RECUPERACION ENERGÉTICA DE RESIDUOS PLÁSTICOS TIPO PETs EN UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA

Autores:

Alum. Julio Andrés Cáceres Vergara Alum. José Álvaro Santamaría Vargas julioandres81@hotmail.com jsantamariav@hotmail.com Alum. Johnson Guevara Mestanza johnsonmaximos@hotmail.com

Asesor:

Ing. Rodolfo Zamalloa López Profesor FIM - UNI

rzamalloa1@terra.com.pe

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

RESUMEN El PET* está caracterizado por su gran ligereza, alto grado de transparencia, brillo y es reciclable. Su empleo actual es diverso por su bajo costo, usado como envase de bebidas carbonatadas, aceite, aguas minerales, zumos, salsas, detergentes, productos para tratamientos agrícolas, filmes, etc. Los patrones actuales de consumo en Perú están orientados a una creciente generación de estos residuos, esto implica que hay una mayor demanda en la industria del reciclado. Entre los tipos de reciclado tenemos: el mecánico, el químico y la recuperación energética. En el presente proyecto presentamos una alternativa técnico-económica viable para la aplicación de estos residuos sólidos como combustibles en la generación eléctrica y cogeneración. Es importante resaltar que esta tecnología puede ser aprovechada por otros tipos de residuos con poderes caloríficos considerables. En muchos países de Europa se viene realizando estos trabajos, un ejemplo es el uso de residuos de filmes de polietileno provenientes de los invernaderos como combustible auxiliar en centrales termoeléctricas de carbón pulverizado. En cuanto al uso del PET como combustible alterno, los envases pueden emplearse para generar energía ya que este material tiene un poder calorífico de 6300 Kcal/Kg. La combustión controlada del PET en una caldera genera vapor sobrecalentado, luego ingresa a la turbina desarrollando trabajo sobre el eje. El vapor

* Tipo de plástico cuyo nombre técnico es el Polietileno Teraftalato, fue patentado como un polímero para fibra por J. R. Whinfield y J. T. Dickinson en 1941

saliente es condensado y bombeado nuevamente a la caldera completando así el ciclo. No es sólo una opción para tratar los residuos plásticos sino una alternativa para aprovechar energéticamente un recurso muy usado en la vida moderna.

ABSTRACT PETs are characterized by their great nimbleness, high transparency grade, shine and it is recyclable. Their use is diverse for its low cost, used as container of carbonated drinks, oil, mineral waters, juices, sauces, detergents, products for agricultural treatments, film, etc. The actual patrons of consumption in Peru are orientated in the generation of PETs’ residues; this implies that there is a bigger demand in the recycling industry. The types are three: mechanical recycling, chemist and energy recovery. This project presents a viable technical-economic alternative for the application of these solid residues as fuels in the electric generation and cogeneration. It is important to stand out that this technology can be used by other types of residues with considerable heating values. In many countries of Europe are carrying out these works, an example is the use of residues of polyethylene films coming from the hothouses like auxiliary fuel in central thermoelectric coal powered For the use of PETs like alternative fuel, the bottlings can be used for generating energy because this material has a heating value of 6300 Kcal/Kg. The controlled combustion of PETs in a boiler generates overheated steam; it enters to the steam turbine developing work on the axis. Water steam

1

that comes out is condensed and pumped again to the boiler so that it completes the cycle. It is not only an option for treating of plastic residues; it is an alternative for taking advantage as energy source of a resource very used in modern life.

INTRODUCCIÓN En muchos países de Europa se viene realizando la recuperación energética como opción de reciclado, un ejemplo es el uso de residuos de filmes de polietileno provenientes de los invernaderos* que son usados con éxito como un combustible auxiliar en centrales térmicas de carbón pulverizado. Una prueba industrial realizada en la Central Térmica Litoral de Almería (CTLA), perteneciente al Grupo español ENDESA, ha demostrado que la co-combustión de este polietileno degradado mantiene la eficiencia térmica de la planta, no provoca un aumento de los efluentes ni gaseosos ni sólidos al medio ambiente y no afecta en modo alguno al buen funcionamiento de la instalación. El proyecto fue iniciado y gestionado por el Grupo Español de Agricultura, Repsol Química, Ciba Especialidades Químicas y Dow Ibérica. La Asociación Europea de Fabricantes de Plásticos (APME) ha apoyado el proyecto, colaborando con financiación adicional para la evaluación de las emisiones. Los efectos, por lo general positivos, de la utilización de residuos de filmes plásticos agrícolas para sustituir el carbón ya se habían puesto de manifiesto en una prueba piloto y en los estudios de combustión en laboratorio realizados previamente. En esta prueba industrial, realizada en una central termoeléctrica de carbón pulverizado de última generación (550 MW de generación eléctrica), se inyectaron, durante los períodos de producción normal y máxima 203 TM de polietileno aglomerado, con un caudal de 3 TM/hora. El rendimiento de la Central se evaluó según los estándares normalizados, satisfaciendo tanto las regulaciones existentes como las recomendadas para este tipo de instalaciones. Las comprobaciones efectuadas demuestran que los residuos sólidos pueden seguir utilizándose según los procedimientos existentes en la Central. Una eficaz gestión integrada de residuos emplea la mejor combinación de planteamientos para un conjunto dado de condiciones locales. El resultado positivo de esta prueba demuestra que la recuperación energética en una central térmica se puede incluir con total garantía como una opción adicional dentro de un sistema integrado de gestión de residuos. * Fuente: APME “Recuperación Energética de Residuos de Filmes de Polietileno en Invernaderos: Co-combustión en una Central Térmica de Carbón Pulverizado” – Año 2004

Lo que se quiere obtener es un ahorro en el combustible usado en la central, reducir el volumen de los residuos plásticos y todo esto servirá como base para la aplicación en centrales termoeléctricas, hornos de cemento y en el diseño de calderas a base de residuos sólidos, etc.

DESARROLLO DEL TRABAJO OBJETIVOS Y METAS Impulsar una alternativa técnico-económica a la industria del reciclado y su participación en la sociedad a través de la generación eléctrica y cogeneración. Generar una opción de consumo de los residuos plásticos PETs frente al actual escenario de exportación de estos desechos en forma de Scraps (molidos) e insumo para las industrias textiles (fibra textil) y químicas (resina). JUSTIFICACIÓN Dentro de las estrategias de las 3R's (Principio de Minimización de residuos: Reducir, Reutilizar, Reciclar), existe la alternativa del aprovechamiento energético tal cual se aplica en diversos países. El PET es un polímero que está formado por átomos de Carbono e Hidrógeno, por lo cual al quemar los desechos de botellas previamente tratadas y acondicionadas en la caldera se generará en la combustión de los mismos principalmente dióxido de carbono y agua (CO2 + H2O) con desprendimiento de energía, la cual será aprovechada para generar vapor de agua sobrecalentado y operar un turbogenerador en la central termoeléctrica propuesta. Un Kilogramo de residuos plásticos tipo PETs libera una energía de 6300 Kilocalorías, muy cercano al poder calorífico que poseen otros combustibles derivados del petróleo. Respecto a las centrales termoeléctricas que operan con combustibles fósiles, se logra con esta propuesta disminuir el impacto a la salud de la población por menores emisiones de SO2 y reducir el impacto ambiental generado por gases que contribuyen al efecto invernadero, como el CO2. Asimismo el aprovechamiento de los residuos de PETs beneficia al ambiente al evitar que estos presionen con mayor carga de residuos a los rellenos sanitarios. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA De acuerdo a las Ley de Concesiones Eléctricas del Perú, el ejercicio de la Actividad Eléctrica puede ser desarrollado por personas naturales o jurídicas, nacionales o extranjeras, públicas o privadas, mediante concesiones o autorizaciones. Se requiere autorización cuando se desarrollan actividades de generación termoeléctrica

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independientemente del recurso energético primario, y la capacidad instalada sea igual o mayor a 0.5MW. El presente proyecto de la central termoeléctrica usando como combustible los residuos plásticos tipo PETs está comprendido dentro del alcance de esta Ley que impulsa y regula la diversificación de la oferta energética al mercado EL MERCADO DE RESIDUOS TIPO PETs La cantidad de residuos de PETs disponibles en el ambiente con opciones de realizar programas de reciclaje se muestra en la Tabla 1. Para obtener la

cantidad de volumen de PET en el ambiente como residuos se hace la diferencia, de lo que ingresa vía importaciones al mercado nacional y lo que sale al mercado del exterior como residuos, preforma y envases de bebidas gaseosas. Según la Tabla 1, el año 1996 ingreso 4,339 toneladas de preforma PET y ese mismo año se exportaron 96 toneladas de preforma de PET, quedando para el consumo nacional como 4,243 toneladas que se considera como un pasivo ambiental no aprovechado.

Tabla 1. Balance de generación de residuos PET

PET (RESINA Y PREFORMA) QUE INGRESA AL MERCADO NACIONAL

(TONELADAS)

PET (PREFORMA, ENVASE DE BEBIDAS GASEOSAS Y RESIDUOS) QUE RETORNA AL

MERCADO EXTERNO (TONELADAS) AÑOS

RESINA PREFORMA TOTAL RESIDUO PREFORMA ENVASE TOTAL

RESIDUOS PET EN EL AMBIENTE (TON/AÑO)

RESIDUOS PET EN EL

AMBIENTE (TON/DÍA)

1995 - 5,680 5,680 - - - 5,680 15.56 1996 - 4,339 4,339 - 96 96 4,243 11.62 1997 - 5,353 5,353 - 905 905 4,448 12.19 1998 14,373 9,528 23,901 - 1,119 1,119 22,782 62.42 1999 19,749 1,004 20,753 - 6,118 0.28 6,118 14,635 40.10 2000 33,039 178 33,217 53 12,972 13,025 20,192 55.32 2001 38,731 165 38,896 68 19,693 28 19,789 19,107 52.35 2002 41,454 407 41,861 91 27,979 108 28,178 13,683 37.49 2003 59,240 454 59,694 392 26,883 58 27,333 32,361 88.66

Jun-04 29,948 140 30,088 1,338 11,037 28 12,403 17,685 48.45 Fuente: CONAM (Consejo Nacional del Ambiente)

En conclusión, tenemos una tendencia creciente de la generación de residuos PETs en el país, por ejemplo, según datos del 2003, se tiene una generación de 32,361 Ton/año de este tipo de residuos, tal como se muestra en la Figura 1. Si consideramos como referencia los datos del 2003, se tiene que en promedio la generación nacional de residuos de envases de PET es de 88.66 Ton/día.

5,680 4,243 4,448

22,782

14,635

20,192 19,107

13,683

32,361

17,685

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Jun-04

Figura 1. Generación de residuos de PET (Ton / año)

FORMULACION DE LA HIPOTESIS La existencia de una disponibilidad de 88.66 TM/día de residuos de PETs a nivel nacional para ser aplicados a la recuperación energética del presente proyecto. Valor que considera el excedente en el mercado local respecto a la exportación. Contar con una adecuada cadena de acopiadores para el suministro oportuno de los residuos de PETs a la planta propuesta, logrando con ello un menor costo por unidad de energía. La necesidad de cubrir una demanda de energía eléctrica en regiones con oferta significativa. La necesidad de reducir emisiones de gases contaminantes al ambiente. La vigencia de la Ley de Concesiones Eléctricas referentes a la posibilidad de contar con personas naturales o jurídicas que puedan ofertar energía eléctrica al mercado. El contar con residuos PETs con un poder calorífico promedio de 6300Kcal/Kg. El impulso a la diversificación de la oferta energética que apoya el Ministerio de Energía y Minas del Perú.

3

DESCRIPCIÓN DE LOS PROCESOS EN LA CENTRAL El proceso se inicia en los lugares de acopio donde serán adquiridos los residuos PETs (con una demanda menor a 88.66TM/dia). Se contará con un almacén para residuos que garantice el continuo funcionamiento de la planta hasta por cinco (5) días, una trituradora que procesará los PETs en Scraps o Chips. Los Scraps serán llevados al combustor, con ayuda de una tolva de carga y es en la caldera donde se producirá el vapor sobrecalentado que irá a la turbina de vapor y accionará finalmente al generador eléctrico

Las cenizas de combustión que se producen en el combustor son llevados a un recuperador para un posterior enterramiento controlado. Los gases que salgan de la caldera pasarán a través de un filtro recolector de partículas y saldrán de manera limpia hacia la atmósfera. La caldera será del tipo acuotubular y con una eficiencia del 85%. La eficiencia térmica del ciclo de vapor Rankine con sobrecalentamiento será de 38% y la eficiencia de la planta será 26.6%. Veamos el diagrama de flujo de nuestra central mostrado en la Figura 2:

Figura 2: Diagrama de Flujo principal de la Central Termoeléctrica de Residuos Plásticos Tipo PETs

Almacenamiento de PETs

Caldera

Adquisición de Residuos Plásticos PETs

Molienda y trituración de los PETs

Tolva de carga al combustor

Combustor

Recuperación de Cenizas

Enterramiento Controlado

Turbina a vapor Filtro recolector de partículas

Generador Eléctrico

3

Gas limpio a la atmósfera

Ciclo de Vapor (Figura 3)

4

POTENT

CIA NERMOELÉCTRICA

a la ecuación para calcular

OMINAL DE LA CENTRAL

A continuación se muestrla Potencia Nominal de la Central Termoeléctrica propuesta:

)(8.859))()((

tnPCMP TOTAL

NOM =

Donde:

cia Nominal de la planta (MW) : M sponible

operación diaria de la central (Horas)

s ficiencias de la caldera, el ciclo térmico, la

.

En nuestro caso tenemos: 71TOT

estudio realizado por CONAM, la

antidad diaria de residuo PETs en el ambiente es

otal es del 26% n

eemplazando:

g

ión de Potencia Nominal se tendría:

Pnom: PotenM asa de residuo plástico diario diaproximadamente (TM) PC: Poder Calorífico del residuo plástico PETs (Kcal/Kg) nTOT: Eficiencia total de la central termoeléctrica t: tiempo de La eficiencia total de la central es el producto de laemecánica y la del generador:

nnn ..= GENMECCTCALDTOT nn

)97.0)(85.0)(3.0)(85.0(=n26.0=TOTn

De acuerdo alcde 88.6 TM. El poder calorífico de los PETs es 6300 Kcal/Kg. La eficiencia tEl tiempo de operación diaria de la planta es ehoras punta por 6 horas. R M=88.6 TM PC=6300 Kcal/Kn : 26% TOTt:

6 Horas

En la ecuac

MWP 8.28NOM = Estimando pérdidas y un margen de error en la

- 2 Centrales de 10 MW cada una da una

Escogemos la tercera opción debido a que existe un mercado con toda la cantid tral no es

ara una planta de 5 MW obtenemos la cantidad de

nal:

recolección de residuos PETs se tienen 3 opciones:

- Una central de 25 MW

- 4 Centrales de 5 MW ca

para los residuos PETs y contarad de residuos para nuestra cen

factible en una etapa inicial. CÁLCULO DEL CONSUMO DE RESIDUO PLÁSTICO TIPO PETs PToneladas diarias de residuos reemplazando en la ecuación de Potencia Nomi

)6(8.859)26.0)(6300)((5 M

=

TMM 747.15=

Tenemos un consumo di rio de 15.747 toneladas métricas de residuos y el c nsumo mensual será de:

ao

)1

30)(1747.15()(

mesdias

diaTMmesM =

mesTMmesM 42.472)( =

El consumo mensual es de 472.42 toneladas métricas.

allando el número de horas mensuales (T) que perará la central:

ENERGÍA MENSUAL PRODUCIDA Ho

)30(6 diashorasTmensual ⎟⎞

⎜⎛=

dia ⎠⎝

El número de horas mensuales es de 180 horas. La energía mensual producida es el ucto de la

horasTmensual 180=

prodpotencia nominal con el n ero de horas:

úm

)180)(5000( horasKWE =

KWhE 900000=

5

COSTO MEDIO DE LA CENTRAL ERMOELÉCTRICA

l costo medio de una central termoeléctrica esta

os datos estadísticos para una central

a 2: Valores típicos para calcular el costo fijo

T Edefinido por la suma del costo fijo y el costo variable. Ltermoeléctrica se muestran en la Tabla 2:

TablCosto KW instalado $250 / KW Interés 10% Gastos operativos 2% Gastos mantenimiento 5% Tasa de depreciación 4% Vida Media estimada 25 años

Fue moeléct ng. Zamalloa Usand aci ual:

nte: Curso Centrales Ter ricas, I

o la fórmula de depreci ón an

112

−⎟⎞

⎜⎛ +

tTd2 ⎠⎝

=D

Donde: DT: depreciación anual d: tasa de depreciación

edia estimada

mula los valores de la tabla ón anual:

d

t: vida m Reemplazando en la fór2 hallamos la depreciaci

1204.01

)25(2

⎟⎞

⎜⎛ +

=TD 04.0

−⎠⎝

%36.2=TD

La tasa anual aplicable al costo de energía en un año será:

tasa %36.2%5%2%10 +++=T

%36.19=Ttasa

Hallamos también el núm o de horas que trabajará la central en un año

er

( )mesesmesdia

Tanual 12⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ diashoras 06 3⎟

El costo fijo (CF) de la central termoeléctrica en un ño se calcula de la siguiente manera:

⎠⎞

⎜⎝⎛=

horasTanual 2160=

a

( )( )))((

)(/$

anualNOM

NOMT

TPPKWtasaCF =

Reemplazando tenemos:

( )( ))2160)(5000( K

)5000(/250$%36.19hrsW

KWKWCF =

KWhCF /0224.0$=

Usando un factor de conversión expresamos el costo fijo en dólares americanos por M -Hr: W

KWhMWhKWhCF

1000/1/0224.0$

=

MWhCF /4.22$=

Teniendo como referencia que el precio medio

M) del precio de la energía que ti na central milar a vapor es de $29/MWh, podemos hallar el

ene u(C

sicosto variable (CV)

CVCFCM +=

CVHrMWHrMW +−=− /4.22$

6$

/29$

MWhCV /6.=

partir de estos cálculos se obtiene el precio que se uede pagar por el residuo plástico, ya que el costo ariable (CV) es la multiplicación lo que cuesta

Apv deuna tonelada de residuo PET por la cantidad que necesitará la central al mes y todo ello dividido entre la cantidad de energía generada al mes.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟

MWhh

mesKWh 1900000

⎠⎞

⎜⎝⎛

=KWmes

TMTM

X

CV 1000.

42.472$

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=MWh

KWh

mesKWhmes

TMTM

X

11000.

900000

42.472$

6.6

TMX /57.12$=

6

Sabiendo que el costo en mercado de los residuos plásticos es más alto, se pretende conseguir este

recio contando con propios acopiadores y reducir

O DE VAPOR a minicentral a vapor está basada en el Ciclo ankine Sobrecalentado, y tiene cuatro (4)

bina,

el

pcostos procesando el PET en una trituradora y molino que tendrá la central. PARÁMETROS DEL CICLLRcomponentes principales: caldera, turcondensador y bomba mostrados en la Figura 3:

Figura 3: Ciclo de vapor de la planta

Los cálcul programa

ERMOGRAF*. Este ci o simple de vapor se ha sado como punto de partida para nuestro cálculo

las guras 4, 5, 6 y 7 (los datos se han tomado de

os se realizaron usando el T clusabiendo que posibles variaciones en sus parámetros y diseño, incrementan su eficiencia. Las variables de estado se muestran tabla 3 y los procesos del ciclo termodinámico están en fiacuerdo a estándares y referencias técnicas para este tipo de centrales)

Tabla 3. Variables de estado Estado Presión (MPa) Temperatura (ºC)

1 0.01 45.76 2 .17 4.00 503 4.00 510 4 0.01 45.76

* Software Termograf, es una herramienta didáctica con un alto grado de Interactividad, diseñada con criterios didácticos acordes con un marco constructivista, que permite analizar la mayoría de los conceptos correspondientes a un curso de Termodinámica y Termodinámica Técnica. Está desarrollado con Java y su código permite elegir diversos modelos (gas perfecto, gas ideal y sustancia real) y numerosas sustancias, visite http://termograf.unizar.es/

Figura 4: Proceso 1-2

Figura 5: Proceso 2-3

Figura 6: Proceso 3-4

7

Figura 7: Proceso 4-1

Veamos los balances: Balance 1-2:

Balance 2-3:

Balance 3-4:

Balance 4-1:

La eficiencia del ciclo térmico es:

nt = 1 – ( |Q VC 4 1 | / |Q VC 1 2 |)

n 470.57| 72|)

n = 37.1 % El diagrama T-S que se tiene se muestra en la figura 2:

t = 1 – ( |8 / |134

t

Figura 8: Diagrama T-S de l ciclo de vapor de la central Dibujado y modelado en TERMOGRAF

Los cálculos de cada pr so y del ciclo fuerondes

l flujo másico considerado es de 4.14 Kg/s

oce arrollados con ayuda del TERMOGRAF

E La eficiencia del ciclo térmico es de 37.1 %.

8

POTENCIALES BENEFICIARIOS

a población de una determinada región o rovincia donde se instale la central de generación rmoeléctrica, en su defecto se puede vender la

do.

(textil,

DOS

partir de la cantidad que se puede recolectar se obtiene una poten MW.

a recolección de estos residuos tiene un mercado opado y asimilarse al mercado de acopiadores

s PETs

GWh

producida está dentro del

M.

CONCLUSIONES

El uso de los PETs e en aumento y como consecuencia de ello la cantidad de los residuos generados se incrementan.

ste tipo de centrales puede adaptarse a otros tipos

por Kilovatio instalado

teado es posible trabajar dentro

tral termoeléctrica semejante de

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Sistema de Quema de Residuos Municipales para Gene ma”; XIII Reunión del Congre Nacional de Ingeniería Mecánica Eléctrica y Ramas Afines (XIII

Masivo” ONAM – IPES 2003

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eglamento de la Ley General de Residuos Sólidos

Lpteenergía generada al sistema interconectaComo alternativa se plantea la recuperación energética de los PETs y aprovechamiento del vapor que pueda ser instalada bajo el esquema de cogeneración en una industria de procesosde alimentos, química, etc.)

RESULTA A

cia nominal de 28.8Lcpuede llevar cierta cantidad de tiempo. La cantidad de toneladas métricas de residuoes de 15.747 en un mes. El número de horas de trabajo al día es de 6 horas. La energía mensual producible es de 0.9De acuerdo a los datos estadísticos que se tienen el costo medio de energía rango de tarifas eléctricas de centrales de ciclosimple. El cálculo termodinámico del ciclo de vapor se agilizó debido al uso del Software TERMOGRAF. El costo de residuo plástico tipo PETs es $12.57/T

sta

Ede residuos sólidos con poderes caloríficos relativamente altos. Las estimaciones en el costoestán dentro del margen de trabajo en centrales termoeléctricas. De acuerdo a lo plandel mercado eléctrico con tarifas que se adecuan y hacen competitiva a esta central propuesta frente a otro tipo de cenciclo simple.

“rar Energía Eléctrica en la Ciudad de Li

so

CONIMERA); Manuel Luque Casanave; Lima-Perú, 1999. “Diagnóstico Situacional y Propuestas de Gestión y Manejo de los Empaques Rígidos para Productos de ConsumoC Fundamentos de Ingeniería Termodinámica Gordon Van Wylen, 19 RNº 27314 en el Perú 2004

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