lo que se considera en los cálculos económicos del proyecto.
5.5.3 Costo de operación y mantenimiento del sistema propuesto
Para asegurar la continuidad de operación de los equipos y por consecuencia el suministro de energía eléctrica, el mantenimiento tiene una importancia decisiva en los sistemas de generación eléctrica.
Generalmente es el fabricante del equipo el que ofrece un contrato de mantenimiento para sus equipos, incluyendo un seguimiento de la operación y un mantenimiento preventivo y en su caso una reparación anual.
El seguimiento de operación del sistema lo realizará el personal de operación de la planta, el cual deberá llevar un control de los principales parámetros a medir.
De datos de fabricantes, se considera que el costo de mano de obra para
operación y mantenimiento para motores alternativos a gas, es de 0.84
En cuanto al costo de las refacciones para mantenimiento de motores alternativos
a gas, se estima de 4.34 USD/MWh.
Por
lo
que el costo total por operación y mantenimiento a considerar para el análisis económico para este proyecto es de5.18
USD/MWh.5.5.4 Costo por el servicio de transmisión
CAPITULO
VI
Estudio de Previabilidad en Santa Catarina
En este capítulo se muestra un estudio de previabilidad para utilizar el biogás de un relleno sanitario como combustible para generar energía eléctrica. Se hace un análisis económico sencillo donde se utilizan algunos de los conceptos del capítulo anterior.
6.1. Relleno sanitario Santa Catarina
El relleno sanitario Santa Catarina está ubicado al oriente de la Ciudad de México, en el municipio de Los Reyes, La Paz, Edo. de México ; en la zona de los antiguos Lagos de Texcoco y Chalco; en el km. 19.5 de la carretera México
-
Puebla.
6.2 Tasa de disposición de los desechos
El relleno operó por alrededor de 10 años, iniciando sus operaciones en Diciembre de 1982. El terreno tiene una superficie de 34 ha. El ingreso total de residuos sólidos municipales en el sitio fue de 6 millones 537 mil 150 toneladas aproximadamente.
6.3 Vida útil estimada para la generación de biogás
En la Tabla 6.1 se presentan las estimaciones correspondientes a la producción de biogás y electricidad, derivadas de aplicar los factores de
biodegradabilidad del modelo cinético teórico presentado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas, para cada uno de los estratos de que consta el relleno sanitario y considerando la edad de los mismos (un desarrollo más amplio de este modelo se observa en el capítulo 3). El resultado de esta aplicación es que se tienen curvas de generación para cada estrato, que se integran para formar la curva de comportamiento general. La curva de comportamiento general, resulta
con un período que inicia en el año de 1983, año de disposición de los primeros residuos y termina en el año 2006, año en el cual la producción de biogás pasaría
a ser insignificante para este proyecto.
6.4 Tecnología a emplear para este estudio
Tabla 6.1 Producción de biogás y electricidad estimada a partir de la composición y edad de los desechos sólidos urbanos depositados en el relleno sanitario de Santa Catarina. [2]
ANO BIOGAS BIOGAS ANOS BIOGAS CALOR POT. ELECT. ELECTRICIDAD GENERADO
"lIAÑ0 Nmot=%%
MVVT
40%
PROYECTO M 3 M N
M3IAÑO
DISPONIBLE
DISP. (M)
DISPONIBLE RECUPERADO
DEL GENERADO
6.5 Análisis de capacidad y número de equipos a instalar recomendables.
Alternativa B)
Instalar inicialmente 2 motores de 650 kW, al final del año 6 retirar uno y se deja trabajando elotro dos años más, hasta el final del año 8.
Alternativa C)
Esta alternativa considera utilizar motores de 1,080 y 650 kW. Instalar inicialmente dos motores, uno de 1,080 kW y el otro de 650 kW; al final del año 6 retirar el motor de 650 kW y se deja trabajando el motor de 1,080 kW hasta el final del año 7, al final del cual se habrá agotado la generación del biogás técnicamente aprovechable.
Alternativa D)
Instalar inicialmente
2
motores de 1,080 kW, al final del año 5 retirar 1 y se deja trabajando el otro hasta el final del año 7.En la siguiente tabla se observa cual sería la generación de energía eléctrica para cada una de las alternativas propuestas.
Tabla 6.2 Generación de energía eléctrica considerando cuatro alternativas de instalación de motores reciprocantes y la curva de generación del biogás. [2]
]Alternativa A !Alternativa B ]Alternativa C IAlternativa D
ANO IG. E. (MWh) IG. E. (MWh) IG. E. (MWh) IG. E. (MWh)
6.6 Inversiones y costos
6.7 Criterios utilizados para la evaluación económica
En la siguiente tabla se presentan los parámetros básicos empleados para la evaluación económica.
Tabla 6.3 Parámetros para la evaluación económica.
Tasa de descuento
9 años Período de análisis
8.0
Tasa $/USD
14%
Precios constantes
50% de la tarifa 6
50% de la tarifa 5 Precio de venta de la energía a LYFC
3% de la energía generada Costo por transmisión
1996
6.8 Análisis económico.
La Tabla 6.4 presenta los resultados obtenidos para cada alternativa considerando autoabastecimiento de energía eléctrica, con 50% de la tarifa 5 y 50% de la tarifa 6.
Tabla 6.4 Resultados obtenidos al 100% de la inversión inicial. [2]
CONCLUSIONES
El presente estudio indica que es viable técnica y económicamente implementar sistemas de generación eléctrica en los rellenos sanitarios del país, esencialmente por los siguientes aspectos:
Existe un Modelo de Predicción y Producción de Metano, desarrollado por investigadores mexicanos, que permite determinar la generación posible de biogás en un relleno sanitario.
Se cuenta con la tecnología para la combustión del biogás, basada principalmente en los motores Otto y en los motores diesel de cuatro tiempos, considerando leves cambios en su estructura básica.
En este estudio se determinó el potencial de generación de biogás a nivel nacional y consecuentemente el potencial de generación de energía eléctrica a partir de este tipo de combustible. Este potencial se calculó considerando que un 17% de los residuos sólidos municipales son depositados en rellenos sanitarios, lo que indica que si una mayor cantidad de residuos se colocaran en los rellenos, el potencial aumentaría sustancialmente.
Además, una de las insuficiencias más importantes en materia y disposición final de los residuos sólidos municipales es el desconocimiento que existe sobre el fenómeno, tanto en términos conceptuales como factuales. En la mayoría de las ciudades del país, por ejemplo, no se tiene identificada la cantidad ni la composición del total de la basura que se genera y, por tanto, se dificulta la toma de decisiones. Esto no permite hacer un buen análisis del potencial de generación de biogás en el territorio nacional.
BIBLIOGRAFIA
[I] Alonso Concheiro Antonio, Rodriguez Viqueira Luis. Alternativas
Enerqéticas. Conacyt, 1985.
[2] Angles Domínguez Manuel lván. Estudio de previabilidad para el relleno sanitario Santa Catarina. Servicio Social, CONAE, UAM; 1997.
[3] Environmental Agency Protection. A guide for Methane Mitiqation Projects; Gas to enerqv at Landfills and Open Dumps. EPA, 1996.
[4] Instituto de Investigaciones Eléctricas. Estudio de Evaluación de las Emisiones de Biogás
v
Caracterización de la Potencia Energética que se puede obtener del Relleno Prados de la Montaña del Departamento del Distrito Federal. IIE, 1996.[5] Klaus von Mitzlaff. Engines for Biogas. Deutsches Zentrum für
Entwicklungstechnologien
-
GATE, Vieweg, 1988.[6] Medrano Vaca Consolación. Estudio de Mercado de los Rellenos Sanitarios; Informe 1lE/01/14/10820/1-3/97. Instituto de Investigaciones Eléctricas, 1997.
[7] Subdirección de Gas Natural. Fascículo Gas Natural. Pemex Gas y
Petroquímica Básica.
[8] Sedesol, INE. Informe de la Situación General en Materia de Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente 1993-1 994. Sedesol, 1994.
Páginas Internet:
[9]
http://www.eea.dMaegb/capO9/b9
104.htm[ I O]
http://www.eea.dk/Locate/Databases/AirEmis/
[I I]http://www.energía.gpb.mx/gnat24.html
[I 21 http://gate.gtz.de/isat/at info/biogas
[I 31
![Tabla 2.2 Características de residuos sólidos municipales. [4]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/5592682.126449/18.918.89.768.537.716/tabla-características-residuos-sólidos-municipales.webp)
![Tabla 2.3 Tasas de producción de biogás. [4] Año Tasa d e producción d e biogás (%)](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/5592682.126449/19.921.103.516.140.500/tabla-tasas-producción-biogás-año-tasa-producción-biogás.webp)
![Fig. 3.1 Tendencias en la generación de RSM (1992-2000) [13].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/5592682.126449/21.913.98.717.205.515/fig-tendencias-generación-rsm.webp)
