estudio de prefactibilidad para la implementación de un

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2007

Estudio de prefactibilidad para la implementación de un sistema Estudio de prefactibilidad para la implementación de un sistema

de generación distribuida con celdas de combustible en la planta de generación distribuida con celdas de combustible en la planta

de tratamiento de aguas residuales El Salitre Bogotá de tratamiento de aguas residuales El Salitre Bogotá

Claudia Patricia Arévalo Bello Universidad de La Salle, Bogotá

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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON CELDA DE COMBUSTIBLE EN

LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EL SALITRE BOGOTÁ.

CLAUDIA PATRICIA ARÉVALO BELLO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C. 2007




ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON CELDA DE COMBUSTIBLE

EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES El SALITRE BOGOTÁ.


Trabajo de grado presentado como requisito para optar al Título de Ingeniero

Electricista.

Director: Dr-Ing. CAMILO ANDRÉS CORTÉS

Doctor en Ingeniería Eléctrica

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C. 2007




Nota de aceptación:

Firma Director

Firma Jurado

Firma Jurado

Bogotá D.C. Abril de 2007

A Dios por todas las bendiciones recibidas.




A mi Madre, porque con su esfuerzo, amor y dedicación hizo posible

que mis sueños se hicieran realidad.

A Amparo por su amor e incondicional afecto.





AGRADECIMIENTOS

Agradezco a La UNIVERSIDAD DE LA SALLE, por su formación integral y por

brindarme los medios necesarios para atender adecuadamente los retos futuros.

Agradezco a mis profesores por compartir y transmitir sus conocimientos, por que

con su experiencia me dieron las bases para construir una gran profesional.

Expreso mi admiración al profesor Dr-Ing. Camilo Cortés, agradezco la

oportunidad de trabajar con él, por su continua asesoría y por brindarme su apoyo

en el desarrollo de este proyecto.

Al Ingeniero William Castillo, Jefe de mantenimiento de la PTAR Salitre Bogotá,

por su asesoría e incansable apoyo.

Agradezco a mi familia por apoyarme para alcanzar mis metas y por ser mi motor

para seguir adelante.



TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN................................................................................................................10

1. PROBLEMA........................................................................................................12

2. JUSTIFICACIÓN.................................................................................................13

3. OBJETIVOS........................................................................................................15

4. MARCO DE REFERENCIA ................................................................................16

4.1 ANTECEDENTES...............................................................................................16 4.2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................17 4.2.1 Generación distribuida....................................................................................17 4.2.2. Celdas de combustible ...................................................................................25 4.2.3 Generación de biogás.....................................................................................31 4.3. MARCO LEGAL..................................................................................................33 4.3.1. Marco regulatorio en Colombia.......................................................................33 5. GENERALIDADES DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE

AGUAS RESIDUALES EL SALITRE..................................................................................35

1.1. COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS ...........................................................................36 5.1.1 Cantidad de biogás diaria en la planta El Salitre. ...........................................38 5.1.2 Cantidad de biogás utilizado en las calderas. ................................................39 5.1.3 Cantidad de biogás quemado en la tea ..........................................................40 5.1.4 Capacidad calórica del biogás. .......................................................................41 6. CONSUMO Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN LA PTAR...............................42

6.1. CONSUMO DE ENERGÍA EN LA PTAR............................................................42 6.1.1. Curva de carga de PTAR El Salitre ................................................................43 6.2. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN LA PTAR EL SALITRE.................................44 7. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LAS ALTERNATIVAS PROPUESTAS...............46

7.1. TIPOS DE CELDA DE COMBUSTIBLE .............................................................46 7.1.1. Comparación de la eficiencia de la celda de combustible con la eficiencia de las máquinas generadoras. ................................................................................................51 8. CÁLCULO DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA CELDA DE

COMBUSTIBLE..................................................................................................................53

8.1. CÁLCULO DEL VOLTAJE ESTÁNDAR .............................................................53 8.2. CÁLCULO DE LA POTENCIA GENERADA.......................................................56 8.2.1. Cálculo de la masa de metano ( )...........................................................57 4CH8.2.2. Porcentaje de hidrógeno en el gas metano ( ).........................................57 4CH8.2.3. Potencia eléctrica generada por el biogás de la PTAR El Salitre. ..................59 8.2.4. Comparación del cálculo de la potencia generada.........................................61 8.3. SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA ..................................................................63 9. ESTUDIO AMBIENTAL ......................................................................................65

6




9.1 DIAGNÓSTICO SITUACIONAL..........................................................................65 9.2 IDENTIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE IMPACTOS AMBIENTALES ...............67 10. INGENIERÍA DE COSTOS.................................................................................69

10.1. ESTUDIO DE COSTOS DEL PROYECTO CON BASE EN DOS ESCENARIOS....................................................................................................................69 10.1. ANÁLISIS DE INGRESOS DEL PROYECTO ....................................................70 10.1.2. Ingresos por consumo de energía en la PTAR El Salitre ...............................70 10.2. ANÁLISIS DE EGRESOS DEL PROYECTO......................................................72 10.2.2 Costos de instalación y compra de la celda de combustible .............................72 10.2.3. Costos Directos ..............................................................................................72 10.3. CALCULO DE LA RENTABILIDAD ....................................................................73 10.3.2. Tasa Interna de Oportunidad (TIO).................................................................73 10.3.3. Valor Presente Neto (VPN).............................................................................73 10.3.4. Tasa Interna de Retorno (TIR)........................................................................74 10.4. RELACIÓN BENEFICIO-COSTO .......................................................................74 10.5. PERIODO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN .......................................75 CONCLUSIONES...............................................................................................................81

RECOMENDACIONES ......................................................................................................83

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................84

CLAUDIA PATRICIA ARÉVALO BELLO 7



LISTA DE TABLAS

Tabla 4.1 Datos de tecnologías de generación distribuida.................................................19 Tabla 5.1 Análisis comparativo de los componentes del biogás. ......................................37 Tabla 5.2 Comparación del biogás de la planta El Salitre con otras plantas. ...................37 Tabla 5.3 Cantidad de biogás producido en la PTAR El Salitre mes de enero/2001 .......38 Tabla 5.4 Cantidad estimada de biogás consumido en calderas durante enero/2001.......39 Tabla 5.5 Cantidad estimada diaria de biogás quemado en la Tea ..................................40 Tabla 6.1 Lista de motores de la PTAR El Salitre. ............................................................42 Tabla 6.2 Consumo de energía en (MW/h) ......................................................................43 Tabla 6.3 Características de los generadores (Operación durante 1 hora) ......................45 Tabla 7.3 Campo de aplicación para cada celda de combustible según la Potencia.........51 Tabla 7.4 Eficiencia de los diferentes tipos de generación. ...............................................51 Tabla 8.1 Voltaje ideal de la celdas de combustible...........................................................55 Tabla 8.2 Comparación de las tecnologías MCFC y SOFC. .............................................61 Tabla 9.2 Cumplimiento de las concentraciones y ratas emitidas de las fuentes de la PTAR El Salitre, con las diferentes normatividades aplicables. .........................................66 Tabla 9.3 Principales emisiones atmosféricas. ..................................................................66 Tabla 9.4 Comparación de las emisiones atmosféricas.....................................................67 Tabla 9.5 Matriz de identificación de impactos ambientales del proyecto de celda .............. de combustible ............................................................................................................... 68 Tabla 9.6 Matriz de priorización de impactos ambientales del proyecto de celda de combustible…………...................................................................................................... 68 Tabla 10.1 Escenarios para el análisis de costos. .............................................................71 Tabla 10.2 Demanda de energía de la PTAR Salitre, año/2006 ........................................71 Tabla 10.3 Costos Directos ................................................................................................72 Tabla 10.4 Costos Directos ................................................................................................72 Tabla 10.5 Resultados con costos de O&M $800.000.000 ................................................72 Tabla 10.6 Resultados con costos de O&M $520.000.000 ................................................72 Tabla 10.8 Flujo de Caja de Proyecto ................................................................................72 Tabla 10.9 Flujo de Caja de Proyecto disminuyendo los costos de O&M..........................81




LISTA DE FIGURAS

Figura 4.1 Esquema de generación distribuida. .................................................................18 Figura 4.2 Planta diesel......................................................................................................20 Figura 4.3 Energía solar.....................................................................................................21 Figura 4.4 Energía eólica ...................................................................................................21 Figura 4.5 Celda de combustible........................................................................................22 Figura 4.6 Generación distribuida en Europa y Australia ...................................................24 Figura 4.7 Esquema de funcionamiento de una pila de combustible. ................................26 Figura 4.8 Clasificación de las celdas de combustible ....................................................27 Figura 4.9 Diagrama simplificado de un sistema de potencia con celda de combustible. .29 Figura 4.10 Comparación de rendimientos ....................................................................30 Figura 4.11 Formación de metano en la digestión anaerobia ............................................32 Figura 5.1 Panorámica de la Planta de tratamiento de aguas residuales PTAR Salitre. ..35 Figura 6.1 Curva de carga de la PTAR Salitre ...................................................................44 Figura 7.1 Resumen vista global del estado de los sistemas de potencia de celdas de combustible estacionarias.. ................................................................................................52 Figura 8.1 Sistema celda de combustible...........................................................................54 Figura 8.2 Dependencia del Voltaje inicial de operación c/r a la Tº. ..................................55 Figura 8.3 Gráfica densidad Corriente – Voltaje. ..............................................................56




INTRODUCCIÓN

La Generación Distribuida GD hace referencia al hecho de generar energía eléctrica lo más cerca posible al lugar de consumo, precisamente como se hacía en los albores de la industria eléctrica, incorporando ahora las ventajas de la tecnología moderna y el respaldo eléctrico del la red del sistema eléctrico, para compensar cualquier requerimiento adicional de compra o venta de energía eléctrica. A esta modalidad de generación eléctrica se le conoce como generación In-Situ, generación dispersa, o generación distribuida [MocR]. Este tipo de generación incluye una variedad de fuentes de energía, tales como microturbinas, celdas fotovoltaicas, celdas de combustible, fuentes eólicas, motores con base en combustibles fósiles y los dispositivos de almacenaje, con capacidades inferiores a los rangos de generación convencional. La energía también podría ser provista a partir de biomasa, sistemas eólicos ó bien solares [MocR]. Las celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una transición hacia las fuentes de energía renovables. Así, una variedad de distintos combustibles pueden ser usados en éstas; combustibles tales como hidrógeno, metano, etano, gas natural y gas licuado (LPG) [Huac]. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería [Fern], pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables [Brea]. Las celdas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como por ejemplo una nave espacial, estaciones meteorológicas alejadas, parques grandes, localizaciones rurales, y en ciertos usos militares [Brea]. Un sistema con celda de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto, de peso ligero y no tiene ninguna pieza móvil importante.




Aunque representan una porción pequeña del mercado de electricidad, las tecnologías de GD juegan un papel crucial en algunos mercados internacionales, para la aplicación en la cual la confiabilidad es importante, como alternativa para la expansión de una red local y como una fuente de reserva. Este trabajo propone una opción para implementar una celda de combustible en un sistema de generación distribuida en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) El Salitre. El trabajo tiene como enfoque la utilización del biogás producido en la PTAR, que es del orden de 11.500 m3 diarios, el cuál es aplicado particularmente en el estudio para la generación de energía eléctrica con celda de combustible. Se determina cuál es la potencia máxima que se puede generar y qué posibilidades existen para la implementación de celda de combustible en generación distribuida.




1. PROBLEMA

Debido a altas demandas en diversas épocas del año, o por fallas en la red; las energías renovables pueden tener un importante desarrollo como generación distribuida al interior de los sistemas de distribución eléctrica. Sus usuarios pueden ser fábricas, empresas comerciales, edificios públicos, barrios o residencias privadas. Ellas representan en la actualidad, un costo menor en la producción por kilovatio; y prometen ser una solución ante el peligro de un corte de energía producida por las fallas en la red y una alternativa al calentamiento global [ZebV]. En esta perspectiva, el usuario se puede convertir en su propio productor, al usar en este caso el biogás producido en la planta de tratamiento de aguas residuales. A nivel mundial muchas otras compañías están desarrollando y probando celdas de combustible para aplicaciones residenciales, trabajando junto con compañías abastecedoras de electricidad y con distribuidores para traerlas al mercado. Al estar conectados por una red de generación distribuida, las poblaciones pueden dejar de verse desde el punto de vista de un monopolio energético; se verá entonces a una sociedad comprometida con el medio ambiente lo que contribuirá a forjar un nuevo y profundo sentido del bienestar de la tierra siendo éste, el desafío que la generación distribuida representa, tanto ambientalmente como en el ámbito sociológico, respecto a una nueva comprensión de la globalización [MocR]. Como hipótesis de trabajo se establece la necesidad en la PTAR El Salitre de utilizar el biogás generado (donde el 80% se quema y el 20% de éste se utiliza en calderas de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales), en el desarrollo de una celda de combustible, que se convierta en una alternativa de generación de energía eléctrica. Con la implementación de esta tecnología se estima generar una potencia de 1MW, que será utilizada para generar energía eléctrica sin emisiones en forma eficiente, confiable y de calidad, para suministro de la planta, donde habrá una reducción de costos en el servicio de energía eléctrica con respecto al servicio de energía actual de la planta. Adicionalmente se analizará la posibilidad de implementar la tecnología de celda de combustible en un sistema de generación distribuida.





2. JUSTIFICACIÓN

La GD se presenta como una alternativa promisoria para el suministro energético en países desarrollados, donde paralelamente se imponen estructuras de mercado competitivas. En términos generales, al implementar proyectos de GD lo que se busca es aumentar la calidad de energía, entendiendo por esto: contar de forma ininterrumpida con la energía eléctrica, con sus adecuados parámetros eléctricos que la definen acordes a las necesidades; esto es tensión, corriente y frecuencia, entre otros [Cerd]. “La tendencia a masificar la GD se sustenta en los siguientes factores: aumento en la calidad del suministro eléctrico, evitar o atrasar inversiones en líneas de transmisión y transformadores de distribución, disminución de pérdidas óhmicas y protección al medioambiente, generando “energía limpia” que un grupo de consumidores está dispuesto a financiar. Las empresas de distribución han reconocido los beneficios económicos potenciales de integrar estos recursos.” [Huac]. En la mayoría de los emprendimientos comerciales o industriales, es muy difícil reducir en forma significativa el uso de la energía, pero sí es posible reducir el costo al obtener su energía de otra fuente que no sea la compañía de electricidad. La implementación de un sistema de generación de energía eléctrica con celda de combustible va encaminada a considerar las energías renovables conectadas como generadores distribuidos, como una forma de permitir que los pequeños y medianos agentes del mercado (clientes residenciales, comerciales e industriales), puedan interactuar con el sistema eléctrico a través de la distribución, donde la celda de combustible podría tener un papel importante en la eficiencia y reducción de emisiones de CO2 [ZebV]. Las Celdas de Combustible pueden ser ideales para la generación de energía eléctrica, ya sea conectada a la red para proveer potencia en áreas críticas o instaladas como generadores independientes de la red para servicio “in situ” en áreas inaccesibles para las líneas de potencia, o bien en este caso específico, para el consumo de la PTAR El Salitre [DuqM] . Algunas de las justificaciones adicionales de este trabajo son: La primera es que la PTAR El Salitre pueda utilizar el biogás que se quema en grandes cantidades como fuente de energía en beneficio propio, por ello la empresa está interesada



con el desarrollo de este proyecto, la segunda porque el tema está enmarcado en una de las Líneas de Investigación de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Salle, específicamente en la línea de Generación del área de potencia eléctrica, en la sublínea de Generación eléctrica de mayor eficiencia, microcentrales, fuentes alternas de energía, cogeneración, sistemas autónomos de suministro de electricidad incluyendo generación distribuida, y por último, el hecho de utilizar celdas de combustible trae ventajas, ya que éstas operan silenciosamente, reducen la contaminación por ruido, así como la contaminación del aire, pero también el calor subproducto de la Celda de Combustible puede ser utilizado para proporcionar calefacción ó agua caliente.





3. OBJETIVOS

Objetivo General: El objetivo del presente trabajo es hacer un estudio de prefactibilidad para la implementación de la tecnología de celda de combustible con base en un estudio de los biodigestores que actualmente existen en la PTAR El Salitre, y obtener resultados viables para el desarrollo desde un sistema de generación distribuida. Objetivos Específicos:

1. Identificar los biodigestores que utilizan el biogás para el funcionamiento de las Calderas.

2. Determinar la cantidad de biogás que se quema y calcular el potencial

energético, para el desarrollo de la tecnología de celda de combustible.

3. A partir de la potencia generada, establecer la posibilidad de suministrar energía a la planta para beneficio propio.

4. Estudio de la Alternativa para GD con celda de combustible.

5. Evaluar como la implementación de celda de combustible puede reducir los

costos del servicio de energía, sobre el servicio de energía convencional de la planta.

6. Identificar si la potencia generada con el biogás producido en la PTAR El

Salitre, está en el rango de la potencia mínima para vender energía eléctrica a la red.

7. Determinar el impacto ambiental causado por las actividades descritas en

este proyecto.



4. MARCO DE REFERENCIA

4.1 ANTECEDENTES En el contexto internacional el uso de GD ha sido impulsado por diversos factores: en algunos países se ha incrementado el porcentaje de la potencia instalada de GD, en relación con la capacidad total instalada. Así, en países como Dinamarca y Holanda, alcanza valores de hasta el 37%, y en otros, como Australia, Bélgica, Polonia, España y Alemania tan solo del 15%, y en el caso de Estados Unidos, del 5% “En cuanto a la capacidad instalada de la GD se manejan diferentes rangos: menores a 500 kiloWatts (kW); mayores a 1,000 y menores a 5,000 kW; menores a 20,000 kW; menores a 100,000 kW; e inclusive de tan sólo unos cuantos kW, por ejemplo 3 kW” [MorM]. Una de las tecnologías de GD son las celdas de combustible, donde más de 200 sistemas de celdas de combustible han sido instaladas alrededor del mundo; en hospitales, clínicas, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas de generación, y una terminal aeroportuaria, proveyendo potencia primaria ó de respaldo. En sistemas de edificios de gran escala, las celdas de combustible pueden reducir costos del servicio de energía de las instalaciones en un 20% a un 40% sobre el servicio de energía convencional. “La primera celda de combustible fue construida en 1839 por el físico inglés Grove. El interés serio en las celdas de combustible como un generador práctico comenzó hasta los años 1960’s, cuando el programa espacial de los E.U.A. escogió a celdas de combustible en lugar de la más riesgosa energía nuclear y más cara energía solar. Las Celdas de Combustibles abastecieron de energía a las naves Apolo y Géminis y aún proveen electricidad y agua al trasbordador espacial”. [MorM]. El hidrógeno puede utilizarse como combustible, como una fuente de energía calórica para uso domiciliario, y GD de electricidad, entre otras numerosas aplicaciones. “El hidrógeno es considerado el combustible del futuro, aunque todavía su desarrollo y manejo es nuevo en el mundo” [Ruff]. En Brasil existe un proyecto de celda de combustible de potencia para prueba y validación de la tecnología en el estado de Paraná al sur de Brasil, LATEC Y COPEL Distribución. En Argentina se inaugurará una planta integral de manejo y producción de hidrógeno y oxígeno, la cuál será también un espacio para pruebas y desarrollos en el tema de la energía renovable [Brea].




En 1992, una demostración exitosa en el relleno sanitario de Penrose Landfill en Sun Valley [MorM], California, pavimentó el camino para la operación de celdas de combustible operando con rellenos sanitarios e instalaciones de tratamiento de agua. Este tipo de instalaciones están ahora trabajando alrededor de los E.U.A. y Asia. Desde 1996, el relleno sanitario de Groton en Connecticut ha estado produciendo 600.000 kWh de electricidad al año, con una salida continua de potencia de la celda de combustible de 140kW. [MorM], “En 1997, UTC Fuel Cells (antiguamente IFC/ONSI) instaló un sistema de Celda de combustible en la planta de tratamiento de agua de Yonkers en Nueva York, la cual produce más de 1.6 millones de kWh de electricidad al año, liberando solamente 72 libras de emisiones al ambiente” [Brea]. En el 2005 se realizó el proyecto demostrativo de una celda de combustible en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de King County, en Renton,WA, la cual funciona con gas digestor y genera una potencia de 1MW [King]. Aunque no se tiene conocimiento del desarrollo o la implementación de esta tecnología en Colombia, cabe destacar que en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Salle se desarrollaron dos trabajos de grado relacionados con Celdas de Combustible [MorM, BorP]. 4.2 MARCO TEÓRICO 4.2.1 Generación distribuida La Generación Distribuida se refiere a la producción y uso de energía eléctrica en cada lugar donde se necesita y donde se puedan utilizar varias unidades de mediana o baja potencia reemplazando a grandes centrales de energía, en la figura 4.1 se puede ver un esquema de GD en un sistema de red eléctrica. La industria eléctrica se fundamentó en la generación en el sitio de consumo, después como parte del crecimiento demográfico y de la demanda de bienes y servicios, evolucionó hacia el esquema de Generación Centralizada. En los años setentas factores energéticos (crisis petrolera), ecológicos (cambio climático) y de demanda eléctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial [BorP], plantearon la necesidad de alternativas tecnológicas para asegurar, por un lado, el suministro oportuno y de calidad de la energía eléctrica y, por el otro, el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales.




Figura 4.1 Esquema de generación distribuida.

Fuente: La generación distribuida en el mercado eléctrico uruguayo [ZebV]. En la última década se ha producido un fuerte impulso al desarrollo de distintas tecnologías de generación a pequeña escala, en particular aquellas relacionadas con fuentes renovables. La GD se encuentra emergiendo como tecnología por distintas razones: La liberalización del mercado de electricidad; la gran atención a las emisiones ambientales; el mercado potencial para las nuevas tecnologías y avances en elementos de electrónica de potencia que proporcionan un interfaz flexible con la red. 4.2.1.1 Definición de generación distribuida Estas son algunas de las deficiones de GD: • Fuentes de energía eléctrica que no están directamente conectadas a un

sistema de transmisión (IEEE). • Tecnologías de generación eléctrica que producen electricidad cerca al lugar

de uso. (California Energy Commission) [Cona]. • Plantas de generación conectadas a un sistema de distribución local.

(OFGEM) • Producción de electricidad con instalaciones que son suficientemente

pequeñas, (con capacidades de 15 a 25,000 kW), en relación con las grandes centrales de generación, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico [DuqM].




• Es la producción de electricidad por generadores colocados, o bien en el sistema eléctrico de la empresa, en el sitio del cliente, o en lugares aislados fuera del alcance de la red de distribución [Cona].

• Es la generación de energía eléctrica a pequeña escala cercana a la carga, mediante el empleo de tecnologías eficientes, destacando a la cogeneración, con la cual se maximiza el uso de los combustibles utilizados [DuqM].

4.2.1.2. Tecnologías de generación distribuida. A continuación se hace una breve descripción de distintas tecnologías asociadas a la generación distribuida; en la Tabla 4.1 se pueden comparar los diferentes aspectos de cada tecnología de generación de energía eléctrica, donde la celda de combustible puede integrarse en una estructura como la planteada en este trabajo. Tabla 4.1 Datos de tecnologías de generación distribuida.

Tecnología Motor Diesel Generadores Turbinas

a Gas Microturbinas Celdas de Combustible

Celda Fotovoltáica

Capacidad (kW) 20-10000 50-5000 1000+ 30-200 50-1000+ 1+

Eficiencia (%) 36-43 28-42 21-40 25-30 35-54 n.a Costo de Generación (US$/kW) 125-

300 250-600 300-600 500-750 1500-4000 n.a

Costo de recuperación de calor

(US$/kW) n.a 75-150 100-200 200-600 Incluido n.a

Emisiones CO2 kg/MWh 650 500-620 500-

680 720 430-490 0

Emisiones NOx kg/MWh 10 0,2-1,0 0,3-0,5 0,1 0,005-0,01 0

Fuente: Integración de unidades de Generación Distribuida en un modelo de mercado de Adquisición de energía de una empresa Distribuidora. Universidad de chile Facultad ingeniería eléctrica [Cerd].

A. Motores a base de combustibles fósiles Esta tecnología ha sido probada con rango de operación alto, costo de capital bajo, capacidad de arranque rápido, eficiencia de conversión eléctrica relativamente alta, y una alta confiabilidad en su funcionamiento [Huac]. Estas características los hace la elección principal para los suministros de respaldo. El equipo de generación de potencia más comúnmente usado es menor a 1 MW. Hoy, dos tipos de motores son usados principalmente: los motores en base a gas natural, y los generadores a base de Diesel, como se muestra en la figura 4.2. Las principales desventajas de estos motores a base de combustibles fósiles son: el ruido, costos de mantenimiento y emisiones altas, particularmente de óxidos de nitrógeno NOx.




Figura 4.2 Planta diesel

Fuente: Marco regulatorio para generación distribuida (gd) en colombia [EscB].

B. Turbinas de gas Las turbinas de gas son ampliamente usadas en la industria, las más pequeñas son del orden de 1 - 20 MW; el costo de mantenimiento es ligeramente inferior que para motores a base de combustibles fósiles, pero así también es la eficiencia eléctrica de conversión. Las turbinas de gas pueden ser ruidosas. Las emisiones son algo inferiores que los motores, y el control de emisiones de NOx está comercialmente disponible [Huac].

C. Microturbinas Las microturbinas que se consideran como GD son principalmente de dos tipos: • Microturbina a gas Las unidades individuales se extienden de 30-200 kW pero pueden estar combinadas fácilmente. Las temperaturas de combustión pueden asegurar niveles de emisiones NOx, muy bajos y hacen mucho menos ruido que un motor de tamaño comparable [MocR]. El gas natural es el combustible más común, además el gas landfill o biogás que también pueden ser usados. • Microturbina hidráulica Las micro-centrales hidráulicas son centrales de bajas potencias, menores a 100 kW. Sus beneficios son referidos a la no contaminación ambiental; tienen un mantenimiento mínimo y su rendimiento es mayor a las demás tecnologías de GD. La potencia utilizable en una central hidráulica depende del caudal, del salto de agua y de la eficiencia de los componentes que intervienen en la generación de electricidad. Una de sus mayores desventajas es el flujo irregular que se puede dar en pequeños ríos a lo largo del año [MocR].




D. Celda fotovoltaica A diferencia de otras unidades de GD, los sistemas fotovoltaicos (PV), Figura 4.3, poseen un costo de inversión alto, y un costo de operación muy bajo, no generan calor y son intrínsecamente de pequeña escala. Debido a estas características los sistemas PV [MocR] satisfacen aplicaciones domésticas y comerciales, donde los precios de la potencia adquirida de la red son más altos. Figura 4.3 Energía solar

Fuente: Marco regulatorio para generación distribuida (gd) en colombia [EscB].

E. Generadores eólicos Es el tipo de generación con crecimiento más rápido en el suministro mundial de electricidad; casi 4.2 GW de capacidad fue instalado durante el año 2000. El potencial del viento es algunas veces considerado como GD [MocR], debido al tamaño y localización de algunos parques eólicos, Figura 4.4. Figura 4.4 Energía eólica

Fuente: Marco regulatorio para generación distribuida (gd) en colombia [EscB]. Sin embargo, hoy existen grandes parques eólicos de compañías generadoras para abastecer grandes consumidores, los cuales no son considerados como GD.




F. Celdas de combustible Las celdas de combustible utilizan hidrógeno y oxígeno para generar electricidad. El sector de transporte es el principal potencial de mercado para las celdas de combustible, Figura 4.5 [DuqM]. Figura 4.5 Celda de combustible

Fuente: JERRY D. Leitman, HANSRAJ C. Maru [JerH]. La generación de energía eléctrica, sin embargo, se ve como un mercado en el cual las celdas de combustible podrían ser comercializadas más rápidamente. Las celdas de combustible poseen una eficiencia de conversión muy alta (35 % - 60 %), comparadas con tecnologías convencionales y su eficiencia limita las emisiones de gases que provocan efectos invernadero. Como no hay combustión, otras emisiones nocivas también son bajas. La celda de combustible puede funcionar con una confiabilidad muy alta y así también podría complementar el abastecimiento de electricidad de la red [Cerd]. En la sección 4.2.2 se discutirá la el funcionamiento de la celda de combustible sus ventajas, aplicaciones y su avance tecnológico. 4.2.1.3. Aplicaciones La aplicación de una u otra tecnología en la GD depende de los requerimientos particulares del usuario [Cerd]:

• Carga base. Se utiliza para generar energía eléctrica en forma continua; opera en paralelo con la red de distribución; puede tomar o vender parte de la energía, y usa la red como respaldo y para mantenimiento.

• Proporcionar carga en punta. Se utiliza para suministrar la energía eléctrica en períodos punta, con lo que disminuye la demanda máxima del consumidor, ya que el costo de la energía en este período es el más alto en algunos países.




• Generación aislada o remota. Se usa para generar energía eléctrica como autoabastecimiento, debido a que no es viable a partir de la red eléctrica (sistema aislado o falta de capacidad del suministrador).

• Soporte a la red de distribución. A veces en forma eventual o bien periódicamente, la empresa eléctrica requiere reforzar su red eléctrica instalando pequeñas plantas, incluida la subestación de potencia, debido a altas demandas en diversas épocas del año, o por fallas en la red.

• Almacenamiento de energía. Se puede tomar en consideración esta alternativa cuando es viable el costo de la tecnología a emplear, las interrupciones son frecuentes o se cuenta con fuentes de energía renovables.

A. Generación distribuida en otros países.

En la mayoría de países la GD se ha ido incrementado y participa con el 10% de la capacidad total instalada, Figura 4.6. En países como Dinamarca y Holanda alcanza valores de hasta el 37%, en otros países como Bélgica, Polonia, España y Alemania el 15% y en el caso de Estados Unidos, del 5%; en Austria se espera que el 78% de su generación en el año 2010 se basará en fuentes de energía renovables [ZebV]. En países de Latinoamérica como Argentina, Chile, Uruguay, México y Brasil el tema de GD toma cada vez más importancia y se abren nuevas posibilidades de implementar energías alternativas. En el mundo, la GD se ha convertido en una solución viable técnica y económicamente para el consumidor porque mejora la confiabilidad del suministro convirtiéndose en una alternativa importante dentro del concepto de electricidad segura. El potencial de GD en el mundo [ZebV]: • Se estima que en los próximos 10 años el mercado mundial para la GD será

del orden de 4 a 5 mil millones de dólares.

• Estudios del Electrical Power Research Institute (EPRI) y del Natural Gas Fundation prevén que de la nueva capacidad de generación eléctrica que se instalará al año 2010 en Estados Unidos, del 25% al 30% será con GD.

• Con base en estimaciones de la Agencia Internacional de Energía, los países desarrollados serán responsables del 50% del crecimiento de la demanda de energía eléctrica mundial en los próximos 20 años, equivalente a 7 millones de MW, donde el 15% de esta demanda le corresponderá a GD.




Figura 4.6 Generación distribuida en Europa y Australia

Fuente: La generación distribuida en el mercado eléctrico uruguayo [ZebV].

B. Generación distribuida en Colombia. En Colombia la aplicación de estas tecnologías a corto plazo podría estar orientada hacia las zonas no interconectadas rurales e industriales. La aplicación de GD en Colombia con energías renovables tiene un porcentaje muy bajo y con celdas de combustible es nula. Aunque en nuestro país desde hace algún tiempo se realiza GD por parte de industriales privados produciendo y aprovechando simultáneamente energía eléctrica y térmica útil a partir de una fuente de energía primaría, técnica conocida como cogeneración, esta actividad no está plenamente desarrollada pues apareció como iniciativa independiente sin normatividad [DuqM]. 4.2.1.4. Ventajas La GD ofrece soluciones de valor agregado a usuarios, compañías suministradoras de energía y operadores de redes de distribución, por medio de sistemas de generación en sitio y conectados a la red, que proporcionan, entre otras, las siguientes ventajas:

• Reducción de pérdidas en las líneas de transmisión [BorP].

• Fuentes de bajo costo para atender demandas durante periodos de precio pico [BorP].

• Mejoras en la calidad de la energía eléctrica (forma de onda de voltaje, frecuencia, estabilidad de la tensión, suministro de potencia reactiva y corrección del factor de potencia) [Cona].

• Fuentes de alta confiabilidad para sistemas o usuarios sensibles a los que no se puede interrumpir el suministro de energía [Cona].

• Reducción de emisiones atmosféricas (tecnologías renovables) [BorP].




• Generación de respaldo al sistema o en caso de emergencia [BorP].

• Mayor eficiencia mediante el aprovechamiento del calor producido para su utilización en calefacción, calentamiento de agua o procesos industriales (cogeneración) [MocR].

• La GD es una alternativa, que ofrece una gran variedad de usos para los distintos compradores tales como: cogeneración, autogeneración, generación de emergencia, generación en paralelo y aumento de capacidad y generación [MocR]

4.2.2. Celdas de combustible La mayor cantidad de energía eléctrica producida en la actualidad proviene de la combustión de sustancias como el carbón, petróleo o el gas. En dicho proceso existen diversas transformaciones energéticas: la energía química del combustible se transforma en calor, éste en el movimiento que hace girar los alternadores y esa energía mecánica en energía eléctrica, en las que existe por lo general un elevado nivel de pérdidas. Las pilas y los acumuladores por su parte tienen un mayor rendimiento al transformar directamente la energía química en energía eléctrica; sin embargo para su construcción se requieren elementos relativamente caros, tales como el plomo, zinc o níquel [Cano].

La celda de combustible fue descubierta por el científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza en 1838 y publicada en la edición de enero de 1839 del "Philosophical Magazine" [Ruff]. De acuerdo con este trabajo, la primera celda de combustible fue desarrollada por Sir Grove, un científico Galés. Para fabricar la celda de combustible utilizó materiales similares a los usados hoy en día para la celda de combustible de ácido fosfórico. No fue hasta 1959 cuando el ingeniero británico Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una celda inmóvil de combustible de 5 kilovatios.

Las primeras celdas de combustible solían requerir temperaturas muy elevadas que eran un problema en muchos usos. Sin embargo, las celdas de combustible seguían siendo investigadas debido a las grandes cantidades de combustible disponibles (hidrógeno y oxígeno) [Cano].

A pesar de su éxito en programas del espacio, los sistemas con celdas de combustible eran limitados a las misiones de espacio y a otros usos especiales, donde el alto costo se podía tolerar. A finales de los 80 y principios de los 90 las celdas de combustible se convirtieron en una opción verdadera de uso más amplio. Varias innovaciones, como el catalizador con menos platino y electrodos de película fina, bajaron el costo de las celdas de combustible, haciendo que el desarrollo de sistemas PEMFC [Ruff] (como por ejemplo en automóviles) fuese más o menos realista.




4.2.2.1 Definición de celda de combustible Una celda de combustible es un dispositivo que genera electricidad mediante un proceso electroquímico, por el cual la energía almacenada en un combustible se convierte directamente en energía eléctrica en forma de corriente continua, en este proceso también se produce calor, obteniendo así otro aprovechamiento energético. En función del tipo de celda empleada, los fluidos de escape se emiten en una banda de temperatura comprendida entre los 60 y los 800 ºC [Wiki].

El principio de funcionamiento de una celda de combustible es el inverso al proceso desarrollado en la electrólisis del agua, como se puede ver en la Figura 4.7. En la electrólisis, se dispone de un tanque con una disolución salina en el cual se encuentran inmersos dos electrodos. Haciendo pasar a través de estos electrodos una corriente, se produce la disociación de la molécula de agua en sus iones, H+ y O-2. En una celda de combustible se dispone de dos electrodos y de una membrana de distintos materiales que hace las funciones de la disolución acuosa salina, al pasar el hidrógeno y el oxígeno a través de los electrodos se genera una corriente continua [Wiki].

Figura 4.7 Esquema de funcionamiento de una celda de combustible.

Fuente: ENCICLOPEDIA LIBRE. Pila de combustible [Wiki].

En el lado del ánodo, el hidrógeno esparcido en el ánodo catalizador se disocia en protones y electrones; los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua [Wiki].




Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles; incluyendo el diesel, metanol y los hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

4.2.2.2 Tecnología de celdas de combustible Las celdas de combustible se caracterizan por operar en un amplio rango de temperaturas (60-1000ºC) y tener una eficiencia teórica cercana al 70%, definida como la razón entre el voltaje teórico máximo para el par redox H2/aire (1.16 volt en circuito abierto, a 80ºC y 1atm) y el voltaje de operación de la celda, obtenido mediante una curva de rendimiento voltaje versus densidad de corriente [ParP].

Las tecnologías de celdas de combustibles se clasifican de acuerdo al catalizador y la temperatura de trabajo, Figura 4.8, destacando las más utilizadas y divulgadas:

• AFC (Celda De Combustible Alcalina) • PAFC ( Celda De Ácido Fosfórico ) • PEMFC (Celda De Membrana De Intercambio Protónico) • DMFC (Celda De Metanol Directo) • MCFC (Celda De Carbonatos Fundidos) • SOFC (Celda De Óxidos Sólidos) Figura 4.8 Clasificación de las celdas de combustible

Fuente: Células de Combustible. IZAR Propulsión y Energía Motores [ParP].


http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphoric-acid_fuel_cellPhosphoric-acid_fuel_cell



Los combustibles que se utilizan en las celdas de combustibles son gases ricos en hidrógeno, tales como, gas puro de hidrógeno, gas natural, gas licuado, diesel, propano, metanol, gas de carbón y biogás. Actualmente los fabricantes desarrollan diferentes tipos de celdas de combustible que tienen características que las hacen especialmente atractivas para ciertas aplicaciones.

A. Voltaje Una celda de combustible típica produce aproximadamente 0,8 voltios; para crear un mayor voltaje, las celdas se agrupan combinándolas en serie y en paralelo, en lo que en inglés se denomina "Fuel Cell Stack" (apilado de celdas de combustible) [Wiki].

B. Materiales

Los materiales usados en celdas de combustible varían según el tipo. Las placas del electrodo/bipolar se hacen generalmente de nanotubos de metal, de níquel o de carbón, y están cubiertas por un catalizador (como el platino) para conseguir una eficiencia más alta. El electrolito puede ser de cerámica o bien una membrana [Wiki].

C. Eficiencia

La eficiencia de las celdas de combustible, a diferencia de los motores de combustión (interna y externa) no está limitada por el ciclo de Carnot [Wiki], ya que no siguen un ciclo termodinámico. Por lo tanto, su eficiencia es muy alta (en comparación) al convertir energía química a eléctrica directamente. La eficiencia

de una celda de combustible, bajo condiciones estándares está limitada por el cociente de la variación de la energía libre (estándar) de Gibbs [Wiki], por la variación de la entalpía estándar de la reacción química completa. La eficiencia real es igual o inferior (normalmente inferior).

(4.1)

Una celda de combustible convierte normalmente la energía química de combustible en electricidad con una eficiencia aproximadamente del 50%. La eficiencia sin embargo depende en gran medida de la corriente que circula a través de la celda de combustible: cuanto mayor es la corriente, más baja es la eficiencia. Para una celda de hidrógeno la eficiencia (energía real/energía teórica) es igual al voltaje de la celda dividido por 1,23 voltios, a una temperatura de 25 °C. Este voltaje depende del combustible usado y de la temperatura de la celda. Una celda que funciona a 0.6 V tiene una eficiencia cerca de 50% [Wiki].





4.2.2.3 Aplicaciones Las celdas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como por ejemplo una nave espacial, estaciones meteorológicas alejadas, parques grandes, localizaciones rurales, y en ciertos usos militares. Un sistema con celda de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto, de peso ligero y no tiene ninguna pieza móvil importante [CanR]. Una nueva forma de darle uso es combinando calor y electricidad (CHP, Combined Heat and Power) para viviendas familiares, edificios de oficinas y fábricas. Este tipo de sistema genera energía eléctrica de manera constante (vendiendo el exceso de energía a la red cuando no se consume), y al mismo tiempo produce aire y agua caliente gracias al calor que desprende. La figura 4.9 muestra un esquema simplificado de un sistema de generación eléctrica usando una celda de combustible. Figura 4.9 Diagrama simplificado de un sistema de potencia con celda de combustible.

Fuente: CANO CASTILLO, Ulises. Las Celdas De Combustible: Verdades Sobre La Generación De Electricidad Limpia Y Eficiente Vía Electroquímica [Cano].

El mayor fabricante de celdas de combustible de PAFC es UTC Power, una división de United Technologies Corporation. También se han instalado celdas de combustible de carbonato Fundido (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) con fines idénticos, y existen prototipos de celdas de óxido sólido (SOFC Solid-Oxide Fuel Cell) [ParP].

Procesamiento de Combustible

Gas NaturalGasolina

Destilados de Bajo AzufreCombustibles Metílicos

Aceites PesadosCarbón

Residuos (Desperdicios)

Celda de Combustible(Potencia)

Acondicionamiento de la Potencia

Cogeneración

SISTEMAS AUXILIARES

HumificadoresControles de FlujoAlmacenamiento

Compresores

Gas Rico en H2

Agua

Calor

POTENCIA A.C.

POTENCIA D.C.

COMBUSTIBLE



Otros usos

• Plantas generadoras base (aquellas que mantienen una producción constante de electricidad, y no se apagan nunca a no ser en casos de mantenimiento o avería)

• Vehículos Eléctricos.

• Sistemas Auxiliares de Energía

• Sistemas de apoyo de la red

4.2.2.4 Ventajas El rendimiento de una celda de combustible es más elevado que el de un sistema de generación de energía eléctrica tradicional, debido a que [ParP]: • Se reduce el número de transformaciones de la energía. En un sistema

tradicional, mediante un proceso de combustión, la energía química se transforma en energía térmica, que posteriormente se transforma en energía mecánica y a través de un generador en energía eléctrica, Figura 4.11.

• En una celda de combustible la energía eléctrica se obtiene directamente de la energía química contenida en el combustible.

Figura 4.10 Comparación de rendimientos.

Fuente: Células de Combustible. IZAR Propulsión y Energía Motores [ParP].





4.2.3 Generación de biogás Las celdas de combustible operan con hidrógeno, el elemento más abundante sobre la tierra. Una de sus ventajas es que no importa de donde proviene el hidrógeno: agua, metanol, etanol, gas natural, gasolina o diesel, amonio ó biogás, el cuál se puede obtener por ejemplo de rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua residual.

Para la generación de biogás comúnmente se emplean dispositivos denominados biodigestores [Rome], los cuales son instalaciones que facilitan el crecimiento y la proliferación de un grupo de bacterias anaerobias metanogénicas, que descomponen y tratan los residuos dejando como resultado final, un gas combustible conocido como Biogás o gas Metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2).

4.2.3.1 Definición de biogás El biogás se compone de metano (CH4) aproximadamente en un 66%, el 34% restante de su composición varía de acuerdo a los residuos procesados, típicamente contiene: Dióxido de Carbono (CO2), Nitrógeno (N2), Hidrógeno (H2) y Ácido Sulfhídrico (H2S). En la Tabla 4.2 podemos observar la composición del biogás [Rome]:

Tabla 4.2 Composición del biogás.

A. Digestión anaerobia

Es un proceso de fermentación natural, ocurre en ausencia de oxígeno (sin aire) al interior de un biodigestor. Es la descomposición u oxidación de compuestos orgánicos, en ausencia de oxígeno libre para obtener la energía requerida para el crecimiento y mantenimiento de los organismos anaerobios [Leal]. En la figura 4.12 se puede ver el proceso de formación de gas metano en la digestión anaerobia.

Composición del Biogás

Metano 55% a 70% Dióxido de Carbono 30% a 40% Anhídrido Sulfuroso Menos del 1%

Hidrógenos Del 1% al 3% Otros gases 1 al 53%



Figura 4.11 Formación de metano en la digestión anaerobia.

Fuente: ROMERO ROJAS; Jaime Alberto. Tratamiento de Aguas residuales. Teoría y principios de diseño [Rome].

4.2.3.2 Aplicaciones Con el uso del biogás se puede sustituir al gas propano o al diesel como fuentes energéticas en la producción de electricidad, calor o refrigeración. El biogás puede ser utilizado como combustible en motores de generación eléctrica para autoconsumo de unidades domésticas o para vender a otras. Con la purificación del biogás, se puede obtener un gas adecuado para ser utilizado como materia prima en una celda de combustible para generar energía eléctrica, puede también usarse como combustible para hornos de aire forzado, calentadores y refrigeradores, por otra parte es de tener en cuenta que la conversión de aparatos al funcionamiento con biogás es actualmente muy sencilla.




4.2.3.3 Ventajas Tanto los residuos sólidos orgánicos como las aguas residuales, sean de origen urbano o rural, al ser introducidos en el biodigestor son descompuestos por bacterias, en diferentes rangos térmicos, de modo que se completa un ciclo natural y los desechos orgánicos se convierten en abono orgánico [EcoS]. Su uso es pues, una alternativa para evitar la contaminación de suelos y corrientes de agua. Por otro lado se evita la expulsión al aire del gas metano, considerado el principal componente de los gases de efecto invernadero y cuyo tratamiento hasta el momento es quemarlo, como se está haciendo actualmente en la PTAR El Salitre. Algunas de las razones por las cuales se considera usar el biogás en una celda de combustible para generar energía son: primero, el metano (CH4) producido por el biogás es de especial interés porque es fácilmente obtenible en la planta de tratamiento de aguas residuales el Salitre, segundo, la energía se puede usar en forma de electricidad y calor, se puede obtener del biogás cerca del 72% de CH4 el cuál tiene una composición similar al gas natural (98% CH4), y finalmente el biogás puede ser reformado antes de ser introducido en la celda de combustible. 4.3. MARCO LEGAL El marco legal se referirá únicamente a la GD en Colombia y no a la tecnología de celdas de combustible dado que en el país no existe ninguna regulación para la distribución, instalación y operación de dicha tecnología. 4.3.1. Marco regulatorio en Colombia No existe como tal una definición de GD por parte de la GREG. Para este caso se tomarán las reglamentaciones de la CREG para los Autogeneradores en Colombia y que está regulada en las siguientes resoluciones: CREG. Resolución 084/96: Por la cual se reglamentan las actividades del Autogenerador conectado al Sistema Interconectado Nacional (SIN). Sobre esté tema ver Resolución-CRG94055 y la Resolución-CRG94056. A continuación se refieren algunos artículos de importancia de la resolución 084/96 para Autogeneradores [Creg]: • La aplicación de ésta resolución se hace al autogenerador con categoría de

usuario regulado o no regulado, que se encuentra conectado al SIN (Artículo 2). • El autogenerador tiene la categoría de usuario regulado y no regulado si su

demanda máxima es igual o inferior al límite de potencia establecido por la CREG (Artículo 2).

• Las condiciones para la conexión al SIN, se encuentran en la resolución CREG-001/94 (Artículos No: 21, 22 y 23), y para la conexión al STR o SDL se encuentra en la resolución CREG-003/94 (Artículos No: 18, 19 y 20). Donde el




transportador tiene la obligación de suministrar toda la información técnica requerida por el autogenerador para realizar los estudios de conexión de su planta generadora (Artículo 3).

• El costo del estudio será a cargo del Autogenerador (Artículo 3). • Cuando el estudio de conexión del Autogenerador lo realice el transportador,

éste no podrá tomar un tiempo mayor a tres (3) meses para entregar los resultados (Artículo 3).

• Las condiciones técnicas de la conexión deben sujetarse a los códigos y reglamentos vigentes. El contrato de conexión entre el transportador y el Autogenerador se acuerda libremente entre las partes (Artículo 3).

• El Autogenerador que tiene la categoría de Usuario No Regulado, debe

contratar su respaldo con cualquier comercializador del mercado (Artículo 4). • La energía del Servicio de Respaldo es la energía adicional a la energía

suplementaria (Artículo 5). • El Autogenerador debe contar con equipos de medición horaria de energía

(Artículo 7). • El Autogenerador no puede vender parcial o totalmente su energía a terceros si

quiere mantener la categoría de Autogenerador (Artículo 8). • En situaciones de racionamiento declarado de energía, los Autogeneradores

podrán vender energía a la Bolsa en los términos comerciales que se definan en el respectivo estatuto (Artículo 8).

En cuanto a los productores para uso particular, los propietarios u operadores de las plantas a que se refiere la presente Resolución, darán cumplimiento a lo ordenado en el Artículo 16o. de la Ley 142 de 1994. Las personas naturales o jurídicas propietarias u operadores de plantas menores con capacidad efectiva menor a 10MW tienen las siguientes opciones para comercializar la energía que generan dichas plantas (Articulo 3) 086/96 Estas plantas no tendrán acceso al Despacho Central y por lo tanto no participarán en el Mercado Mayorista de electricidad. La energía generada por dichas plantas puede ser comercializada, teniendo en cuenta los siguientes lineamientos: La energía generada por una Planta Menor puede ser vendida a una comercializadora que atiende mercado regulado, siempre y cuando no exista vinculación económica entre el comprador y el vendedor. En este caso, el precio de venta será única y exclusivamente el Precio en la Bolsa de Energía en cada una de las horas correspondientes.





5. GENERALIDADES DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE

AGUAS RESIDUALES EL SALITRE La planta de tratamiento de aguas residuales el Salitre inició su construcción el 17 de septiembre de 1997 y culminó el 17 de septiembre de 2000, fecha en la que inició operaciones. La PTAR Salitre se encarga de tratar las aguas del río Juan amarillo para que lleguen menos sucias al río Bogotá. En la Figura 5.1 podemos ver el proceso de limpieza de la planta [Pla1]. En Bogotá, algunos de los más afectados por la contaminación son el río Bogotá y su afluente el río Juan Amarillo, este último recibe las aguas lluvias y residuales de cerca de dos millones de habitantes del norte de Bogotá, además de las basuras que se arrojan a su cauce y sus riveras. Figura 5.1 Panorámica de la Planta de tratamiento de aguas residuales PTAR Salitre.

Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre



La planta aplica en el caso de las aguas residuales un tratamiento de tipo primario, que es el permite separar la gran cantidad de desechos sólidos como piedras, arena, grasas, pero que no reducen ni eliminan las bacterias del agua. Entonces se recure a otros niveles de tratamiento convencionales aplicados a las aguas negras que son: tratamiento secundario, que es un proceso biológico que utiliza bacterias anaerobias, y tratamiento terciario o avanzado donde se incluyen procesos químicos y físicos que disminuyen la cantidad de contaminantes específicos que quedan de los tratamientos previos. La PTAR El Salitre, cuyo plano se puede observar en el Anexo A, trata cada segundo 4 metros cúbicos (m3) de aguas residuales, lo que equivale a 345.600 metros cúbicos diarios [Pla1]. En un mes remueven entre 35 y 40 toneladas de arena, grasas y basuras; el agua se entrega al río Bogotá con un tratamiento primario, químicamente asistido. En la planta se realizan dos clases de tratamiento: • Tratamiento del agua: Es la limpieza de una parte de las aguas del río Juan

Amarillo antes de entregarlas al río Bogotá que un día puede recibir aprox. 350.000 metros cúbicos de agua tratada.

• Tratamiento de Lodos: Los lodos son la mezcla de agua y materia orgánica de muy mal olor cargada de bacterias; los lodos espesados son repartidos en tres tanques llamados digestores [Pla1], donde permanecen 22 días. Allí se encuentran las bacterias anaerobias (sin oxígeno), que a una temperatura de 35oC, ayudan a reducir las bacterias infecciosas.

En el proceso de tratamiento de lodos, mientras una parte de la mezcla es tratada por las bacterias anaerobias, otra se convierte en gas metano o biogás, el cual se almacena en el gasómetro. El 80% del gas metano se quema dentro de una planta en una especie de chimenea llamada Tea, mientras que el 20% restante se utiliza para mantener la temperatura de los digestores.

1.1. COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS Según los datos suministrados por la PTAR El Salitre, esta composición varía de una planta a otra, pero se conservan proporciones similares en los principales componentes, tales como: dióxido de carbono y metano, este último será utilizado como combustible en la tecnología de celda de combustible propuesta en este trabajo. En la Tabla 5.1 se muestran los resultados obtenidos del análisis del biogás, correspondiente a dos muestras tomadas en los años 2001 y 2006 en la salida de los digestores. Es importante aclarar que a la fecha la planta de tratamiento no ha realizado otro análisis de biogás.




Tabla 5.1 Análisis comparativo de los Componentes del biogás.

Resultados %Volumen (14,7 psi y 60ºF) Compuesto Rango presentado

2001 2006

Dióxido de Carbono CO2 25% - 40% 27.95% 27,97%

Metano CH4 40 %– 75% 71.49% 71.47%

Nitrógeno N2 0.56% 0.5537%

Hidrógeno H2

Ácido Sulfhídrico H2S 10 ppm 0,0009%

Calor (BTU/m3) 25497.2 25496

Peso específico Gravedad específica (Aire=1,00)

Aprox. 0.86 con respecto al aire 0.826 0.8255

Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre [Plan]. A continuación se muestra en la Tabla 5.2, una comparación de las composiciones de biogás de otras plantas de tratamiento (de las cuáles no se tienen referencias), con el de la Planta El Salitre, encontrando que la composición de biogás de los digestores se encuentra dentro de los más ricos en metano.

Tabla 5.2 Comparación del biogás de la planta El Salitre con otras plantas.

Compuesto Valores de varias plantas, % por Volumen Valores biogás Planta Salitre

Metano (CH4)

42.5 61 62 67 70 73.7 75 71.49

Dióxido de Carbono

(CO2) 47.7 32.8 38 30 30 17.7 22 27.95

Hidrógeno

(H2) 1.7 3.3 2.1 0.2

Nitrógeno (N2)

8.1 2.9 3 6.5 2.7 0.56

Ácido Sulfhídrico

(H2S) 0.15 0.01-

0.02 0.06 0.1 10ppm

Calor (BTU/m3) 16207 23551.8 23304.6 22033.4 25705.7 27930.2 25282 25497.2

Gravedad específica (Aire = 1.0)

1.04 0.87 0.92 0.86 0.85 0.74 0.78 0.826

Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre [Plan].




5.1.1 Cantidad de biogás diaria en la planta El Salitre. En la Tabla 5.3, se presenta el cuadro con los volúmenes de biogás que se produce a diario en la planta, estos datos fueron suministrados por la PTAR El Salitre y corresponden al periodo del 01 al 31 de enero de 2001.

Tabla 5.3 Cantidad de biogás producido en la PTAR El Salitre mes de enero/2001

Digestor A Digestor B Digestor C TOTAL DÍA

Agua Tratada

(m3) Biogás(m3) Biogás(m3) Biogás(m3) Biogás(m3)

m3 biogás m3 agua tratada

1 228.430 9.953,5 3.656,4 3.087,1 16.697,0 0,073 2 271.920 9.487,1 3.417,2 3.387,9 16.292,2 0,060 3 281.640 8.084,7 3.069,2 3.591,1 14.745,0 0,052 4 275.590 6.754,3 4.299,4 4.012,3 15.065,9 0,055 5 294.380 6.598,4 5.079,2 4.544,2 16.221,9 0,055 6 272.700 6.024,6 4.952,5 4.453,6 15.430,7 0,057 7 240.940 5.761,1 4.797,5 4.521,9 15.080,5 0,063 8 253.530 5.609,9 4.727,7 4.716,8 15.054,4 0,059 9 306.350 5.267,9 4.492,4 4.519,1 14.279,3 0,047

10 319.710 5.056,6 4.302,4 4.603,4 13.962,3 0,044 11 335.520 5.251,3 4.664,2 4.935,5 14.851,0 0,044 12 293.780 5.969,4 5.230,8 5.489,4 16.689,5 0,057 13 287.040 6.694,2 5.768,7 6.053,4 18.516,3 0,065 14 266.740 7.186,8 5.878,6 6.160,3 19.225,7 0,072 15 305.630 6.380,3 5.785,4 6.368,1 18.533,8 0,061 16 309.060 6.134,8 5.440,3 6.365,9 17.940,9 0,058 17 313.310 6.335,4 5.553,6 6.294,9 18.183,9 0,058 18 295.880 6.344,9 5.489,2 6.756,3 18.590,4 0,063 19 299.360 6.305,0 5.728,2 6.650,4 18.683,6 0,062 20 345.200 5.958,9 6.386,5 6.009,8 18.355,3 0,053 21 343.950 6.046,1 6.583,3 5.837,8 18.467,3 0,054 22 365.760 5.927,2 6.313,3 6.067,8 18.308,3 0,050 23 408.330 5.757,1 6.364,0 6.232,8 18.353,8 0,045 24 313.590 5.983,4 6.399,2 6.982,9 19.365,4 0,062 25 295.040 6.044,8 6.368,9 7.091,1 19.504,9 0,066 26 294.740 5.278,6 5.681,5 5.467,9 16.428,0 0,056 27 299.770 4.445,1 4.608,3 4.207,1 13.260,4 0,044 28 270.290 4.360,3 4.528,6 4.198,9 13.087,7 0,048 29 279.440 4.939,2 4.938,1 5.107,7 14.985,0 0,054 30 262.230 5.344,7 5.347,0 5.543,4 16.235,0 0,062

TOTAL 185285,5 155851,5 159258,7 500395,7 Máximo 9953,5 6583,3 7091,1 19504,9 0,07 ( )X 6176,2 5195,1 5308,6 16679,9 0,06

Mínimo 4360,3 3069,2 3087,1 13087,7 0,04 Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre




Cantidad de biogás producido por m3 de agua tratada: La tasa promedio de generación de biogás en la planta es de 0.058 m3 de biogás por m3 agua tratada. Los datos de producción de biogás, se presentan discriminados por los totales de la planta y los totales acumulados de la planta en el periodo correspondiente ya mencionado. 5.1.2 Cantidad de biogás utilizado en las calderas. A continuación se presenta en la Tabla 5.4 una estimación de la cantidad de biogás empleado en las calderas. Tabla 5.4 Cantidad estimada de biogás consumido en calderas durante enero/2001

CALDERAS DIGESTORES DÍA Caldera A Caldera B TOTAL Consumo Biogás Biogás

(horas) (horas) (horas) (m3) (m3) 1 0,0 22,7 22,7 5.210,7 16.697,0 2 0,0 24,0 24,0 5.512,4 16.292,2 3 0,0 21,5 21,5 4.934,9 14.745,0 4 0,0 20,5 20,5 4.724,7 15.065,9 5 0,0 17,3 17,3 3.978,1 16.221,9 6 0,0 22,2 22,2 5.102,8 15.430,7 7 0,0 23,8 23,8 5.466,4 15.080,5 8 0,0 24,0 24,0 5.513,8 15.054,4 9 0,0 21,7 21,7 4.983,9 14.279,3

10 0,0 18,8 18,8 4.318,7 13.962,3 11 0,0 23,7 23,7 5.447,8 14.851,0 12 0,0 23,1 23,1 5.309,3 16.689,5 13 15,1 4,4 19,5 4.481,6 18.516,3 14 20,3 0,0 20,3 4.666,2 19.225,7 15 23,9 0,0 23,9 5.487,6 18.533,8 16 24,0 0,0 24,0 5.512,6 17.940,9 17 23,3 0,0 23,3 5.352,8 18.183,9 18 23,9 0,0 23,9 5.490,1 18.590,4 19 22,1 0,0 22,1 5.083,2 18.683,6 20 23,1 0,0 23,1 5.308,2 18.355,3 21 24,0 0,0 24,0 5.513,1 18.467,3 22 22,4 0,0 22,4 5.149,7 18.308,3 23 22,4 0,0 22,4 5.163,3 18.353,8 24 24,0 0,0 24,0 5.514,0 19.365,4 25 24,0 0,0 24,0 5.513,6 19.504,9 26 21,3 0,0 21,3 4.897,4 16.428,0 27 24,0 0,0 24,0 5.512,9 13.260,4 28 24,0 0,0 24,0 5.513,6 13.087,7 29 8,4 15,1 23,5 5.410,3 14.985,0 30 0,0 23,9 23,9 5.494,9 16.235,0

Total 370,0 306,4 676,4 155568,3 500395,7 Mínimo 0,0 0,0 17,3 3978,1 13087,7 ( )X 12,3 10,2 22,5 5185,6 16679,9

Máximo 24,0 24,0 24,0 5514,0 19504,9 Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre.




Estos datos fueron suministrados por la PTAR El Salitre y se tomó como punto de enlace la válvula reguladora de admisión del biogás hacia el quemador, reportando para una caída de presión de 100 mbar, un consumo aproximado de 230 m3/h de biogás. Tomando como base las horas trabajadas por las calderas, el consumo para el periodo del mes de enero de 2001 es de 155568,3m3 de biogás, esto equivale a un promedio diario de 5185,6 m3 biogás consumido en las calderas [Pla1]. 5.1.3 Cantidad de biogás quemado en la tea En la Tabla 5.5, se presenta un resumen del biogás consumido estimado total por las calderas, el total de biogás generado por la planta y la cantidad de biogás quemado en la Tea [Pla1]. Tabla 5.5 Cantidad estimada diaria de biogás quemado en la Tea

Biogás Biogás Día

Digestores Tea Día

Digestores Tea (m3) (m3) (m3) (m3)

1 16.697,00 11.486,40 16 17.940,90 12.428,30 2 16.292,20 10.779,80 17 18.183,90 12.831,10 3 14.745,00 9.810,10 18 18.590,40 13.100,30 4 15.065,90 10.341,30 19 18.683,60 13.600,40 5 16.221,90 12.243,80 20 18.355,30 13.047,10 6 15.430,70 10.327,90 21 18.467,30 12.954,20 7 15.080,50 9.614,10 22 18.308,30 13.158,60 8 15.054,40 9.540,60 23 18.353,80 13.190,60 9 14.279,30 9.295,50 24 19.365,40 13.851,40 10 13.962,30 9.643,60 25 19.504,90 13.991,30 11 14.851,00 9.403,30 26 16.428,00 11.530,60 12 16.689,50 11.380,20 27 13.260,40 7.747,60 13 18.516,30 14.034,80 28 13.087,70 7.574,20 14 19.225,70 14.559,50 29 14.985,00 9.574,70 15 18.533,80 13.046,20 30 16.235,00 10.740,10

Total 500395,7 344827,4 Mínimo 13087,7 7574,2 ( )X 16679,9 11494,2

Máximo 19504,9 14559,5 Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre




En el sistema de manejo de biogás se realiza un balance de materia así: BcBpBt −=

Donde: Bt = Cantidad de biogás quemado en la Tea (m3/día) Bp = Cantidad total de biogás producido en la planta salitre (m3/día) Bc = Consumo de biogás en el sistema de calderas (m3/día) El acumulado de biogás quemado en la Tea, para el periodo del mes de enero de 2001 es de 344827,4 m3, equivalente a un promedio diario de biogás quemado en la Tea de 11494,2 m3, este cálculo, corresponde al total de gas generado en los digestores menos la cantidad de gas empleado en las calderas. Esta información fue suministrada por la PTAR Salitre y presenta datos en totales, mínimos, medios y máximos. 5.1.4 Capacidad calórica del biogás. Según análisis realizados en la PTAR, la capacidad calorífica del biogás tiene un valor de 722 BTU/pie3 (estándar) [Pla1].





6. CONSUMO Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN LA PTAR Para determinar el consumo de energía eléctrica en la PTAR El Salitre se realizaron lecturas del consumo de energía (kW/h) en el sistema de automatización de la planta, muestreo que se realizó durante 7 días de forma continua, tomando datos del consumo cada hora para realizar la curva de carga y establecer la hora pico, esto con el fin de garantizar que la celda de combustible genere la máxima potencia requerida por la PTAR El Salitre. La PTAR El Salitre produce energía de respaldo, para lo cual cuenta con dos generadores eléctricos (motores de combustión interna), estos equipos operan con ACPM. Los generadores eléctricos entran en funcionamiento en casos de corte del suministro eléctrico en la zona.

6.1. CONSUMO DE ENERGÍA EN LA PTAR La PTAR El Salitre cuenta con 320 motores, ver Anexo B. Los motores de mayor carga son los que trabajan en el Bombeo de elevación de Aguas (Bomba de Tornillo de Arquímedes). Normalmente están en funcionamiento 3 motores de 315kW con una tensión de alimentación de 460V -60Hz y una corriente nominal In=471A. A continuación en la Tabla 6.1 se presenta una lista con las potencias de los motores de mayor carga de acuerdo a los procesos de la planta. Tabla 6.1 Lista de motores de la PTAR El Salitre. EQUIPO QUE

ACOPLA CANTIDAD POTENCIA TOTAL(kW)

POTENCIA (kW) VELOCIDAD(rpm)

BOMBA ELEVACIÓN DE AGUAS

4 598 149,5 1780

REDUCTOR TORNILLO DE ELEVACIÓN

5 1575 315 1785

TOTAL 9 2.173

Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. [Plan].



6.1.1. Curva de carga de PTAR El Salitre Para realizar la curva de carga y calcular la hora pico de la planta se hicieron mediciones de consumo de energía (kW/h) durante ocho días. En la Tabla 6.2 se muestran los resultados correspondientes a la primera semana de abril de 2007. El consumo de energía normalmente no tiene grandes picos de carga y se mantiene de una forma relativamente constante durante el día, (según información suministrada por la PTAR El Salitre). Tabla 6.2. Consumo de energía en (MW/h)

Día

Hora 06-Abr-

07 07-Abr-

07 08-Abr-

07 09-Abr-

07 10-Abr-

07 11-Abr-

07 12-Abr-

07

1 12am-1am 1,35 1,36 1,31 1,28 1,37 1,35 1,3 2 1am-2am 1,16 1,18 1,16 1,15 1,2 1,18 1,15

3 2am-3am 0,8 0,82 0,8 0,81 0,85 0,81 0,79

4 3am-4am 0,83 0,84 0,8 0,78 0,86 0,83 0,82 5 4am-5am 0,83 0,87 0,86 0,79 0,85 0,85 0,86 6 5am-6am 0,82 0,83 0,81 0,84 0,86 0,81 0,86 7 6am-7am 0,77 0,75 0,73 0,72 0,78 0,69 0,77 8 7am-8am 0,74 0,76 0,76 0,71 0,76 0,81 0,78 9 8am-9am 0,75 0,73 0,74 0,73 0,77 0,74 0,78

10 9am-10am 1,04 1,01 0,98 0,98 1,02 1,03 1,01 11 10am-11am 1,01 0,99 1 1 1,01 1,03 1,03 12 11am-12pm 1,01 0,92 0,99 1,02 1,01 1 1,02 13 12pm-1pm 1,02 0,93 0,96 1 1,01 1 0,99 14 1pm--2pm 1,01 0,96 1 1 0,99 1,03 1 15 2pm-3pm 1,03 1 1 1,05 1,01 1 1,05 16 3pm-4pm 1,02 0,98 0,95 1 1 0,98 1,03 17 4pm-5pm 1,01 1 0,98 1,01 0,94 1 1 18 5pm-6pm 0,98 0,97 1,01 1,02 0,92 0,97 1,02 19 6pm-7pm 1,08 1,04 1,07 1,07 1,03 1,02 1,11 20 7pm-8pm 1,09 1,1 1,1 1,1 1,03 1,1 1,12 21 8pm-9pm 0,81 0,87 0,91 0,84 0,79 0,85 0,97 22 9pm-10pm 0,81 0,8 0,81 0,83 0,79 0,79 0,83 23 10pm-11pm 0,81 0,83 0,8 0,81 0,81 0,8 0,78 24 11pm-12am 0,82 0,82 0,84 0,85 0,83 0,8 0,82




A. Carga máxima (Potencia Pico) Según la Figura 6.1 la Potencia Pico de la Planta es de 1,37MW que corresponde al día 10 de abril de 2007 entre 12am y 1am, esta potencia pico es la base para la selección de la celda de combustible como alternativa de generación de energía en la PTAR El Salitre.

B. Carga mínima Según la Figura 6.1, la carga mínima corresponde a 0,69 MW, del día 11 de abril entre 7am y 8am. Figura 6.1 Curva de carga de la PTAR Salitre

CURVA DE CARGA DE LA PTAR EL SALITRE

00,20,40,60,8

11,21,41,6

12am

-1am

2am-3a

m

4am-5a

m

6am-7a

m

8am-9a

m

10am

-11am

12pm

-1pm

2pm-3p

m

4pm-5p

m

6pm-7p

m

8pm-9p

m

10pm

-11pm

Pot

enci

a en

(M

W)

10-abr-07 11-abr-07

6.2. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN LA PTAR EL SALITRE La PTAR El Salitre cuenta con equipos de combustión interna para la generación de energía eléctrica como plantas de respaldo. El área de electrógenos tiene dos generadores eléctricos cuya potencia eléctrica nominal es de 3MW cada uno y que operan en casos de corte del suministro eléctrico en la planta. Adicionalmente, para efecto de las pruebas periódicas de los mismos, operan alternadamente una hora en la semana.




Según los datos suministrados por la planta del día 22 de marzo de 2006 la generación de energía fue de 2200kW/h aprox. Como se puede ver en la Tabla 6.3, estos generadores son accionados por motores de combustión interna tipo diesel cuyo consumo promedio es de aproximadamente 59 galones de ACPM por hora.

Tabla 6.3 Características de los generadores (Operación durante 1 hora)

Tipo Motor Marca Potencia (kW)

Consumo ACPM g/h

Potencia kW/h

Generador 1 Combustión Interna

Leroy Sommer 3000 59.17 2234

Generador 2 Combustión Interna

Leroy Sommer 3000 59.18 2131





7. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LAS ALTERNATIVAS PROPUESTAS De acuerdo al capítulo 6, la demanda energética de la PTAR Salitre es alta y por ende sus costos de operación, por lo cuál se hace necesario plantear una alternativa para la instalación de un sistema de GD con celda de combustible, empleando el biogás producido en los biodigestores. Teniendo en cuenta que las celdas de combustible se han convertido en una alternativa viable por ser una energía limpia que contribuye en la disminución de los gases efecto invernadero y cuya eficiencia es alta comparada con los sistemas de energía convencional, se plantea esta tecnología como la mejor opción para suplir las necesidades energéticas de la planta, disminuyendo así los costos de operación y los impactos ambientales generados. Se considera así el biogás como el aspecto primordial para la presentación de alternativas ya que es producido por la PTAR en grandes cantidades, convirtiéndose de esta manera en el factor económico más relevante.

7.1. TIPOS DE CELDA DE COMBUSTIBLE

En la Tabla 7.1 se describen las tecnologías actuales de celdas de combustible [OSEC], donde se puede comparar cada una de ellas de acuerdo a su reacción química y características como eficiencia, temperatura de operación y catalizador.

En la Tabla 7.2 se observa la clasificación de las celdas de combustible y se puede concluir que las tecnologías MCFC y SOFC son las adecuadas según sus características de potencia y eficiencia para suplir las necesidades de carga de la planta según la curva de carga de la Figura 6.1. Adicionalmente, en el Anexo C se encuentra una lista de fabricantes de celdas de combustible. En la Tabla 7.3 se observa los Intervalos de potencia y aplicaciones para las celdas de combustibles estacionarias. La celda de combustible para abastecer energéticamente a la PTAR El Salitre, se clasificaría como un sistema de alta potencia.




Tabla 7.1 Descripción de Tipos de Celdas de Combustible

Tipo de Celda Descripción Reacción Química

AFC (Alkaline Fuel

Cell) Celda De

Combustible Alcalina

Históricamente la primera utilizada; sirvió en los programas espaciales Géminis/Apolo de los ‘60 proveyendo Electricidad y agua potable a los astronautas. Con electrolito líquido alcalino y alimentada con hidrógeno y oxígeno puros es sólo apta para ambientes aislados, dado que el dióxido de carbono del aire la contamina. Pueden alcanzar eficiencias de generación de potencia de 70 %. Su temperatura de operación es de 150º a 200º C. Las aplicaciones comerciales fueron muy costosas hasta hace poco, pero muchas compañías están examinando medios para reducir costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Típicamente tienen una salida de celda de 300 Watts a 5 kW.

( ) ( ) ( ) ( ) −+ el 2− →+ OHacOHgHÁnodo 22: 22

( ) ( ) ( ) )(ac−22: 2221 OHelOHgOCátodo − →++

( ) ( ) ( )lOHgOgHCelda 2221

2: →+

PEMFC (Proton Exchange Membrane

Fuel Cell) Celda de membrana

de intercambio protónico.

Utiliza como electrolito un polímero conductor a través del cual viajan los protones (iones H). Puede ser pequeña, de gran densidad de potencia (cantidad de Watts por unidad de masa), tiene electrolito sólido y baja temperatura de operación (60 a 100°C), por lo que es muy adecuada para usos móviles.

( ) ( )+ +→ eacHgHÁnodo 22: 2−

( ) ( ) (eacHgOCátodo 221 22: ++ −+ )lOH 2→


2: →+

PAFC (Phosphoric-Acid Fuel Cell) Celda de ácido

fosfórico.

Utiliza ácido fosfórico como electrolito y es la primera clase de celdas comercializadas para generación de energía en usos estacionarios. Existe en funcionamiento una celda de 11MW. La temperatura de trabajo está en el orden de los 220°C.

( ) ( )+ +→ eacHgHÁnodo 22: 2−

( ) ( ) (eacHgOCátodo 221 22: →++ −+ )lOH 2


2: →+

http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_exchange_membrane_fuel_cell





DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Celda de metanol

directo.

A diferencia de las anteriores, se la identifica por el combustible: admite metanol directo, sin ningún tipo de reformado. Muy prometedora para usos portátiles, recibe actualmente un fuerte impulso de desarrollo .Estas celdas son similares a las celdas PEM ya que ambas usan una membrana de polímero como electrolito. Sin embargo, en las celdas DMFC el catalizador del ánodo mismo obtiene el hidrógeno del metanol líquido, eliminando la necesidad de un reformador de combustible. Las eficiencias se espera sean de alrededor del 40% con este tipo de celdas de combustible, las cuales típicamente operan a una temperatura de entre 50 -100 grados C.

( ) ( ) ( ) ( ) −+ ++→+ eacHgCOlOHacOHCHÁnodo 66: 223

( ) ( )lOHgOeacHCátodo 2223 3)(66: →++ −+

( ) ( ) ( ) ( )lOHgCOgOacOHCHCelda 22223

3 2: +→+

MCFC (Molten

Carbonate Fuel Cell) Celdas De

Carbonatos Fundidos

Esta celda opera a temperaturas del orden de los 600-1000ºC, y permite la reformación del combustible (extracción del hidrógeno contenido en hidrocarburos) dentro de la propia celda, es un tipo de celda de combustible directo que elimina los procesadores de combustible externos. El Metano, principal ingrediente del gas natural y vapor son convertidos en un gas rico en hidrógeno en el ánodo de regeneración o en la cámara de regeneración, la cual es parte de la celda de combustible. Esta celda tiene dos electrodos porosos en contacto con una sal fundida de Carbonatos de Litio (Li2CO3) y Potasio (K2CO3). Opera a aproximadamente 650 ºC.

−− ++→+= egCOgOHCOgHAnodo 2)()()( 22232

( ) ( ) −− →++= 2322 2

21 COgCOgOCátodo e

)()()(21)( 22222 gCOgOHgCOOgHCelda +→++=


http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-methanol_fuel_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-methanol_fuel_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Molten-carbonate_fuel_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Molten-carbonate_fuel_cell



SOFC (Solid Oxide

Fuel Cell) Celda de óxidos

sólidos.

El electrolito (sólido) es de cerámica, permite una temperatura de operación de 1000°C. .Tanto las MCFC cómo las SOFC, al trabajar a altas temperaturas, permiten utilizar combustibles que contengan monóxido de carbono con poco o ningún catalizador para la reacción de oxidación del hidrógeno. El calor remanente, en forma de vapor presurizado, se utiliza para accionar turbinas que, asociadas a la celda alcanzan eficiencias del orden del 75%. Un sistema de oxido sólido generalmente utiliza un material cerámico de óxido de zirconio sólido y una pequeña cantidad de itria, en lugar de un electrolito líquido, permitiendo que las temperaturas de operación alcancen los 1000 º C. Las eficiencias de operación podrían alcanzar el 60% y 85% con cogeneración y la salida de la celda hasta 100 kW. Japón tiene dos unidades de 25 kW en línea y una planta de 100 kW está siendo probada en Europa.

( ) ( ) −− +→+ egOHOgHÁnodo 2: 22

2 .

( ) −− →+ 222

1 2: OegOCátodo

( ) ( ) ( )gOHgOgHCelda 2221

2: →+

Fuente: Las Celdas De Combustible, Una Alternativa Eco-Eficiente En La Generación De Energía Eléctrica


http://en.wikipedia.org/wiki/Solid_Oxide_Fuel_Cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Solid_Oxide_Fuel_Cell



Tabla 7.2 Tipo de celdas de combustible y características principales.

AFCs. PEMFCs. DMFCs. PAFCs. MCFCs. SOFCs.

Combustible Hidrógeno, gas natural, metanol, biogás

Electrolito Hidróxido de Potasio (KOH)

Polímero Sólido,Poly-

Perfluorosulfonic

Hidróxido de Potasio (KOH)

Ácido Fosfórico (H3PO4)

Litio, Sodio y Potasio Óxido sólido,

Óxido Zirconio,

Catalizador Platino, Palladium Platino Platino,

Palladium Platino Níquel Perovskites

Externo, Interno Reformador No usa Externo No usa Externo Externo, Interno

Combustible H2 H2 ,

reformado Metanol H2 , reformado H2 , reformado H2 , reformado

Tº de operación < 80 °C 70 – 200 °C 90-120°C 175 – 200 °C 650ºC 800 – 1000 °C

Potencia 10 a 100 kW 0,1 a 500 kW <1W a 100 kW 200 KW 250kW- >100MW 10kW -

> 100MW

Eficiencia % 60 – 70% 50 – 70% 40% 40 – 85% 50 – 60% > 60%

Aplicaciones

Cogeneración, Transporte Portarle,

Estacional Espacial.

Cogeneración, Transporte,

Potable, Estacional.

Cogeneración, Transporte,

Portarle.

Cogeneración, Transporte, Estacional.

Cogeneración, Estacional.

Cogeneración, transporte, Estacional.

Fuente: Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica





Tabla 7.3 Campo de aplicación para cada celda de combustible según la Potencia.

POTENCIA ELÉCTRICA

CAMPO DE APLICACIÓN

Baja Potencia

1-5 kW

5-10 kW Domestico Residencial

Media Potencia

10-100 kW 50-300 kW

Residencial Comercial

Alta Potencia

50-300 kW 250 kW-10 MW Microcentral eléctrica

Fuente: Instalacion De Una Central A Gas Con Celdas De Combustible De 100 MW

7.1.1. Comparación de la eficiencia de la celda de combustible con la eficiencia de las máquinas generadoras.

En la celda de combustible la reacción electroquímica convierte energía química de la celda en electricidad y energía térmica para obtener altas eficiencias. En otras palabras la celda de combustible genera electricidad sin quemar el combustible. Este proceso en términos de eficiencia energética no está limitado por la temperatura, o lo que se llama eficiencia de Carnot [Fern], como en las máquinas generadoras. La generación de potencia convencional convierte energía química del combustible, en energía térmica por combustión. Esta energía térmica se convertirá en energía mecánica con la ayuda de máquinas especiales (turbinas), finalmente un generador convierte energía mecánica en energía eléctrica. En la Tabla 7.4 se muestran los valores de eficiencia de algunos generadores de potencia incluyendo la celda de combustible. Tabla 7.4 Eficiencia de los diferentes tipos de generación.

Tipo de generación Eficiencia eléctrica

Motor (Diesel) 25-30% 1 MW

Turbina de Gas 18-40% 10 MW

Microturbina 25-35% 1 MW

Celda de Combustible 40-60% Según el tipo Fuente: Las Celdas De Combustible, Una Alternativa Eco-Eficiente En La Generación De Energía Eléctrica



Teóricamente las celdas de combustible prometen mayor eficiencia energética, cerca del 60% dependiendo del tipo de celda, como se muestra en la Figura 7.1 Figura 7.1 Resumen vista global del estado de los sistemas de potencia de celdas de combustible estacionarias.

Fuente: Status, Trends and Market Forecast for Stationary Fuel Cell Power Systems. Ohio Fuel Cell Symposium May 11, 2005





8. CÁLCULO DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

En este capítulo se presentarán los cálculos que determinarán la potencia que podría generar la celda de combustible con el biogás quemado en la Tea de la PTAR El Salitre. Los voltajes teóricos que se obtienen en la celda de combustible dependen del catalizador y de la temperatura de operación de cada una de las tecnologías de celda de combustible, características que se presentaron en el capítulo 7. Por otra parte, para calcular la potencia de la celda de combustible, se calculó la cantidad de hidrógeno contenido en el gas metano disponible como combustible. Para determinar cuánta potencia genera una celda de combustible, se tomó como base la definición de Amperio (A) y su equivalencia de electrones [Pant]. El resultado del cálculo de la potencia es el factor determinante para la selección de la tecnología de celda de combustible que se utilizaría como planta generadora en la PTAR El Salitre.

8.1. CÁLCULO DEL VOLTAJE ESTÁNDAR La salida de trabajo eléctrico ( )elecW [Pant] de una celda de combustible se puede establecer a partir de un análisis termodinámico de un sistema cerrado o de un sistema abierto, como se puede ver en la Figura 8.1. dqdhdqPdVdudWelec −=−+= (8.1) Donde: =P Presión =du Energía interna =V Volumen

=dh Entalpía PdVdudh +==dq Transferencia de calor.

Además, para una masa unitaria que pase a través del volumen de control , (Donde T es la temperatura y Tdsdq = =ds Entropía), sustituyendo ( ), en el

balance de energía por esta última expresión, se encuentra que: dq

TdsdhdWelec −= (8.2)

En condiciones isotérmicas; ( =dg Función de Gibbs).

Tdsdhdg −= (8.3)

Por tanto, dgdWelec = (8.4)




54

Figura 8.1 Sistema Celda de Combustible.


El trabajo eléctrico es el producto de la cantidad de carga ( que pasa por la celda por mol de combustible, y el potencial electrostático ideal que desarrolla la celda de combustible. Cuando se conecta una carga a los dos polos o terminales se produce una corriente que puede calcularse mediante la ley de Ohm [Pant].

)eQ(V )i

Por tanto, tenemos que:

ieelec VQW ⋅−= (8.5)

Los voltajes teóricos que producen las reacciones de estas celdas normalmente se hallan entre 1,0 y 1,3 volts -dc (corriente directa) con 1 a 2 KW por metro cuadrado de electrodo.

La cantidad de carga es igual al número de moles de electrones ( eQ ) ( )eN producidos por la reacción de la celda de combustible, por mol de combustible, multiplicado por el número de coulombios por mol de electrones, (Constante de Faraday) [Pant].

F

Por tanto, FNQ ee ⋅= (8.6) Donde: (8.7)

o,

dgVF i =⋅NW eelec ⋅−=

FNdgV

ei ⋅

−= (8.8)

El valor de la constante de Faraday es:




55

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

×⋅

×=

−

)(96.48510602,110023,6 1923

electronesgmolCoulomb

electrónCoulomb

electronesgmolelectronesF (8.9)

Si este valor se multiplica por la identidad; [ ] [ ] [ ]CoulombVJoule 111 ⋅= , entonces F

es igual a: ⎥⎦

⎤)(electronesgmol

KiloJoule⎢⎣

⎡⋅⋅

= 485.96KiloVolt

F (8.10)

Entonces: 96487⋅−

=eN

dgVi (8.11)

De acuerdo con las ecuaciones planteadas anteriormente [Pant], se puede establecer el voltaje generado para cada tipo de celda como se muestra en la Tabla 8.1.

Tabla 8.1 Voltaje ideal de la celdas de combustible Temperatura 80ºC 100ºC 205ºC 650ºC 800ºC 1100ºC

Tipo de celda PEFC AFC PAFC MCFC ITSOFC TSOFC

Voltaje ideal: 1.17 1.16 1.14 1.03 0.99 0.91

Fuente: Pila de combustible. Generador eléctrico [Pant]. En la Figura 8.2 se ve claramente que el voltaje inicial de la celda depende de la temperatura de operación. Figura 8.2 Dependencia del Voltaje inicial de operación c/r a la Tº.




8.2. CÁLCULO DE LA POTENCIA GENERADA. Para el cálculo de la potencia eléctrica en Vatios (W), es necesario recordar las características eléctricas de la celda de combustible como Tensión (V) para cada celda y densidad de corriente (A) por unidad de superficie de la celda Figura 8.3. Figura 8.3 Gráfica Densidad Corriente – Voltaje.

Fuente: Handbook Fuel Cell .

La cantidad de flujo de combustible necesario para generar kWh o para generar un amperio (A), se calcula por la reacción en el ánodo de combustible donde la regla de 2 electrones por molécula biatómica [Pant] H2 vale para todos los tipos de celdas de combustible. Para calcular la potencia generada por la celda de combustible con el biogás de la PTAR El Salitre, se tomaron los datos iniciales que se muestran en la Tabla 8.2. Tabla 8.2. Datos iniciales Combustible diario en la Tea 11.494 m3/día

Temperatura del biogás (60ºF) (33ºC) (306ºK) Temperatura Estándar del CH4

28ºC (298,15ºK)

Se tiene que el caudal de biogás diario quemado en la Tea es de díam /11494 3 y según la Tabla 5.1, el porcentaje de metano ( 4CH ) es de 71.49%, el cuál corresponde a díam / de ( 4CH ). Este dato se empleará para calcular la masa molecular del ( 4CH ) y el porcentaje de hidrógeno contenido en él, ya que el hidrógeno biatómico es el combustible empleado por la celda de combustible para generar electricidad, como se muestra en la Tabla 7.1

35,8221 3


56




57

8.2.1. Cálculo de la masa de metano ( ) 4CHLa masa del se calcula con la ecuación de los gases ideales: 4CH

RTPVm = (8.12)

M= masa R= Constante de los gases ideales P= Presión T= Temperatura V= Volumen Donde:

=R)(º

35.518KKg

J para 4CH

25101

mNP ×= = Presión Estándar

= temperatura Estándar KT º15.298=

díamV

3

11494= = Caudal de biogás de la PTAR

El volumen de metano de la PTAR Salitre equivale al (ver Tabla 5.1) del biogás quemado en la Tea.

4CH %49.71

horamdíamV /35,82217149.0*/11492 33 == (8.13)

horamh

díadíamV /56,342)(24

1*/35,8221 33 == de (8.14) 4CH

Reemplazando, ( )KKkgJCHhmmN

RTPVm

º15,298º/35,518/56,342/101 4

325

⋅⋅×

==

Se obtiene; de (8.15) horaKgm /66,221= 4CH

8.2.2. Porcentaje de hidrógeno en el gas metano ( ) 4CH Para establecer la composición porcentual del metano se deben determinar los gramos de cada elemento contenidos en 100g del compuesto.

100)(

)(% ×=CompuestoPeso

XPesoX (8.16)



100)(

)(% ×=CompuestoPeso

YPesoY (8.17)

Peso molecular del y 12=C 1=H (8.18)

Peso molecular : 4CH kgmolCH

HC

164

12

4 ===

%25100164% 2 =×=

kgmolkgmolH (8.19)

%751001612% =×=

kgmolkgmolC (8.20)

Con la ecuación (8.15), se puede calcular la masa de hidrógeno que se encuentra en de y que equivale a: horakg /66,221 4CH =× 25.0/66,221 horakg horakg /42,55 de (8.21) 2H Para determinar cuánta potencia genera una celda de combustible se debe recordar la definición de amperio (A) y su equivalencia de electrones[Pant]. • Un equivalente de electrones es: Un de electrones o

(Número de Avogadro) [Pant]. gmol

electrones2310022,6 ×

• Entonces, según la ecuación (8.9) y (8.10); tienen la carga de Constante de Faraday.

electrones2310022,6 ×)(487.96 CCoulombios

• La carga de un electrón es igual a , según constante de Faraday,

ecuación (8.10) y 1 Amperio de corriente equivale a

C1910602,1 −×

sC1

De acuerdo a la siguiente fórmula [Pant]:

=n Masa molecular del 2H=m Peso molecular del 2H


58



AHhoragmol

horas

egmolH

Ce

AsCAH

equiv

equivn /018655,013600

21

485.961

1/1)0,1( 2

22 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= −

−

(8.22)

AhorakgH

gkg

gmolHgH

AhoragmolHm /1031,37

10001

12018655,0 26

222

−×=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−= (8.23)

De acuerdo a los cálculos anteriores la cantidad de hidrógeno que puede generar

1 Amperio es 2510731,3 H

horaKg−× . Este resultado se empleará como factor de

conversión para determinar la potencia de la celda de combustible, empleando la cantidad de hidrógeno que contiene el biogás utilizable que genera la PTAR, de acuerdo con el resultado de la ecuación (8.19).

2H

8.2.3. Potencia eléctrica generada por el biogás de la PTAR El Salitre. Para el cálculo de la potencia, se determinarán los amperios (A) que pueden producir de , ecuación (8.21). Con esta corriente y con el voltaje ideal de las celdas de combustible podemos obtener la potencia de salida.

horakg /42,55 2H

Entonces;

Si 2510731,3 H

horaKg−× = (8.24) A1

AA

HhorakgHhorakg

AA 65,392.485.11

)(/55,42)(/10731,3

1 2

25 =⋅

×= − (8.25)

Como se puede observar en la Tabla 7.1 las únicas tecnologías de celda de combustible que proveen la potencia necesaria, de acuerdo a las características de temperatura y catalizador son: MCFC y SOFC, por lo cual, para efectos del cálculo de la potencia solo se tienen en cuenta estas dos tecnologías. Con el resultado obtenido del cálculo de la corriente que se genera con la cantidad de hidrógeno contenido en el biogás de la PTAR El Salitre, ecuación (8.24), que corresponde a y con el voltaje ideal de las tecnologías MCFC y SOFC que es: 1,03V y 0,9V respectivamente, se calcula la potencia aplicando la ecuación (8.25).

kA39,1485

IVP ⋅= (8.26)


59



)(WPotenciaP = )(VVoltajeV = )(ACorrienteI =

• Para una celda de combustible MCFC

)39,1485()03,1( kAVP >⋅= La potencia )(53,195,1529 dcMWKWP == • Para una celda de combustible SOFC

)851,1336()9,0( kAVP ⋅= La potencia )(33,185,1336 dcMWKWP == La potencia (dc) generada por las celdas de combustible requiere un inversor de corriente directa (dc) a corriente alterna (ac), algunas tecnologías de celda de combustible y dependiendo del fabricante, tienen incorporado el inversor de corriente dc/ac como la tecnología MCFC. Para efectos del cálculo de la potencia de la celda de combustible se tomará (0.9) como factor de transformación de corriente directa a corriente alterna [Soli], ya que actualmente los inversores tienen eficiencias de este orden. Por lo cuál se tiene: • Para una celda de combustible MCFC

)(376,1955,13769.095,1529 acMWP ==×= • Para una celda de combustible SOFC

)(2,116,12039.085,1336 acMWP ==×= Para obtener la potencia eléctrica final se multiplicará por la eficiencia característica de cada tecnología, según la Tabla 7.2. • Para una celda de combustible MCFC

45.0*)(376,1955,13769.095,1529 acMWP ==×= (Eficiencia del 45%) kWP 62,619=

• Para una celda de combustible SOFC

6.0*)(2,116,12039.085,1336 acMWP ==×= (Eficiencia del 60%) kWP 89,721=


60



En la Tabla 8.2 se resumen las características y los cálculos de potencia, corriente y voltaje de las tecnologías de celda de combustible MCFC y SOFC seleccionadas anteriormente. Según los resultados obtenidos teóricamente, la potencia generada por las dos tecnologías en estudio podría cubrir una parte de la demanda de energía de la PTAR el Salitre. Tabla 8.2 Comparación de las tecnologías MCFC y SOFC.

Descripción MCFC SOFC Tipo de combustible CH4 CH4 Consumo de combustible 221.66 (kg/h) 221.66 (kg/h) Consumo de Hidrógeno 55.42 (kg/h) 55.42 (kg/h) Temperatura 923 (ºK) 1073 (ºK) Presión (atm) 1 (atm) 1 (atm) Voltaje en Circuito Abierto (V) 1,03 (V) 0,99 (V) Corriente de operación de la celda (kA) 1485.39 (kA) 1485.39 (kA) Potencia Eléctrica de Salida AC (kW) 619,62 (kW) 721,89 (kW) Eficiencia de generación eléctrica (%) 45 (%) 60 (%)

8.2.4. Comparación de la potencia calculada teóricamente con otros autores.

A continuación se hace una comparación de la potencia calculada teóricamente a partir del biogás producido por las aguas residuales en la PTAR El Salitre con otros autores: En primer lugar, según el artículo “Pila de combustible. Generador eléctrico” [Pant] se encuentra que en términos de energía:

hkgH /1 2 ; generaría , para una celda con eficiencia del 45%, kWhe15 Según ésta relación para de generaría: , para una celda de combustible MCFC con eficiencia del 45%, según Tabla 7.2

horakg /42,55 2H kWh3,831

En segundo lugar con un estudio de la Universidad de Clarkson (New York-E.E.U.U), donde se calcula la potencia generada con cada una de las tecnologías de celda de combustible a partir del biogás producido por los desechos animales de una granja [Clar].


61



En la Figura 8.4 se muestra para las celdas de combustible MCFC y SOFC, la cantidad de biogás en ft3/ día para producir potencia eléctrica en KWh/día. Si , 33 102831685,0*1 mft =

Donde:

díamdíaft /1685,283)02831685,0(*)/10*1( 334 = (8.27)

Según la Figura 8.4 con una celda de combustible MCFC, para generar una potencia eléctrica de , se necesita de biogás díakWh /900 díaft /10*1 34

Si generan díam /1685,283 3 díakWh /900

díam /11492 3 de biogás generan horas

díakWh24

/2491,36525 = con una

eficiencia del 60%.

kWh8,1521

Para una celda MCFC con una eficiencia del 45% la potencia es: kWh35,1141 Figura 8.4 Producción de energía eléctrica a partir del Biogás con Celda de

Combustible.

Fuente: Bio-Mass. Anaerobic Digester Fuel Cell System on Dairy Faros. Clarkson Unive


62



63 CLAUDIA PATRICIA ARÉVALO BELLO

8.3. SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA

Para seleccionar la mejor alternativa para este proyecto se tomaron en cuenta los siguientes criterios: • Características de la Tecnología. Luego de estudiar las tecnologías de celda

de combustible mas empleadas, las tecnologías MCFC y SOFC cumplían con los requisitos de generación de potencia de acuerdo a las características de temperatura, catalizador y eficiencia, como se mencionó anteriormente. Posteriormente se calculó la potencia máxima con los datos obtenidos, concluyendo que las celdas de combustible MCFC y SOFC pueden generar con el biogás y respectivamente. kW62.619 MW89,721

• Facilidades comerciales. De acuerdo al Anexo C de la lista de proveedores,

se seleccionaron aquellos que fabrican celdas de combustibles MCFC y SOFC con potencias iguales o menores a 1MW; posteriormente se realizó una recopilación de información por medio del correo electrónico, como se muestra en el Anexo D. La tecnología de celda de combustible SOFC se descartó ya que esta tecnología genera potencias bajas y actualmente se encuentra en etapa experimental desarrollando plantas de grandes potencias. Fuel Cell Energy.Inc. se perfiló como el único fabricante que desarrolla celdas de combustible MCFC de alta potencia y además emplea gas digestor como combustible.

• Proyectos similares instalados en la actualidad. El proyecto demostrativo de

celda de combustible en PTAR King County, Renton, WA [King] (ver Anexo E) se tomó como soporte a nivel informativo, ya que dicha planta posee características similares a las planteadas en este proyecto. La planta de King County instaló la celda de combustible DFC® 1500. (Anexo F) que provee una potencia de 1MW, fabricada e instalada por Fuel Cell Energy.Inc. En la Figura 8.5 se puede ver la celda de combustible instalada en la planta de tratamiento de aguas residuales de King County.

A partir de la información presentada anteriormente, resulta claro que la tecnología seleccionada para el proyecto planteado es la MCFC; para los capítulos posteriores en el análisis de costos se tomará como alternativa de compra la celda de combustible DFC® 1500 ( Fuel Cell Energy.Inc) [Fuel]. En la Figura 8.6 muestra la curva de carga de la PTAR El Salitre, donde se puede ver que la potencia pico es de 1.37MW en el intervalo de tiempo de 12 am a 1am, y la potencia de salida calculada para la celda de combustible de tecnología MCFC es de 700kW aproximadamente, por lo cuál se puede deducir que la celda de combustible puede cubrir la carga mínima de la planta durante algunas horas del día.




Por otra parte la carga mínima de la planta es de 0,7MW durante los periodos de tiempo de 1am-9am y de 8pm a 12am y la carga media, que es aproximadamente 1MW, se mantiene constante durante las 9am a 8pm. Las horas de carga mínima de la planta coinciden con la horas de consumo máximo de energía residencial en Bogotá, que corresponde al intervalo de horas de: (6am-8am y 11am-1pm) [Code]. Figura 8.5 Celda de combustible DFC® 1500 de 1MW en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de King County.

Fuente: Stationary Products. Fuel Cell Energy.Inc Figura 8.7 Comparación Potencia de la celda de combustible con el consumo de Energía de la PTAR.

COMPARACIÓN DE LA POTENCIA DE SALIDA DE LA MCFC CON LA CURVA DE CARGA DE LA PTAR EL SALITRE

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Tiempo (horas)

Pot

enci

a El

éctr

ica

(MW

)

Curva de carga Carga Pico Carga MediaCarga mínima Salida de MCFC




9. ESTUDIO AMBIENTAL 9.1 DIAGNÓSTICO SITUACIONAL Para determinar los posibles impactos ambientales generados por este proyecto, es necesario realizar un diagnóstico preliminar de los aspectos ambientales de la PTAR Salitre, tomando en cuenta sólo aquellos que estén relacionados de forma directa o indirecta con este proyecto. PTAR Salitre cuenta con un Sistema de Administración Ambiental basado en las exigencias de la Norma NTC ISO 1400 versión 1996, por lo cual se compromete a la retroalimentación y mejora continua de sus sistemas. El manual de este sistema contempla el monitoreo de emisiones atmosféricas, pero no posee un programa de reducción de emisiones [Pla2]. El principal aspecto a evaluar es el atmosférico, ya que la planta posee tres fuentes fijas de emisiones atmosféricas: calderas, motores de generadores eléctricos y sistema de quemado en Tea, los cuales han sido monitoreados anualmente desde el año de arranque (2002), La Tabla 9.1 presenta las concentraciones de emisiones contaminantes en la PTAR El Salitre. Tabla 9.1 Concentraciones y ratas de emisión de contaminantes generados por

las fuentes fijas puntuales de la PTAR El Salitre.

MP SO2 NOX Fuente mg/m3 kg/h mg/m3 kg/h mg/m3 kg/h

Caldera A 12,62 0,06 5,8 0,029 51,57 0,257 Caldera B 10,87 0,021 5,1 0,01 66,99 0,257

Tea FE 19,37 0,016 - - 132,96 0,13 Tea BM - - 3,99 0,003 141,24 0,108

Generador 1 116.29 0,593 532,17 2,714 946,8 0,115 Generador 2 50.22 0,3 364,82 2,183 803,65 4,828

Fuente: Estudio de las emisiones atmosféricas generadas por las fuentes fijas puntuales [Ases]. Los muestreos de los generadores y de las calderas se realizaron mediante muestreo isocinético1 de acuerdo con la resolución 1208/03, para estimar las emisiones de contaminantes de la Tea se emplearon los métodos de Balance de Masas (BM) y Factores de Emisión (FE) [Ases] ya que no existen normas ni procedimientos de medición por sus características de diseño, en la Tabla 9.2 se puede observar el cumplimiento de las concentraciones de las fuentes de PTAR El Salitre con las normatividades aplicables.

1 Recolección de una muestra de tal modo que la mezcla de agua-sedimento se desplace sin cambio de velocidad al dejar el flujo ambiente e ingresar en la entrada del tomamuestras. (American Society for Testing and Materials, 1990).



Tabla 9.2 Cumplimiento de las concentraciones y ratas emitidas de las fuentes de la PTAR El Salitre, con las diferentes normatividades aplicables.

mg/Nm3 Contaminante MP SO2 Nox

Emisión Máxima 100 35 350 12,67 5,8 133,83 Caldera A 87% 83% 62% 10,87 5,1 66,99 Caldera B 89% 85% 81%

Emisión Máxima 50 100 350 19% 133% Tea FE EPA/USA 61% 62%

3,99 141% Res

oluc

ión

128/

03 D

AM

A

Tea BM 96% 60% Kg/h

Emisión Máxima 1,206 - 20,553 0,593 - 4,828 Generador 1 51% - 77%

Emisión Máxima 1,151 - 19,605 0,3 - 4,808 40

CFR

89

EPA

/USA

Generador 2 74% - 75% Fuente: Estudio de las emisiones atmosféricas generadas por las fuentes fijas puntuales [Ases]. Dado que las normas no contemplan emisiones de CO2, no existe información disponible sobre estas emisiones en el informe legal, sin embargo, PTAR salitre tiene como referencia la información relacionada en la Tabla 9.3. La tea no genera emisiones de CO, ya que realiza combustión completa, como se puede observar en las Tablas 9.1 y 9.2 las emisiones atmosféricas generadas por la PTAR son bajas y cumplen con las normas establecidas. El dióxido de carbono es uno de los gases que genera el efecto invernadero y es emitido a la atmósfera diariamente por la combustión de diversos compuestos, generalmente hidrocarburos o compuestos carbonados, como es el caso del biogás en la PTAR salitre. Este es un factor de gran importancia para medir los efectos ambientales de este proyecto, ya que la celda de combustible emplea el metano sin realizar combustión. A continuación se presenta un balance de masas para realizar un estimativo del CO2 emitido a la atmósfera por la combustión del biogás en la Tea. Tabla 9.3 Principales emisiones atmosféricas.

CONTAMINANTES

ZONA CO2 (%) CO2 (g/m3) CO (%) CO (g/m3)

MATERIAL PARTICULADO

(mg/m3)

SO2 (mg/m3)

Calderas 10,1 140 0,0 0,0 12,2 7,3Tea 10,3 142 0,0 0,0 19,4 4,0Electrógenos 7,8 108 0,3 2,6 23,2 72,2





Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre [Plan]. • Cálculo del balance de masas para las emisiones de co2 en la tea. Como se mencionó anteriormente, las características de diseño de la Tea permiten que funcione a 10mbar de presión y temperaturas muy altas (750ºC - 1000ºC), realizando una combustión completa del metano; se basará entonces el balance de masas en la reacción química del metano en combustión completa.

44 36 64 16 (kgmol)Molecular Peso22 Química Fórmula 2224 COOHOCH +⎯→⎯+ Δ (9.1)

Entonces ( ) ( ) ( ) ( 2224 56.609274.498264.88666.221 COkgOHkgOkgCHkg )+⎯→⎯+ Δ (9.2)

Como se muestra en la ecuación 9.2 la Tea genera en promedio 609 kg/h de

, lo que representa 5.26 Ton anuales de emisiones a la atmósfera. ( 2CO ) 9.2 IDENTIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE IMPACTOS AMBIENTALES En este ítem se identifican los impactos que el proyecto de celda de combustible causaría al medio ambiente en forma directa o indirecta, ya sean positivos o negativos; basados en esta información se evalúan los impactos dando una calificación a cada aspecto, de acuerdo a su magnitud, intensidad y reversibilidad. Al comparar las emisiones generadas actualmente en la Tea y las posibles emisiones generadas por la celda de combustible, en la Tabla 9.4 se puede observar que la instalación de la celda de combustible reduciría notablemente las emisiones atmosféricas en 5,26Ton; generando de esta manera, reconocimiento a nivel mundial. Tabla 9.4 Comparación de las emisiones atmosféricas

MP SO2 NOX CO2 CO Fuente mg/m3 mg/m3 mg/m3 g/m3 mg/m3

Tea 19,37 3,99 137,1 142 0

Celda de combustible - 0,015 0,45 0 15Fuente: Acueducto agua y alcantarillado de Bogotá. Planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre [Plan]. Para realizar la evaluación se empleo una matriz de evaluación de impactos, basándose en el método de la matriz de Leopold 2, la cual fue modificada de acuerdo a las necesidades del proyecto, Tabla 9.5, la evaluación de impactos se llevo a cabo por medio de una matriz de priorización de impactos, Tabla 9.6. 2 Primer método de evaluación de impacto ambiental, es una matriz en la que las entradas, según columnas, son acciones del hombre que pueden alterar el medio ambiente, y las entradas, según filas, son características del medio (factores ambientales) que pueden ser alteradas.



Tabla 9.5 Matriz de identificación de impactos ambientales del proyecto de celda de combustible.

1. 2. 3. COMPONENTES Construcción

Plataforma Instalación Operación

Tierras Suelos (-)2 Disponibilidad aguas (+)2 Aguas

Calidad del agua (+)2 Calidad del aire (-)1

Calor Med

io fí

sico

Aire Ruido (-)1

Medio biótico Vegetación (-)1

Salud población (+)3 Aspectos Sociales Empleo (+)3 (+)2 (+)1

Economía Infraestructura y tráfico (-)2 (-)2

Rec

urso

s y

valo

res

ambi

enta

les

Med

io

soci

oeco

nóm

ico

Cultura Valores culturales (+)3

Mediano o largo Plazo

(+) Positivos

0 = Despreciable 2 = Baja 4 = Alta

Corto plazo (-) Negativos

Importancia del impacto

1 = Muy baja 3 = Moderada

5 = Muy alta

Fuente: Estudio de las emisiones atmosféricas generadas por las fuentes fijas puntuales [Ases]. • Evaluación De Impactos Ambientales

Tabla 9.6 Matriz de priorización de impactos ambientales del proyecto de celda de combustible

INDICADOR MAGNITUD INTENSIDAD REVERSIBLEELEMENTO IMPACTO ALTA MEDIA BAJA ALTA MEDIA BAJA SI NO

Suelos Deterioro de la calidad del suelo -

Agua Mejora de la calidad del agua +

Aire Disminución de la calidad del aire -

Aire Aumento de la Presión Sonora

Empleo Generación de empleo +

Infraestructura y tráfico

Accesibilidad a la zona -

Valores culturales

Preservación del medio ambiente

Fuente: Estudio de las emisiones atmosféricas generadas por las fuentes fijas puntuales [Ases]. De acuerdo con las Tablas 9.5 y 9.6 las actividades de construcción de la plataforma, instalación y operación de la celda de combustible no generarían grandes impactos negativos al medio ambiente, además se espera que la adquisición de una tecnología limpia que redunda en beneficios económicos a largo plazo, como la celda de combustible, tenga un efecto multiplicador en el manejo energético tanto en las grandes industrias de la ciudad, como en el manejo de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales y Residuos sólidos.




10. INGENIERÍA DE COSTOS El factor económico es de gran relevancia en la toma de decisiones de un proyecto, por lo cuál es indispensable analizar en este caso los costos actuales de operación de la PTAR El Salitre, los costos de compra, instalación, operación y mantenimiento (O&M) de la tecnología de celda de combustible y además los costos de implementación de un sistema de GD en la categoría de autogenerador. En el análisis de beneficios, el beneficio económico en la instalación de tecnología de celda de combustible en la PTAR El Salitre se cuantifica en beneficios directos e indirectos, donde los beneficios directos se relacionan con la demanda de energía actual en la planta y la compra de energía a la red, y los beneficios indirectos con la reducción de la contaminación ambiental. En la evaluación financiera se analizan los precios del mercado basándose en las utilidades netas, provenientes de la relación entre ingresos y egresos. Generalmente estos proyectos no generan un atractivo económico, por lo cuál deben ser financiados con ayuda del estado para hacerlos viables [Alva]. En la evaluación económica se tendrá en cuenta: • Se considera una vida útil de la celda de combustible de 15 años [Alva]. • La planta se construye en el año 0 y opera desde en el año 1 al 15. • La inversión en capital propio se realiza en el año 0. • La tasa interna de oportunidad es equivalente a la tasa social de descuento,

establecida para Colombia en el 12%.

10.1. ESTUDIO DE COSTOS DEL PROYECTO CON BASE EN DOS ESCENARIOS.

El estudio de costos del proyecto se realiza con el objeto de conocer la respuesta del proyecto frente a cambios en las condiciones de mercado. Se analiza la variación de los indicadores económicos en diferentes escenarios; por un lado se modifica el costo de instalación, y por otro lado se disminuyen los costos de O&M, manteniendo algunas variables como constantes para los dos casos. Los dos escenarios iniciales se tomaron al existir incertidumbre en los costos de O&M al comparar la información suministrada en el Anexo D, con la información encontrada en la literatura [Epri]. A continuación se muestran los escenarios discriminados en la Tabla 10.1. Tabla 10.1 Escenarios para el análisis de costos.

Escenario Egreso/año Descripción Primer escenario $ 800.000.000 Costo de O&M

Segundo escenario $ 520.000.000 Costo de O&M




10.1.1. Primer escenario • Costo de O&M e instalación Se tomó el costo de O&M con un valor de $800.000.000 al año y un costo de instalación de $10.000.000.000 , teniendo en cuenta los datos recopilados en el Anexo D, el cual nos da un dato aproximado del costo del proyecto de “King County”. Tabla 10.2 Costos estimados de O&M y costos de instalación para una MCFC

Potencia de la Planta 700 (kW) Costo Total Vida útil 15

Costos de Instalación (US$/kW) $7.000 US$5.000.000

Costos de O&M (US$/kWh) $ 0,06 US$400.000/ año

10.1.2. Segundo escenario • Costo de O&M einstalación Se varió el costo de O&M a un valor de $520.000.000 al año y un costo de instalación de $5.600.000.000 tendiendo en cuenta el costo de O&M por kWh mostrado en [Epri]. Este dato se tomó del estado del arte de la tecnología de celda de combustible y la comparación de costos de las diferentes tecnologías de generación de energía eléctrica. Tabla 10.3 Costos estimados de O&M y costos de instalación para una MCFC Potencia de la Planta 700 (kW) Costo Total Vida útil 15 Costos de Compra e Instalación (US$/kW) $4.000 US$2.800.000 Costo del Equipo $3.200 Tratamiento de Gas $400 Costo de instalación $400 Costos de O&M (US$/kWh) $ 0,043 US$260.000/ año Personal de mantenimiento $ 0,0080 Remplazo de las celdas $ 0,0350 10.1. ANÁLISIS DE INGRESOS DEL PROYECTO

10.1.2. Ingresos por consumo de energía en la PTAR El Salitre En el análisis de ingresos se tomarán los costos de operación por demanda energética de la planta de tratamiento de aguas residuales como un ingreso del proyecto, ya que una vez iniciada la operación de la planta estos costos no se pagarán a un proveedor externo.




• Costos actuales de operación de la PTAR El Salitre Una base de comparación para el posterior estudio de rentabilidad del proyecto son los costos actuales de operación de la PTAR El Salitre, la cuál tiene un consumo aproximado de Energía Activa de 9,9 (GWh) anual con un costo de $1.800 millones, como se puede observar en la Tabla 10.4. Tabla 10.4 Demanda de energía de la PTAR Salitre, año/2006

DEMANDA DE ENERGÍA MES/AÑO Consumo

Activa (kWh) Reactiva (kVArh)

Valor $ (kWh)

Valor Total en $

Ene-06 737.330,15 173,81 128.156.360,00 Feb-06 670.710,45 175,03 116.813.720,00 Mar-06 729.139,25 21,85 181,90 131.858.726,00 Abr-06 801.783,85 33,73 184,59 146.728.950,00 May-06 1.067.617,60 187,74 199.903.740,00 Jun-06 888.000,00 187,74 166.713.120,00 Jul-06 718.217,25 23,28 187,80 134.448.036,00 Ago-06 721.111,75 16,63 186,40 132.342.590,00 Sep-06 731.216,90 185,92 134.292.440,00 Oct-06 711.653,55 184,13 129.447.760,00 Nov-06 705.170,75 187,09 130.650.250,00 Dic-06 704.466,80 189,36 130.645.568,00 Ene-07 688.829,80 182,03 125.392.660,00

TOTAL AÑO 9.875.248,10 95,49 1.807.393.920,00

PROMEDIO MENSUAL ( )X

759.634,47 7,35 184,12 139.030.301,54

Cliente: Comercial PTAR Salitre Nivel de Tensión:

II Circuito: BL18 Grupo : 1 Factor de Transformación: 9500

Fuente. Los datos aquí listados fueron suministrados por la PTAR Salitre. • Ingresos totales anuales del proyecto El ingreso Anual del proyecto se refleja en lo que la PTAR El Salitre dejaría de pagar por consumo de energía, ya que si se instala la celda de combustible como alternativa de generación esta abastecerá la energía requerida por la planta. La energía que demanda la PTAR el Salitre en promedio es de 1,055(MW/h), la potencia que generaría la planta es de 0.7MW/h

920/año1.807.393. $ 2006)-Anual(año Total Ingreso = *0.7 (10.1) Ingreso Total Anual =$ 1.265.175.744/año




10.2. ANÁLISIS DE EGRESOS DEL PROYECTO Para el análisis de egresos se tomaron en cuenta los costos de instalación y compra y los costos directos e indirectos del proyecto. En el primer escenario para la obtención de los costos de compra, instalación y O&M de la tecnología de celda de combustible, se tomó como referencia el “Proyecto Demostrativo de celda de combustible en la planta de tratamiento de aguas residuales de King County”, ver Anexo E que funciona con características similares a las establecidas en este proyecto, tales como el tratamiento de aguas residuales, el gas digestor como combustible y la potencia generada. En el segundo escenario se tomaron en cuenta los costos de instalación, los costos de compra, los costos de tratamiento del gas y los costos de O&M como reemplazo de las celdas que tienen una vida útil de 40.000 horas (5 años aprox), incluyendo los costos indirectos como contratos de servicio por mantenimiento.

10.2.2. Costos de instalación y compra de la celda de combustible.

Uno de los principales motivos para que la generación de potencia con celdas de combustible aún no se implemente en forma masiva es su costo. En la actualidad las celdas de combustible más comercializadas implican un costo de alrededor de US$4000/kW generado, lo cual es mucho más costoso que un generador diesel, que tiene costos que están entre US$800 y US$1500/kW generado (Anexo H) y los de una turbina que utiliza gas natural, que son aún menores.

10.2.3. Costos de O&M Los costos de O&M son los costos generados por los costos fijos como los de operación y costos variables por contrato de servicio por mantenimiento y los costos por reemplazo de las celdas o (stacks) de la celda de combustible. En la Tabla 10.2 y 10.3 se describen cada uno de los costos que se incluyen en el flujo de caja del proyecto. Tabla 10.5 Costos primer escenario

ASPECTO VALOR $ Costo de compra e instalación $10.000.000.000 Costos de O&M $800.000.000 Costos por kWh de O&M $120

Tabla 10.6 Costos segundo escenario

ASPECTO VALOR $ Costo de instalación $5.600.000.000 Costos de O&M $520.000.000 Costos por kWh de O&M $80




10.3. CALCULO DE LA RENTABILIDAD Los indicadores económicos aplicados para estimar la rentabilidad del proyecto corresponden al valor actual neto (VAN) y a la tasa interna de retorno (TIR) [MorH]. 10.3.1. Tasa Interna de Oportunidad (TIO) Para el cálculo del VAN y la TIR, la tasa interna de oportunidad será del 12%, este es el valor que se aplica para las empresas que pertenecen al estado colombiano como la PTAR El Salitre. 10.3.2. Valor Presente Neto (VPN) Corresponde a la suma actualizada de todos los flujos de caja netos a lo largo de la vida útil del proyecto y está dado por:

( )∑

= +

−=

n

Jjjj

r

CIVPN

0 1 (10.7)

Ij : ingreso total que se obtiene en el año j Cj : costo total en que se incurre el año j r : tasa interna de oportunidad del proyecto n : vida útil del proyecto. Primer Escenario: En el primer escenario el resultado que arrojó el flujo de caja del VPN del proyecto, Tabla 10.7 fué: Costo de O&M de $800.000.000/año.

VPN = - (5.037.170.197) (10.8) El VPN para el primer escenario es negativo, al ser el VAN < 0, entonces el proyecto no es rentable, ver Tabla 10.4. Segundo Escenario: En el segundo escenario el resultado que arrojó el flujo de caja del VPN del proyecto, Tabla 10.8 fué: Costo de O&M de $520.000.000/año

VPN =( 1.233.725.307) (10.9)





Al ser el VAN > 0, entonces el proyecto es rentable a corto plazo por lo cual este proyecto sería factible si el costo de O&M del proyecto fuera menor. 10.3.3. Tasa Interna de Retorno (TIR) Corresponde a la tasa de rentabilidad o exacta que una inversión ofrece al inversionista e indica la capacidad que tiene un proyecto de producir utilidades independientemente de las condiciones del inversionista. Esta relación está dada por:

( )0

10=

+

−∑=

n

jj

jj

TIR

CI (10.10)

Si: TIR > Tasa interna de oportunidad, entonces el proyecto es rentable. Una vez que se ha calculado la TIR, debe ser comparada con la tasa interna de oportunidad aplicada al proyecto, donde se obtiene para los dos escenarios diferentes lo siguiente:

( %12 )

)

Primer escenario: Costo de O&M de $800.000.000/año TIR = 0.88% Como la TIR es menor al 12% el proyecto de celda de combustible en la PTAR El Salitre no es rentable en el primer escenario. Sin embargo la TIR está muy por debajo del 12%, lo cual se refleja que el proyecto no sería rentable. Segundo escenario: Costo de O&M de $520.000.000/año. TIR = 15.75% Como la TIR es mayor al 12%, el proyecto de celda de combustible en la PTAR El Salitre es rentable a corto plazo y se obtendrían beneficios. 10.4. RELACIÓN BENEFICIO-COSTO La relación Beneficio costo, se hace después de calcular el VPN de los ingresos y el VPN de los egresos en el flujo de caja del proyecto.

Entonces: ( )(egresosVPNingresosVPNCB =/ (10.11)



Si la relación beneficio-costo es mayor a 1, el proyecto es económicamente atractivo, pero si la relación beneficio-costo es menor a 1, el proyecto no es económicamente rentable. Primer Escenario: La relación beneficio-costo es de 0.52; (Tabla 10.7), este valor es menor a 1, entonces en el proyecto no se obtendrían beneficios. Segundo Escenario: La relación beneficio-costo es de 0.71; (Tabla 10.8), este valor es menor a 1, entonces el proyecto es económicamente no es rentable a corto plazo, pero si a mediano plazo. 10.5. PERIODO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN En este proyecto con una vida útil del proyecto de 15 años, para el primer escenario el periodo de recuperación de la inversión es de 14 años aproximadamente, esto significa que el proyecto no es rentable a mediano plazo, el segundo escenario nos da como resultado una recuperación de la inversión a 6 años lo cual significa que se puede convertir en un proyecto rentable. Teniendo en cuenta los costos iniciales y sabiendo que pueden variar según el mercado y con el paso de los años la celda de combustible ha tenido un avance tecnológico, hará mas accesible de adquirir al usuario una planta generadora de energía para suplir sus propias necesidades, esto es lo que hace que las energías renovables sean cada vez mas atractivas como opción de generar energía limpia sin efectos nocivos para el medio ambiente. Las Tablas 10.4, 10.5 y 10.6 muestran los resultados del análisis de las diferentes variables del cálculo de la rentabilidad del proyecto. Primer Escenario: Tabla 10.7 Resultados con costos de O&M $800.000.000 TASA INTERNA DE OPORTUNIDAD (TIO)

12.000% Total Vlr Presente Neto

VALOR PRESENTE NETO (VPN)

(5,037,170,197)

Total Ingresos 11,853,806,422

TASA INTERNA DE RETORNO (TIR)

0.888%

Total Egresos 22,886,336,736

RELACION BENEFICIO COSTO (RBC)

0.52

PERIODO DE RECUPERACION DE LA INV

14.00




Segundo Escenario: Tabla 10.8 Resultados con costos de O&M $520.000.000 TASA INTERNA DE OPORTUNIDAD (TIO)

12.0% Total Vlr Presente Neto

VALOR PRESENTE NETO (VPN)

1,233,725,307 Total Ingresos

11,853,806,422

TASA INTERNA DE RETORNO (TIR)

15.75% Total Egresos 16,615,441,232

RELACION BENEFICIO COSTO (RBC)

0.71

PERIODO DE RECUPERACION DE LA INVERSIÓN

6.00





Tabla 10. 10 Flujo de Caja del Proyecto EVALUACION FINANCIERA Y ECONOMICA DEL PROYECTO

COSTO O&M

800,000,000

Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9

Consumo Propio de Energía -

1,265,175,744 1,341,086,289 1,421,551,466 1,506,844,554 1,597,255,227 1,693,090,541 1,794,675,973 1,902,356,532 2,016,497,924

Total Ingresos -

1,265,175,744 1,341,086,289 1,421,551,466 1,506,844,554 1,597,255,227 1,693,090,541 1,794,675,973 1,902,356,532 2,016,497,924

Adquisición de Equipos e Instalación 10,000,000,000

-

-

-

-

-

-

-

- -

Costos de O&M -

800,000,000 848,000,000 898,880,000 952,812,800 1,009,981,568 1,070,580,462 1,134,815,290 1,202,904,207 1,275,078,460

Depreciación Equipos -

- 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000

Total Egresos 10,000,000,000

800,000,000 2,223,000,000 2,273,880,000 2,327,812,800 2,384,981,568 2,445,580,462 2,509,815,290 2,577,904,207 2,650,078,460

Flujo de Fondos

(10,000,000,000)

465,175,744

(881,913,711)

(852,328,534)

(820,968,246)

(787,726,341)

(752,489,921)

(715,139,317)

(675,547,676)

(633,580,536)

Impuesto a la Renta -

-

-

-

-

-

-

-

- -

Flujo de Fondos Gravado

(10,000,000,000)

465,175,744

(881,913,711)

(852,328,534)

(820,968,246)

(787,726,341)

(752,489,921)

(715,139,317)

(675,547,676)

(633,580,536)

Depreciación y Amortización -

- 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000

Flujo de Fondos Neto

(10,000,000,000)

465,175,744 493,086,289 522,671,466 554,031,754 587,273,659 622,510,079 659,860,683 699,452,324 741,419,464

958,262,033 1,480,933,499 2,034,965,253 2,622,238,912 3,244,748,990 3,904,609,674 4,604,061,998 5,345,481,462



78

EVALUACION FINANCIERA Y ECONOMICA DEL PROYECTO

Año 10 Año 11 Año 12 Año 13 Año 14 Año 15 Vlr Presente Neto

2,137,487,799 2,265,737,067 2,401,681,291 2,545,782,168 2,698,529,098 2,860,440,844 2,137,487,799 2,265,737,067 2,401,681,291 2,545,782,168 2,698,529,098 2,860,440,844 11,853,806,422

-

1,351,583,167 1,432,678,157 1,518,638,847 1,609,757,177 1,706,342,608 1,808,723,165

1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000

2,726,583,167 2,807,678,157 2,893,638,847 2,984,757,177 3,081,342,608 3,183,723,165 22,886,336,736

(589,095,368) (541,941,090) (491,957,556) (438,975,009) (382,813,510) (323,282,320)

-

(589,095,368) (541,941,090) (491,957,556) (438,975,009) (382,813,510) (323,282,320)

1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000

785,904,632 833,058,910 883,042,444 936,024,991 992,186,490 1,051,717,680 6,131,386,094 6,964,445,003 7,847,487,448 8,783,512,439 9,775,698,929 10,827,416,609




Tabla 10.11 Flujo de Caja del Proyecto disminuyendo los costos de O&M EVALUACION FINANCIERA Y ECONOMICA DEL PROYECTO

Costos de O&M= 520,000,000

Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6

Consumo Propio de Energía - 1,265,175,744 1,341,086,289 1,421,551,466 1,506,844,554 1,597,255,227 1,693,090,541 Total Ingresos - 1,265,175,744 1,341,086,289 1,421,551,466 1,506,844,554 1,597,255,227 1,693,090,541 Adquisición de Equipos e Instalación 5,600,000,000 - - - - - - Costos de O&M - 520,000,000 551,200,000 584,272,000 619,328,320 656,488,019 695,877,300

Depreciación Equipos - - 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 Total Egresos 5,600,000,000 520,000,000 1,926,200,000 1,959,272,000 1,994,328,320 2,031,488,019 2,070,877,300 Flujo de Fondos (5,600,000,000) 745,175,744 (585,113,711) (537,720,534) (487,483,766) (434,232,792) (377,786,760) Impuesto a la Renta - - - - - - -

Flujo de Fondos Gravado (5,600,000,000) 745,175,744 (585,113,711) (537,720,534) (487,483,766) (434,232,792) (377,786,760)

Depreciación y Amortización - - 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 1,375,000,000 Flujo de Fondos Neto (5,600,000,000) 745,175,744 789,886,289 837,279,466 887,516,234 940,767,208 997,213,240 1,535,062,033 2,372,341,499 3,259,857,733 4,200,624,940 5,197,838,181




EVALUACION FINANCIERA Y ECONOMICA DEL PROYECTO

Vlr Presente Neto Año 7 Año 8 Año 9 Año 10 Año 11 Año 12 Año 13 Año 14 Año 15

1,794,675,973

1,902,356,532

2,016,497,924

2,137,487,799

2,265,737,067

2,401,681,291

2,545,782,168

2,698,529,098

2,860,440,844

1,794,675,973

1,902,356,532

2,016,497,924

2,137,487,799

2,265,737,067

2,401,681,291

2,545,782,168

2,698,529,098

2,860,440,844

11,853,806,422

-

-

-

-

737,629,938

781,887,735

828,800,999

878,529,059

931,240,802

987,115,250

1,046,342,165

1,109,122,695

1,175,670,057

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

2,112,629,938

2,156,887,735

2,203,800,999

2,253,529,059

2,306,240,802

2,362,115,250

2,421,342,165

2,484,122,695

2,550,670,057

16,615,441,232

(317,953,965)

(254,531,203)

(187,303,075)

(116,041,260)

(40,503,735)

39,566,041

124,440,003

214,406,403

309,770,787

-

-

-

-

(317,953,965)

(254,531,203)

(187,303,075)

(116,041,260)

(40,503,735)

39,566,041

124,440,003

214,406,403

309,770,787

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,375,000,000

1,057,046,035

1,120,468,797

1,187,696,925

1,258,958,740

1,334,496,265

1,414,566,041

1,499,440,003

1,589,406,403

1,684,770,787

6,254,884,216

7,375,353,013

8,563,049,937

9,822,008,678

11,156,504,942

12,571,070,983

14,070,510,986

15,659,917,389

17,344,688,176

17,344,688,176

80





CONCLUSIONES En la PTAR El Salitre es factible utilizar como alternativa de generación eléctrica la celda de combustible de tecnología MCFC, que puede generar una potencia aproximada de 0.7 MW, empleando la totalidad de biogás quemado en la Tea, supliendo de esta manera los requerimientos de demanda mínima de energía de la planta, con una potencia mínima de 0.6MW y con una potencia pico de 1,37MWh. Se seleccionó como alternativa para proveer energía a la PTAR, una celda de combustible de tecnología MCFC, de referencia 1MW-DFC® 1500, que emplea gas digestor como combustible, satisfaciendo de esta manera los requerimientos establecidos como objetivo en este proyecto. De acuerdo con el estudio de los proveedores el único fabricante que comercializa celdas de combustible para la capacidad de producción de la PTAR Salitre y con las especificaciones técnicas necesarias para la reformación del biogás es “Fuel Cell Energy.Inc”, quien además fabricó la celda de combustible para el “Proyecto de King County”. En Colombia no existe un caso con tecnología de celda de combustible instalada para suplir grandes demandas de energía, al día de hoy existen celdas de combustible para uso en transporte como una alternativa de energía limpia y eficiente, además la celda de combustible se perfila como una medida de reducción de emisiones de CO2 y producción de energía limpia; ya que evitaría emitir 5,26 Ton/año a la atmósfera. Además las emisiones de la celda de combustible son despreciables en comparación con las energías convencionales; CO<10 ppmv, NOx< 0.3 ppmv, SOx<0.01 ppmv [Fuel] La evaluación económica realizada para este proyecto en el primer escenario planteado muestra que la inversión puede ser recuperada en 14 años, y no es un proyecto rentable a mediano plazo, sólo sería rentable si los costos de O&M disminuyeran considerablemente. Respecto a la factibilidad económica es de resaltar que el avance comercial de la tecnología de celda de combustible influye en los costos de instalación y en los costos de O&M y aunque es claro que el proyecto no es factible a corto plazo, ya que la inversión inicial y los costos de O&M son demasiado altos, las posibilidades de realizar el proyecto en los próximos cinco años con resultados factibles serían positivas. Cabe aclarar que en la evaluación económica no se incluyó la posibilidad de vender certificaciones de reducción de emisiones, lo cual de ser factible, mejoraría la evaluación económica del proyecto, además la existe la posibilidad de cogeneración para mantener la temperatura de las calderas y utilizar así, el 20% del biogás en la generación de energía eléctrica.



La celda de combustible es una alternativa factible para generación distribuida en la PTAR El Salitre como autogenerador; de acuerdo a la CREG-Resolución 084/96. La energía excedente producida se puede catalogar en garantizada o no garantizada pero la CREG no ha establecido un límite de potencia máxima en el cual se pueda enmarcar un autogenerador o cogenerador para vender a la red como tal, auque para este caso existe una reglamentación para plantas con potencias efectivas menores a 10MW.




RECOMENDACIONES

Aprovechar el biogás quemado en la Tea para suplir las necesidades energéticas de la planta, por medio de una tecnología de generación como la celda de combustible para así obtener beneficios tanto en calidad de energía, como económicos y ambientales. Emplear el calor disponible en vapor producido por la celda de combustible que corresponde aprox. a 1.4 mm Btu/hr, y con cogeneración puede alcanzar una eficiencia energética cercana del 70%. La posibilidad de vender energía a la red de suministro eléctrico del país puede ser viable en la PTAR El Salitre, puesto que la planta está proyectando hacer una segunda fase para el tratamiento de aguas residuales, lo que significa que la cantidad de biogás producido aumentaría y así aumentaría la posibilidad de generar más potencia eléctrica. Si se implementa esta tecnología se recomienda gestionar el acceso a los incentivos de reducción de contaminación tramitados ante el Ministerio de Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, adicional a esto estudiar la posibilidad de vender bonos de emisión atmosférica a otros países en el marco del Protocolo de Kyoto, lo que generaría ingresos adicionales y mayores posibilidades de emprender la realización del proyecto. Existe la posibilidad de utilizar la pequeña proporción de hidrógeno (H) del gas metano ( CH4 ) que produce la PTAR, y no se consideró en el cálculo de hidrógeno (H) disponible para la eficiencia de conversión, lo que produciría mayor combustible para generar mayor Potencia eléctrica en la celda de combustible.




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ANEXOS



Anexo A Plano PTAR El Salitre. Bogotá D.C.




Anexo B Lista de Motores PTAR El Salitre




Lista de Motores de la PTAR El Salitre

EQUIPO QUE ACOPLA CANTIDAD POTENCIA TOTAL(KW)

POTENCIA (KW) VELOCIDAD

BOMBA AGUA DURA CALDERAS 1 0,11 0,11 1600

TORNILLO DOSIFICADOR POLÍMERO 1 0,14 0,14 1710

VENTILADORES AA 1 0,186 0,186 1725


REDUCTOR ARRASTRE CUCHARA 2 0,4 0,2 1740

ENRROLLADOR CABLE PUENTE DESARENADOR 1 0,44 0,44 1710

ARRASTRE POLIPASTO 2 0,5 0,25 1700 REDUCTOR ARRASTE

REJAS GRUESAS 1 0,6 0,6 3370

TORNILLO CLASIFICADOR DE

ARENAS 1 0,66 0,66 1685

ARRASTRE POLIPASTO 2 0,672 0,336 1700 ENRROLLADOR CABLE

PUENTE DESARENADOR 2 0,74 0,37 1670

SISTEMA TRANSLACIÓN BANDA 12T05 1 0,75 0,75 1730


MOTOR TALADRO DE ÁRBOL TALLER 1 0,75 0,75 1600

BOMBA ACHIQUE GASÓMETRO 1 0,75 0,75 1800

BOMBA LUBRICACIÓN COJINE INFERIOR 5 0,9 0,18 1680

VENTILADOR EDIFICIO TALLER 1 0,9 0,9 1700

SOPLADOR DE AIRE 4 1 0,25 3335

BOMBA DESTAPONAMIENTO

FLAUTAS 1 1,1 1,1 3450

REDUCTOR ELEVAMIENTO

CUCHARA 2 1,1 0,55 3320

TORNILLO 1 1,1 1,1 2700

VENTILADOR CALDERAS 1 1,1 1,1 1710




BOMBA RECIRCULACION AGUA 2 1,12 0,56 3500

AGITADOR POLIMERO 1 1,3 1,3 1700 AGITADOR UNIDAD PREPARACIÓN DE

POLIMERO 1 1,3 1,3 1715

BOMBA DE COMBUSTIBLE

RETORNO 4 1,48 0,37 2800

AGITADOR DE CAL 1 1,5 1,5 1700

COMPRESOR LÍNEA DE AIRE 1 1,5 1,5 3410

COMPRESOR AIRE 25 1 1,5 1,5 3410

BOMBA DE ACEITE 2 1,5 0,75 1800

BOMBA DE CAL 1 1,5 1,5 1700

BOMBA DE GRASA 7 1,75 0,25 1710

REDUCTOR RODILLO DE ARRATRE BANDA 1 1,8 1,8 1700

BANDA REJAS FINAS 1 1,8 1,8 1680 BANDA REJAS FINAS 1 1,8 1,8 1720

BOMBA COMBUSTIBLE CALDERA 2 1,8 0,9 1700

VENTILADOR COPRESORES BIOGAS 1 1,8 1,8 1600

FLOCULADOR FILTRO 5 1,85 0,37 1548 REDUCTOR SISTEMA DE

ARRASTRE 8 2 0,25 1200

BOMBA DESCARGA CLORURO 1 2 2 1700

BANDA 1 2,2 2,2 1730 MOTOR DE LEVANTE 1 2,2 2,2 3240 AGITADOR UNIDAD PREPARACIÓN DE

POLIMERO 1 2,6 2,6 1715

BOMBA HIDRÁULICA APERTURA Y CIERRE 4 2,6 0,65 1680

REDUCTOR 2 2,6 1,3 1710 BOMBA DE POLÍMEROS 5 2,75 0,55 1380 BOMBA CIRCULACIÓN

AGUA FRÍA 4 3 0,75 2840

BOMBA COMBUSTIBLE DIARIO 2 3,2 1,6 3450

BOMBA DE COMBUSTIBLE 2 3,6 1,8 1705




ROLDILLO ARRASTRE DE FILTRO 5 3,75 0,75 1680

BOMBA DE COAYUDANTE 7 3,85 0,55 1410

VENTILADORES AA 3 4,5 1,5 1725 BOMBA DE ARENAS 2 5 2,5 1115

REDUCTOR ARRASTRE 4 5,2 1,3 1700 BOMBA DE GRASAS 2 5,2 2,6 1715

BOMBA ACHIQUE DUCTOS ELÉCTRICOS 7 5,25 0,75 1750


BOMBA DE LODOS 1 5,5 5,5 1700

COMPRESOR EDIFICIO TALLER 1 5,5 5,5 3540

TORNO TALLER 1 5,6 5,6 1700

COMPRESOR 4 6 1,5 3410

BOMBA ACHIQUE 4 6 1,5 750

BOMBA AEROREFRIGERANTES

COMPRESORES DE BIOGAS

4 6 1,5 1700


BOMBA LUBRICACIÓN REDUCTOR 5 6,5 1,3 1700

BOMBA PRELUBRICACION 2 6,6 3,3 1420

VENTILADOR GASÓMETRO 2 6,6 3,3 3600

BOMBA DE POLÍMEROS 4 7,2 1,8 1685 BOMBA DE GRASAS 2 7,2 3,6 1725 BOMBA SISTEMA DE APERTURA Y CIERRE 1 7,5 7,5 1500

COMPRESOR SULALLER 1 7,5 7,5 1740 BOMBA DE ARENAS 2 9 4,5 1710

MOTOR UNIDAD HIDRÁULICA COMPUERTA

2 9,2 4,6 1735

BOMBA DE TODAS LAS AGUAS 3 10,8 3,6 1668

BOMBA RECIRCULACION LODOS 1 11 11 1740

COMPRESOR LÍNEA DE AIRE 2 13,2 6,6 1165




COMPRESOR LÍNEA DE AIRE 2 15 7,5 3506

BOMBA RECIRCULACION AGUA CALIENTE 2 15 7,5 1745

BOMBA RECIRCULACIÓN LODOS 1 15 15 1760

BOMBA LODOS PRIMARIOS 2 18 9 1740

BOMBA DE GRASAS 4 19,2 4,8 1730 VENTILADOR AÉROS 64 19,84 0,31 490

SOPLADOR QUEMADOR CALDERA 2 21 10,5 3500

BOMBA DE LODOS 4 22 5,5 1716

BOMBA RECIRCULACIÓN LODOS 2 22 11 1745

BOMBA AGUA INDUSTRIAL 2 22 11 1745

BOMBA RECIRCULACIÓN AGUA TIBIA 2 22,4 11,2 1710

BOMBA TODAS LAS AGUAS 2 24 12 1170

SOPLADOR AIRE PUENTE 7 25,2 3,6 3500

BOMBA DE GRASAS 4 26,4 6,6 1735 BOMBA DE LODOS 4 30 7,5 1700

BOMBA LODOS PRIMARIOS 2 36 18 1740

BOMBA 2 44 22 1745 AGITADOR POLÍMERO 1 55 55 1670

COMPRESOR 2 60 30 3570 AGITADOR LODOS 3 66 22 1773

BOMBA AGUA INDUSTRIAL 3 67,2 22,4 3540

BOMBA TODAS LAS AGUAS 3 111 37 1188

BOMBA AGUA POTABLE 4 140 35 3500 BOMBA DE AGUAS

LLUVIAS 2 172 86

BOMBA AGUAS LLUVIAS 2 172 86 880 COMPRESOR 4 188 47 885

BOMBA ELEVACIÓN DE AGUAS 4 598 149,5 1780

REDUCTOR TORNILLO DE ELEVACIÓN 5 1575 315 1785

TOTAL(kW) 3852,98





Anexo C Lista de Proveedores de Celdas de Combustible




Anexo D Recopilación de Información. Correos Electrónicos




Pregunta: -----Original Message----- From: Patricia Arévalo Sent: Tuesday, March 13, 2007 4:14 PM To: info account Subject: Fuel cell information Good afternoon The wastewater treatment plant "El salitre" in Bogotá- Colombia, is interesting to buy a Fuel cell with this characteristcs: Fuel: Anaerobic Digester Gas Flow fuel: 13.000 m3 daily Please send me the technical dates, the costumers, the rating power(ac) and ac/dc inverter. Thank you very much Att: Claudia Patricia Arévalo Bello De La Salle University

Respuesta: De: info account [email protected] Enviado el: Martes, 27 de Marzo de 2007 04:12:02 p.m Para: "patricia arevalo" <[email protected]> Asunto: RE: Fuel cell information Hello Claudia, Thank you for your interest in IdaTech and our fuel cell solutions. IdaTech's development and manufacturing efforts are focused on multi-fuel fuel processing, fuel cell module development and system integration. Our systems are based on PEM technology with outputs up to 15 kW for industrial remote, portable and critical backup power applications - we are no longer focusing on CHP products or residential units. IdaTech's PEM fuel cell solutions are designed to power applications in the 250 watt to 15 kW range. Based on the information in your email, there is not a fit with our technology at this time. Please visit our Web site periodically for new developments. Best regards, Amy Amy Clem Marketing Communications Manager IdaTech





Pregunta: -----Original Message----- From: Patricia Arévalo Sent: Wednesday, March 28, 2007 8:27 AM To: info account Subject: RE: Fuel cell information Amy I need the information of the cost per kW of fuel cell. Thank you very much Claudia Arèvalo B De La Salle University Respuesta: De: info account <[email protected]> Enviado el: Martes, 03 de Abril de 2007 12:08:34 p.m. Para: "patricia arevalo" <[email protected]> Asunto: RE: Fuel cell information Hello Patricia, The ballpark cost per kW for fuel cell power generators is in the US$5000 - $7000 range. Thank you, Amy




Pregunta: -----Original Message----- From: Patricia Arévalo Sent: Tuesday, March 13, 2007 3:17 PM To: Marketing; Materialproducts; Investors; Media Subject: FUEL CELL INFORMATION "The wastewater treatment plant" Greeting cordial The wastewater treatment plant "El salitre" in Bogotá- Colombia, is interesting to buy a Fuel cell with this characteristcs: Fuel: Anaerobic Digester Gas Flow fuel: 13.000 m3 daily Please send me the technical dates, the costumers, the rating power(ac) and ac/dc inverter. Thank you very much Att: Claudia Patricia Arévalo B De La Salle University Respuesta: De: Marketing [email protected] Enviado el: Miércoles, 14 de Marzo de 2007 10:21:17 a.m. Para: "patricia arevalo" [email protected] Asunto: RE: FUEL CELL INFORMATION "The wastewater treatment plant" Thank you for your email and interest in Ballard Power Systems.

Ballard Power Systems is recognized as the world leader in the design, development, and manufacture of zero-emission proton exchange membrane fuel cells. Ballard’s mission is to develop fuel cell power as a practical alternative to internal combustion engines through technology leadership and market focus. Our products are being sold to system integrators and original equipment manufacturers for integration into end-user products. These manufacturers - of cars, buses, lift trucks, back up power and cogeneration systems – will offer products to consumer and business markets, whether for demonstration purposes or sale.

At this time, we do not have any plans to develop fuel cell products for the market you specified.

Regards,

Marketing Department Ballard Power Systems






Pregunta: Von: [mailto:[email protected]] Gesendet: Mittwoch, 14. März 2007 18:19:55 An: Info Betreff: Fuel Cell Information Diese Nachricht wurde automatisch von einer Regel weitergeleitet. Greeting cordial The wastewater treatment plant "El salitre" in Bogotá- Colombia, is interesting to buy a Fuel cell with this characteristcs: Fuel: Anaerobic Digester Gas Flow fuel: 12.00 m3 daily Please send me the technical dates, the costumers, the rating power(ac) and ac/dc inverter. Thank you very much Att: Claudia Patricia Arévalo De La Salle University Respuesta

Nerlich Volker [email protected] Thu, Mar 15, 2007 at 3:29 AM To: [email protected] Dear Mrs Arevalo Bello Thank you for interest in a fuel cell system from Hexis. This system is designed to provide a single-family-home with power and heat. Its electrical output amounts to 1 kW and its thermal output to 2.5 kW. Another 20 kW will be completed by an additional burner. The system is operated with natural gas. You will find more information on our website www.hexis.com. Yours sincerely Volker Nerlich .


http://mail.google.com/mail/h/uo6iioa507sc/?v=b&cs=wh&[email protected]



http://www.hexis.com/



Pregunta: -----Ursprüngliche Nachricht----- Von: [mailto:[email protected]] Gesendet: Dienstag, 13. März 2007 22:57 An: Sulzer Communications Greeting cordial The wastewater treatment plant "El salitre" in Bogotá- Colombia, is interesting to buy a Fuel cell with this characteristcs: Fuel: Anaerobic Digester Gas Flow fuel: 12.00 m3 daily Please send me the dates, the cost of installation and cost O&M. Thank you very much Att: Claudia Patricia Arévalo De La Salle University

Respuesta:

Sulzer Communications [email protected] Wed, Mar 14, 2007 at 9:10 AM To: [email protected] Dear Ms. Arévalo, We acknowledge the receipt of your email. Sulzer is no longer provider of fuel cells. We have forwarded your request to Hexis, www.hexis.com. We expect they will be responding directly to you within the next days. Please feel free to contact us if you have any further questions. Kind regards, Your Sulzer Corporate Communications and Investor Relations Team Sulzer Ltd Corporate Communications and Investor Relations Zürcherstrasse 14, 8401 Winterthur, Switzerland Phone +41 52 262 20 22, Fax +41 52 262 00 25 http://mail.google.com/mail/h/uo6iioa507sc/?v=b&cs=wh&[email protected] http://www.sulzer.com/






http://www.sulzer.com/



Respuesta: Greg Bush <[email protected]> To: Claudia Patricia Arevalo Bello [email protected] Wed, Mar 28, 2007 at 11:41 AM Our demonstration project cost $23 million for design and construction. The cost breakdown was as follows: King County – project/construction management oversight, fuel supply, site work - $3 million US EPA - $8.5 million in federal grant funding Fuel Cell Energy Inc. - cost sharing arrangement for the remainder. This project was very expensive because it was a “first of it’s kind” design at the 1 MW scale utilizing digester gas. To purchase a similar power plant installed today would be approx. $5 million. Operation costs will be detailed in our final report (published in late May ‘07). However, a good gage of typical O/M expenses for a 1 MW power plant can be found by looking at the service agreement contracts Fuel Cell Energy has negotiated with a variety of customers. These agreements typically range just below $400,000 per year on a 5 year term. For greater details on service agreement O/M costs I would need to refer you to FCE staff. ________________________________________________ Gregory M. Bush Planning and Compliance Manager Wastewater Treatment Division, DNRP 206-684-1164 http://mail.google.com/mail/h/1p9okvf1j9o8m/?v=b&cs=wh&to=greg.bush@metr

okc.gov


http://mail.google.com/mail/h/1p9okvf1j9o8m/?v=c&d=u&n=3&th=1119b0520a3994c2#m_111996c3bb589b06


http://mail.google.com/mail/h/1p9okvf1j9o8m/?v=b&cs=wh&[email protected]

http://mail.google.com/mail/h/1p9okvf1j9o8m/?v=b&cs=wh&[email protected]



Anexo E Proyecto Demostrativo de Celda de Combustible




Anexo F Especificaciones Técnicas De La Celda De Combustible

DFC® 1500




Stationary Products DFC® 1500 1 Megawatt

Dimensions

Height 26.5'

Width 43'

Length 40'

Features Benefits

1000 kW net Clean energy

480 VAC, 50 or 60 Hz Efficient

By-product heat availability Easily sited

Modular and scalable

Quiet Operation

Internal fuel reforming

High-quality power

Few moving parts

Small package

Fuel-flexible

Emissions

NOx < 0.3 ppmv

SOx <0.01 ppmv

CO <10 ppmv

VOC <10 ppmv

Available Heat

Exhaust Temperature ≈650° F

Exhaust Flowrate

13,800 lbs/hr

Exhaust Heat Available

1.4 mm Btu/hr.

Customers with larger power requirements will look to FuelCell Energy's megawatt-class power plants to meet their needs. The single matched modular power plant contains four Direct FuelCell® stacks in a single power module. The field trial units have a nominal output of 1 MW, which can be used in a variety of small-to-medium commercial and industrial settings where power quality, reliability and possible cogeneration are important.

Fuente: Stationary Products. Fuel Cell Energy.Inc


http://www.fce.com/index.html�

estudio de prefactibilidad para la implementación de un

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