Evaluación termodinámica y económica para la generación eléctrica por medio de la incineración de residuos sólidos urbanos

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Currently, worldwide the constant generation of Municipal Solid Waste (MSW) has become a challenge for humanity that requires different management models. The objective of this research is to carry out a thermodynamic and economic assessment that assesses the MSWs managed at the Bucaramanga (Carrasco) landfill, using Incineration technology for power generation (WtE). Ten scenarios were evaluated where regeneration, reheating and hybrid combined cycle (CCH) were incorporated. For the calculation of the properties in each state of the different scenarios, the CoolProp ™ software was used. The steam parameters of Rankine cycles were estimated at 40 bar and 380°C, with a lower heating value (LHV, MSW) of 8,786 kJ/kg. Highest energy efficiency was achieved on the scenario (C7) with 23.7%, increasing by 1.5 GWh/year (1.7%) power delivered to the grid with respect to the baseline scenario. The combined cycles hybrid of natural gas will increase the overall energy efficiency, around 37% to 39%, the mass flow rate of steam increases by 48% for the CCH1 and 66% for the CCH2, providing an increase in electrical power of 88% and 100.1%, respectively. Among the simple Rankine cycles, the scenario with a regenerator (C1) presents the best profitability, with a recovery period of 19 years, NPV of 6,878,103 USD and IRR of 11%. Of the hybrid combined cycles, the best profitability is the (CCH2), which returns the investment in the year 17, NPV of 31,754,531 USD and IRR of 13.7%, in this scenario the most important variable by income from plant is the sale of electricity, different from simple cycles, which are represented by the higher income by the MSW disposal rate.

Actualmente, a nivel mundial la generación constante de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) se ha convertido en un desafío para la humanidad, que obliga a plantear diferentes modelos de gestión. El objetivo de la presente investigación es realizar una evaluación termodinámica y económica que valorice los RSU gestionados en el vertedero de Bucaramanga (Carrasco), utilizando la tecnología de Incineración para generación eléctrica (WtE). Se evaluaron diez escenarios donde se incorporó regeneración, recalentamiento y ciclo combinado híbrido (CCH). Para el cálculo de las propiedades en cada estado se utilizó el software CoolProp ™. Los parámetros de vapor de los ciclos Rankine se estimaron en 40 bar y 380°C, con un PCI de los RSU de 8,786 kJ/kg. La mayor eficiencia energética se alcanzó en el escenario (C7) con un 23.7%, aumentando en 1.5 𝐺𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜 (1.7%) la energía entregada a red respecto al escenario base. Los ciclos combinados híbrido de gas natural aumentan la eficiencia energética global, alrededor de 37% a 39%, el caudal másico de vapor aumenta en 48% para el CCH1 y 66% para el CCH2, proporcionando un aumento de potencia eléctrica de 88% y un 100.1% respectivamente. Entre los ciclos Rankine simples, el escenario con un regenerador (C1) presenta la mejor rentabilidad, con un periodo de recuperación de 19 años, un valor actual neto (VAN) de 6.878.103 USD y tasa interna de retorno (TIR) de 11%. De los ciclos combinados híbridos, el de mejor rentabilidad es el (CCH2), el cual retorna la inversión en el año 17, un VAN de 31.754.531 USD y TIR de 13.7%, en este escenario la variable más importante por ingresos de planta es la venta de electricidad, diferente a los ciclos simples, que ven representado el mayor ingreso por la tarifa de eliminación de RSU.

Maestría

Magister en Sistemas Energéticos Avanzados

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 19 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 21 1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ................................ 21 1.2 DESCRIPCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN ......................... 24 2. OBJETIVOS .................................................................................................... 25 2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 25 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................... 25 3. MARCO REFERENCIAL ................................................................................ 26 3.1 CONDICIONES SOCIODEMOGRÁFICAS DEL ESTUDIO ..................... 26 3.2 MARCO TEÓRICO .................................................................................. 28 3.2.1 Ciclo Rankine ..................................................................................... 28 3.2.2 Regeneración ..................................................................................... 29 3.2.2.1 Grado óptimo de regeneración .................................................... 30 3.2.3 Recalentamiento ................................................................................ 32 3.2.4 Ciclo Brayton: El ciclo ideal para los motores de turbina de gas: ....... 35 3.2.5 Ciclo combinado híbrido – CCH: ........................................................ 36 3.2.6 Análisis de sensibilidad: ..................................................................... 38 3.3 MARCO LEGAL ....................................................................................... 38 3.3.1 Disposición final de residuos sólidos urbanos .................................... 38 3.3.2 Emisiones admisibles a la atmosfera ................................................. 40 3.3.3 Generadores de energía eléctrica por medio de fuentes no convencionales....................... 42 4. ESTADO DEL ARTE....................................................................................... 44 5. DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................... 54 5.1 METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO ................................................. 54 5.1.1 FASE 1. Definición de escenarios y parámetros iniciales de planta ... 54 5.1.2 FASE 2. Evaluación termodinámica de primera y segunda ley .......... 58 5.1.3 FASE 3. Evaluación económica de los diferentes escenarios ............ 64 6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................... 67 6.1 COMPOSICION FISICO-QUIMICA DE LOS RSU DEL CASO DE ESTUDIO.......................... 67 6.2 RESULTADOS Y ANÁLISIS ENERGÉTICO ........................................... 69 6.2.1 Escenario base (C0) ........................................................................... 70 6.2.2 Escenario regenerativo. Un regenerador (C1).................................... 72 6.2.3 Escenario regenerativo. Dos regeneradores (C2) .............................. 75 6.2.4 Escenario regenerativo. Tres regeneradores (C3). ............................ 78 6.2.5 Escenario con recalentamiento (C4) .................................................. 81 6.2.6 Escenario con recalentamiento y un regenerador (C5) ...................... 85 6.2.7 Escenario con recalentamiento y dos regeneradores (C6) ................ 89 6.2.8 Escenario con recalentamiento y tres regeneradores (C7) ................ 92 6.2.9 Escenario con ciclo combinado híbrido (CCH1) ................................. 95 6.2.10 Escenario con ciclo combinado híbrido (CCH2) ............................ 102 6.3 ANÁLISIS EXERGÉTICO ...................................................................... 108 6.4 EXERGÍA DE COMBUSTIBLE .............................................................. 109 6.5 EXERGÍA DESTRUIDA ......................................................................... 112 6.6 RESULTADOS Y ANÁLISIS EXERGÉTICO ......................................... 114 6.6.1 Escenario base (C0) ......................................................................... 115 6.6.2 Escenario regenerativo. Un regenerador (C1).................................. 117 6.6.3 Escenario regenerativo. Dos regeneradores (C2) ............................ 119 6.6.4 Escenario regenerativo. Tres regeneradores (C3) ........................... 121 6.6.5 Escenario con recalentamiento (C4) ................................................ 123 6.6.6 Escenario con recalentamiento y un regenerador (C5) .................... 125 6.6.7 Escenario con recalentamiento y dos regenerador (C6) .................. 127 6.6.8 Escenario con recalentamiento y tres regenerador (C7) .................. 129 6.6.9 Escenario con ciclo combinado híbrido (CCH1) ............................... 132 6.6.10 Escenario con ciclo combinado híbrido (CCH2) ............................ 134 6.7 COMPARACIÓN DE LOS ESCENARIOS EVALUADOS ...................... 135 6.7.1 Eficiencia Energética ........................................................................ 137 6.7.2 Eficiencia Exergética ........................................................................ 138 6.7.3 Variación de RSU utilizados por escenario ...................................... 140 6.7.4 Energía eléctrica entregada a red por año ....................................... 142 6.8 RESULTADOS DEL ANALISIS ECONOMICO ...................................... 144 6.8.1 Gastos de inversión en bienes de capital ......................................... 144 6.8.2 Costos de O&M Fijos y variables ..................................................... 149 6.8.3 Costo nivelado de electricidad LCOE ............................................... 149 6.8.4 Flujo de caja para cada escenario .................................................... 151 6.8.5 Análisis de sensibilidad .................................................................... 156 7. CONCLUSIONES ......................................................................................... 163 8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 167 ANEXOS .............................................................................................................. 175

Ej. 1