prefactibilidad de planta de biogas

3 Simposio Iberoamericano de Ingeniera de Residuos 2 Seminrio da Regio Nordeste sobre Resduos Slidos

REDISA Red de Ingeniera de Saneamiento Ambiental ABES Associao Brasileira de Engenharia Sanitria e Ambiental

1

PREFACTIBILIDAD DE UNA PLANTA DE BIOGAS, UTILIZANDO RESIDUOS DE GANADO BOVINO PARA PRODUCIR HIDRGENO

I.Paz Hernndez Rosales1, profesora investigador de la Universidad Autnoma de Nayarit, Mxico. Lnea de

investigacin produccin de biocombustibles, energas renovables, sntesis de materiales y tratamientos de

residuos slidos urbanos. Artculos en extenso en los congresos internacionales de la Sociedad Mexicana del

Hidrgeno, en los Simposios Iberoamericanos de Catlisis y en la revista del Journal Hydrogen Energy.

Sarah Ruth Messina Fernndez2

Claudia E. Saldaa Duran3

Direccin1 Cd. De la Cultura Amado Nervo, Tepic Nayarit, Cdigo Postal 63190- Tel: 01 311 2118821- Fax:

01 311 2118821-e mail: [email protected]

RESUMEN

El principal objetivo fue evaluar la pre-factibilidad econmica de la planta de reformacin con vapor,

utilizando como combustible GN y la mezcla de Biogs + GN. Se realiz un anlisis de una planta de

cogeneracin de energa elctrica, la cual utilizar biogs y GN. Con base a estos combustibles se fij una

escala industrial significativa para el estudio, lo que permiti elegir una potencia instalada de 75 MW. Sobre la

base de dicha capacidad, se efectuaron los balances de masa y energa. Se desarrollan tcnicamente un balance

de masa y energa en una planta de cogeneracin de energa con excretas de ganado bovino lechero, teniendo

como combustible: biogs + gas natural. El cual se utiliz como materia prima para producir hidrgeno.

Antes de efectuar los balances de masa y energa, se obtuvo la reaccin biolgica del estircol. Lo que nos

permiti desarrollar las reacciones qumicas en el proceso de la reformacin con vapor; ya que se manejaron

tres supuestos como posibles combustibles en el reformado. En el que se obtuvo que la mezcla de 70% de

biogs + 30% GN arroj la misma cantidad de produccin de hidrgeno de (29.683.500 kg/ao), con respecto

de utilizar 100% de GN, en el proceso de reformacin con vapor. En trminos de la evaluacin econmica, la

rentabilidad del proyecto medida sobre la base de los indicadores econmicos VPN y TIR, result ser similar,

tanto para la mezcla de combustible [biogs + GN], como para GN como combustible en el proceso de

reformacin con vapor. Resaltando que los costos variables mostraron la diferencia entre utilizar la mezcla de

biogs + GN, con respecto a utilizar slo GN, e inclusive de utilizar solo biogs. Dando como resultado una

marcada diferencia en el Costo total unitario.

PALABRAS CLAVE: Biogs, Hidrgeno, Evaluacin econmica.

INTRODUCCIN

El hidrgeno puede producirse en grandes cantidades a partir de fuentes de energa primarias, tales como

combustibles fsiles (carbn, petrleo o gas natural), de diferentes intermediarios (productos de refinera,

amoniaco, metanol) y de fuentes alternativas como biomasa, biogs y materiales de deshecho. El reformado

con vapor de agua del gas natural representa alrededor de las tres cuartas partes de la produccin total de

hidrgeno. El proceso se basa en la reaccin del vapor de agua y el metano a alta temperatura sobre un

catalizador. Otros gases que contienen hidrocarburos tambin son adecuados para la produccin de hidrgeno;

tal es el caso de diferentes gases (biogases) procedentes de la fermentacin anaerobia de biomasa y residuos.

[1,2,3]

En este sentido un proyecto que contempla la produccin del Hidrgeno mediante la reformacin de gases,

producto de la descomposicin de la biomasa constituye el caso de la planta de cogeneracin de Tizayuca

Hidalgo. En esta planta se tiene contemplado obtener Biogs, abono orgnico y planta de tratamiento de

aguas. Pero tambin se puede obtener por medio de reformado cataltico, hidrgeno a partir del biogs



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obtenido de los desechos del estircol bovino; por lo que se realizara el balance de energa de la planta de

biogs; este balance partir del proceso de la planta el cual constar de las siguientes etapas: Recepcin de

estircol, tratamiento anaerobio (digestores), separacin lquido/ slido, obtencin de biogs, motores,

recuperacin trmica, para darnos electricidad y calor. Estos resultados nos permitirn determinar a travs de

la reformacin del biogs, la cantidad producida de hidrgeno, el cual puede utilizarse como combustible para

los motores de la unidad de cogeneracin.

2. Condiciones experimentales. 2.1. Biomasa En este trabajo se tomo la siguiente ecuacin de Buswell para la reaccin biolgica del estircol:

Cn Ha Ob + (n a/4 b/2) H2O = ( n/2 a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 b/4) CH4

En los procesos naturales la produccin es del 60-70 por 100 CH4 y 40-30 por 100 CO2 y es prcticamente

constante para cada tipo de biomasa. Este producto final gaseoso de la reaccin se denomina comnmente

biogs.[7]

2.2 Reformacin con vapor. El reformado con vapor es el mtodo usado de forma ms habitual para producir

gases enriquecidos en hidrgeno. El metano, principal componente del gas natural, reacciona con el vapor de

agua de acuerdo con el siguiente equilibrio [8,9,10]:

CH4 + H2O CO + 3H2

2.3 Reformacin a partir de Gas Natural, Biogs (metano) y mezcla de GN+Biogs. En este apartado se

presenta que a partir de haber escogido el proceso de reformacin con vapor para producir hidrgeno, se

trabajaran los balances de energa ha partir de estas tres posibilidades de combustibles, para conocer la

produccin de hidrgeno. Con las caractersticas proporcionadas por la planta en estudio, y con las

caractersticas del reformador.

En la Fig.2.3. se presentan las tres posibilidades de los combustibles a utilizar en el reformador de vapor,

utilizando el diagrama de la planta de Tizayuca, slo que en este esquema ya se adiciono el reformador de

vapor, para producir hidrgeno a partir de los tres posibles combustibles para realizar los balances de materia y

energa; en la siguiente tabla 2.3.1 se reportan los clculos con respecto a los porcentajes en lo que se trabajara

el RV.



3

Fig.2.3 Diagrama de los diferentes combustibles para alimentar el RV para producir hidrgeno en la Planta de

Cogeneracin.

Tabla 2.3.1 Porcentajes de las composiciones de los combustibles

2.4 Reformacin con vapor

En el reformador con vapor se lleva a cabo la siguiente reaccin molar

CH4 + H2O CO + 3H2

3. Resultados de los Balances de Masa y energa. Consideremos un balance de masa y energa global de la planta de reformacin de metano con vapor, en estado estacionario.

1. Reformacin (molar)

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2

GN Biogs Mezcla Biogs + GN Composicin original

(ton/d)

10.14 70.2 80.34

Composicin original

(m3/d)

13170 58,500 71670

% 18.38 81.62 100

Gas Motores

Recuperacin trmica

Recepcin Purines

Tratamiento Anaerobio

E L E C T R I C I D A D

BIOGAS

REFORMADOR

H2

2

1

PRODUCCIN

10.14 + 70.2 = 80.34 ton/d 10.14 + 70.2 = 80.34 ton/d



4

HR = 15.8

kg

MJ

CH 4

2. Combustin (molar)

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

HR = -55

kg

MJ

CH 4

A partir de (2) se tiene la siguiente reaccin balanceada en masa (kg)

16 CH4 + (2*32)O2 44CO2 + (2*18) H2O

16CH4 + 64O2 44CO2 +36 H2O

1CH4 + 4O2 2.75CO2 + 2.25H2O

Por otro lado a partir de (1) se tiene la siguiente reaccin en base msica (kg)

16 CH4 + (2*18)H2O 44CO2 + (4*2) H2

16CH4 + 36H2O 44CO2 +8 H2

1CH4 + 2.25 H2O 2.75CO2 + 0.5H2

y dado que,

1CH4 + 2.25 H2O 2.75CO2 + 0.5H2

HR = 15.8

kg

MJ

CH 4

3.48CH4 + 7.83H2O 9.57CO2 + 1.74H2

REQUIERE: HR = 55 [MJ]

Una vez realizado el balance de masa y de energa para la planta de reformacin de metano con vapor, se

tienen las siguientes reacciones en base msica (kg).

1) 1CH4 + 4O2 2.75CO2 + 2.25H2O

2) 3.48CH4 + 7.83H2O 9.57CO2 + 1.74H2

4.48 CH4 + 4O2 + 5.58H2O 12.32CO2 + 1.74H2

1CH4 + 0.89O2 + 1.25 H2O 2.75CO2 + 0.39H2

El que expresado estequiometricamente molar corresponde a:



5

1CH4 + O.44O2 + 1.12H2O 1CO2 + 3.12H2

3.1 Anlisis 3.1.1 Biogs como combustible alterno. La obtencin de hidrgeno puede ser considerada, hoy en da, desde dos perspectivas: la primera con los combustibles tradicionales de hidrocarburos, o la segunda con

combustibles renovables como el biogs.

La segunda perspectiva nos mostr que hay una gran rama de investigacin y desarrollo, propenso sobre todo

al estudio de la accin fermentadora de una bacteria anaerbica llamada metanogenica, vinculada

especficamente con la bioqumica de los mismos; as como el diseo y optimizacin de la ingeniera de los

biodigestores; el cual est intrnsecamente ligado con las caractersticas de la bacteria metanognica.

Con lo que se ratifica que el biogs, es un combustible confiable, tanto para el medio ambiente como para la

parte econmica de la sociedad, que requiere de disponibilidad de combustible y no depender de los mercados

internacionales energticos, o sea de los hidrocarburos que contaminan y estn prximos ha acabarse.[4]

3.1.2 Balances. Teniendo ya la composicin de la reaccin del estircol, se realiz el balance de masa y energa, donde obtuvimos que en efecto; tras realizar un balance de masa y energa en estado estacionario, se

obtuvo el siguiente resultado global del proceso, expresada en trminos molares (volumtricos): dando como

resultado que el primero y tercer supuesto nos arrojan el mismo resultado, teniendo 3.120 moles de hidrgeno

y 2.184 moles de hidrgeno con respecto al segundo supuesto. Por lo que el biogs puede ser un combustible para el proceso de Reformacin de vapor. El cual puede producir la misma cantidad de hidrgeno que al

utilizar 100% GN.

Tambin se concluye que de acuerdo a la cantidad de estircol que se utilizar en la planta, se requerira

incrementar al doble esta cantidad, para que la planta de reformacin de vapor, pueda trabajar con 100%

biogs como combustible. Asimismo cabe mencionar, que este biogs puede ser ms rico con respecto a su

calor calorfico si se manejaran mezclas diferentes de excrementos, ya sea de cerdos, vacas y basura orgnica.

Cabe mencionar que este punto tambin es un nicho para investigaciones posteriores.

4. Evaluacin econmica

4.1 Indicadores econmicos Si bien la planta para producir hidrgeno utilizando como combustible 70%biogs (metano) + 30% GN, puede considerarse como un proyecto arriesgado dado que corresponde a una

innovacin tecnolgica, la tasa de descuento aplicada ser la de un proyecto consolidado (8 9%). El criterio

aplicado en la seleccin de la tasa de descuento est basado en los alcances que tiene el estudio, dado que si la

planta es evaluada como un proyecto riesgoso, deben ser estudiados con gran detalle los riesgos de mercado,

riesgos tecnolgicos y riesgo pas, perdiendo sentido el clculo del VPN o de la TIR. [11,12,13]

Los indicadores econmicos aplicados para ver la rentabilidad del proyecto corresponden al valor actual neto

(VPN) y a la tasa interna de retorno (TIR).

4.1.2 Valor Presente Neto (VPN). Corresponde a la suma actualizada de todos los flujos de caja netos a lo largo de la vida til del proyecto y est dado por:

( )= +

=n

jj

jj

r

CIVPN

0 1

donde,

Ij: ingreso total que se obtiene en el ao j

Cj: costo total en que se incurre el ao j

r: tasa de actualizacin del proyecto

n: vida til del proyecto



6

j: ao que se est considerando.

En este indicador econmico se considera la inversin dentro de los costos del ao en el que se realiza.

Existen tres alternativas posibles una vez calculado el VPN:

VPN < 0, entonces el proyecto no es rentable

VPN = 0, entonces el proyecto es indiferente (la utilidad es cero)

VPN > 0, entonces el proyecto es rentable

4.1.3 Tasa Interna de Retorno (TIR) .Corresponde a la tasa de actualizacin para la cual el VPN es cero. La TIR se determina a prueba y error con la siguiente ecuacin

=

=+

n

jj

jj

TIR

CI

0

0)1(

Una vez que se ha calculado la TIR, sta debe ser comparada con la tasa de descuento aplicada al proyecto (r),

obtenindose alguno de los siguientes casos:

TIR > r, entonces se obtienen beneficios. TIR < r, entonces se obtienen prdidas. Es decir, la TIR es la mxima tasa de descuento aplicable para que el proyecto sea rentable.

5. Resultados: A continuacin se muestran los indicadores econmicos obtenidos para la reformacin de metano con vapor, al utilizar una tasa de descuento para el proyecto r = 9%

Tabla 5.1 Indicadores econmicos obtenidos para el proceso de reformacin de metano con vapor.

El costo nivelado de generacin es el cociente del VPN de costos y el VPN de produccin de electricidad:

Con relacin al costo nivelado de generacin, el emanado para la mezcla de biogs + GN resulta ser 2.64

veces menor.

5.2 Anlisis de la evaluacin econmica: En relacin a la evaluacin econmica tenemos que el valor presente neto VPN es mayor que cero en ambos casos, esto es reflejo de sus costos de inversin, ya que

RV RV

100% GN 70%Biogs + 30%GN

VPN ( miles de US$ ) $885.292 924.557

TIR 152% 152%

Costo nivelado de

generacin US$/kW

RV RV

100% GN 70%Biogs + 30%GN

4.066 1.539



7

resultan ser del mismo orden de magnitud; por lo que indica que es rentable el proyecto. As mismo la tasa

interna de retorno TIR es mayor que la tasa de descuento (9%), por lo que s presentar altos beneficios

utilizar como combustible biogs (metano) en el reformador de vapor.

La principal diferencia registrada en las rentabilidades del proyecto se debe a los costos variables, pues para el

caso de utilizar biogs (metano) como combustible slo influyen econmicamente los costos del agua de proceso, agua de enfriamiento y la electricidad, el gasto en materias primas se ve reducido en un 70% del

costo, ya que slo se utiliza un 30% de GN.

6. Conclusiones. Lo primordial que se concluye es que en base a las propiedades del biogs, los balances de masa y energa y bajo las condiciones utilizadas, es factible tcnicamente operar una planta biotecnolgica

combinada de produccin de hidrgeno.

Se tiene, que a partir de una cantidad de residuos slidos (estircol) se genera biogs, el cual al utilizarlo como

combustible, en un reformador de vapor, nos arroja los siguientes porcentajes de los balances de masa y

energa para los supuestos manejados en esta trabajo:

Primer supuesto: 100% de GN se tiene un 99% de hidrgeno Segundo supuesto: 100% de biogs se tiene un 70% de hidrgeno Tercer supuesto: Mezcla 70% de biogs + 30% GN se tiene un 99% de hidrgeno. Con respecto a la evaluacin econmica, se concluye que es factible utilizar la mezcla de biogs + GN, ya que

el costo de la produccin del hidrgeno mediante la tecnologa de reformacin de metano con vapor,

utilizando como combustible la mezcla de Biogs + GN result ser ms bajo; del orden de US$0.1994 kg H2, comparndolo con el costo de la produccin del hidrgeno utilizando como combustible GN del orden de

US$0.469 kg H2. Teniendo como produccin anual de H2 de 29.683.500 kg/ao, en los dos casos.

Con relacin al costo nivelado de generacin, el obtenido para la mezcla de Biogs + GN resulta ser =

US$1.539/kW y el del GN =US$4.066/kW. Obteniendo que el primero es 2.64 veces menor.

Lo que ratifica que, s es atractivo para el empresario, invertir en este tipo de plantas biotecnolgicas

combinadas.

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prefactibilidad de planta de biogas

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