Análisis de la capacidad de generación de energía eléctrica de los RSU de Medellín y viabilidad económica de la implementación de una planta WTE de los RSU estudiados

Abstract

El aprovechamiento de residuos sólidos urbanos (RSU) como fuente de generación de electricidad es una alternativa para el manejo de basuras que se encuentra en crecimiento desde 1960 a nivel mundial, las plantas que utilizan los RSU con este fin se conocen como Waste to Energy (WTE). Debido al aumento de basuras, la reducción de espacios para verterlas, el aumento en los gases de efecto invernadero (GEI) producidas por éstas y el crecimiento de demanda energética hace que se deban generar otras opciones para el aprovechamiento de estas y a su vez suplir las crecientes necesidades energéticas. En este trabajo se analizó la capacidad de generación de energía eléctrica con los RSU de la ciudad de Medellín y la viabilidad económica de implementar una Planta Waste to Energy (WTE) con dichos residuos. Se caracterizaron los RSU de Medellín en porcentajes de materia orgánica, plástico, tela, vidrio, etc, luego los porcentajes de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y cenizas de cada elemento a la hora de su incineración, posterior a esto se calculó el valor en kg de base seca de cada elemento en los materiales que componen los RSU. Después de tener el valor del combustible seco se realiza el cálculo del poder calorífico inferior (PCI) por medio de las ecuaciones de Dulong. Posteriormente se precede al análisis del ciclo de vapor con el ciclo termodinámico Rankine regenerativo en donde se explica cada una de las etapas para transformar el agua en vapor y la energía de este vapor convertirla en energía mecánica que por medio del movimiento de una turbina conectada a un generador produce energía eléctrica. Con los cálculos anteriores se propuso una pequeña central de generación de 8 MW la cual requiere 82,220.49 toneladas de RSU al año , debido a que las centrales con una capacidad instalada menor a 20 MW no se despachan centralmente, teniendo la ventaja de ser plantas que pueden vender contratos a precio de bolsa sin convocatoria o con convocatoria y hacer contratos directamente a generadores o comercializadores que atienden usuarios no regulados, los cálculos fueron validados en el software RETScreen Expert. Luego del análisis técnico se realizó la viabilidad económica de la planta WTE por medio del software RETScreen Expert, debido a la poca información de precios de plantas WTE en Latinoamérica se analizaron 3 escenarios de inversión con el objetivo de tomar diferentes referencias los cuales fueron inversión mínima, inversión promedio e inversión máxima. Desde la componente técnica los RSU del municipio de Medellín son suficientes para la generación de electricidad, para la producción de 8 MW sólo se utilizarían el 10.72% de los RSU, en cuanto al análisis económico en el escenario mínimo de inversión se obtuvo un VPN positivo de 3,333,909 USD una TIR de 13.1 %, relación beneficio-costo de 1.5 y un periodo de retorno de 11 años, siendo el proyecto viable en este escenario. En el escenario de inversión promedio se obtuvo un VPN de - 10,463,695 USD, una TIR de 4.6 %, relación beneficio-costo 0.19 y un periodo de retorno de 19 años, siendo el proyecto inviable en este escenario. En el escenario de inversión máxima se obtuvo un VPN de - 24,972,371 USD, una TIR de 0.99 %, relación beneficio-costo -0.35 y un periodo de retorno de 24 años, siendo el proyecto inviable en este escenario.

The use of municipal solid waste (MSW) as a source of electricity generation is an alternative for wastemanagement that has been growing worldwide since 1960; the facilities that use MSW for this purpose are called Waste to Energy (WTE). Due to the increase in waste, the reduction of space for disposal, the increase in greenhouse gases produced by MSW, and the growth in energy demand, lead to generating other options for taking advantage of the waste and at the same time meeting the growing energy needs. This project analyzed the electric power generation capacity of MSW from the city of Medellín and the economic feasibility of implementing a Waste to Energy Plant (WTE) using such waste. The MSW of Medellín was characterized by percentages of organic matter, plastic, fabric, glass, etc., then the percentages of carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur, and ashes of each element at the time of incineration, then the value in kg of the dry base of each element in the materials that compose the MSW was calculated. After having the value of the dry base, the Lower Calorific Value (LCV) is calculated using Dulong's equations. Subsequently, the analysis of the steam cycle is preceded by the regenerative Rankine thermodynamic cycle where each of the stages to transform water into steam is explained and the energy of this steam to convert it into mechanical energy using the movement of a turbine connected to a generator produces electrical energy. Based on the calculations above, it was proposed a small power plant of 8 MW, which requires 82,220.49 tons of MSW per year. Energy plants with a capacity of less than 20 MW do not have the same contractual obligations as those larger than 20 MW; smaller plants have the advantage of selling energy contracts at an exchange price without or with a call for tenders and making contracts directly to generators or energy traders that serve non-regulated users. After the technical analysis, the economic feasibility of the WTE plant was carried out using the RETScreen Expert software. Due to the lack of information on WTE plant prices in Latin America, three investment scenarios were analyzed to take different references, which included: a minimum investment, average investment, and maximum investment. From the technical component, the MSW from the municipality of Medellín is enough to generate electricity; for the production of 8 MW, only 10.72% of the MSW would be used, as for the economic analysis, the minimum investment scenario showed a positive Net Present Value (NPV) of 3,333,909 USD, an IRR of 13.1 %, a benefit-cost ratio of 1.5 and a payback period of 11 years, making the project viable in this scenario. In the average investment scenario, a NPV of -10,463,695 USD, an IRR of 4.6 %, a benefit-cost ratio of 0.19 and a payback period of 19 years were obtained, making the project unfeasible in this scenario. In the maximum investment scenario, a NPV of -24,972,371 USD, an IRR of 0.99 %, benefit-cost ratio -0.35 and a payback period of 24 years were obtained, making the project unfeasible in this scenario.