Universidad de Buenos Aires Facultad de Ingeniería 72.99 – Trabajo Profesional de la Ingeniería Industrial Título “Tratamiento de residuos y aprovechamiento de biogás para calefacción y generación de energía” Integrantes: Franco Borrello Marina Florencia Solanas Padrón Nº: 85.251 Padrón Nº: 85.960 Profesor Adjunto: Gerardo Bonanno JTP: Manuel Aranda Docente: Fernando Dobrusky Fecha: Agosto 2011
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Universidad de Buenos Aires
Facultad de Ingeniería
72.99 – Trabajo Profesional de la
Ingeniería Industrial
Título
“Tratamiento de residuos y aprovechamiento de
biogás para calefacción y generación de energía”
Integrantes:
Franco Borrello Marina Florencia Solanas
Padrón Nº: 85.251 Padrón Nº: 85.960
Profesor Adjunto: Gerardo Bonanno
JTP: Manuel Aranda
Docente: Fernando Dobrusky
Fecha: Agosto 2011
72.99 Trabajo Profesional de Ingeniería Industrial Franco Borrello – Marina Solanas Agosto 2011
72.99 Trabajo Profesional de Ingeniería Industrial Franco Borrello – Marina Solanas Agosto 2011
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El player de mayor peso en el procesamiento de ovoproductos y su posterior
exportación es Ovoprot Internacional S.A., una firma de origen austríaco asociada
con capitales argentinos desde el 2002. Decidió localizarse en Argentina debido a la
calidad de los productos, el óptimo status sanitario y la posibilidad de crecimiento2.
"Ovoprot compra todo el año, independientemente del vaivén que pueda tener el
mercado interno3”. Esta empresa no realiza la crianza de gallinas, por lo que es
compradora neta de producto, y tiene capacidad para procesar todo el volumen que
resulte del crecimiento de la producción.
La industrialización del huevo y la posterior exportación parece ser la
mejor alternativa ante posibles nuevas inversiones o crecimiento del
sector.
Con la ventaja del tipo de cambio y la creciente demanda de huevos
Argentinos en el exterior, los productores de huevos con cáscara con
capacidad de exportación, encontrarán en ella una mejor opción.
Conclusión: Gracias a estos dos mecanismos de escape de la producción hacia
la exportación y un escenario optimista en cuanto al gran crecimiento proyectado
de la demanda local, proyectamos que toda la producción de la empresa en
cuestión será absorbida durante los próximos 10 años.
Mercado local de la Energía Eléctrica
Se muestra que las condiciones del mercado son favorables para realizar
inversiones en abastecimiento de Energía Eléctrica. Los costos proyectados de este
insumo hasta el año 2021 significarán flujos positivos para la empresa en caso de
desarrollar el proyecto.
Oferta y Demanda de Energía Eléctrica
Se ha validado en primer término la relación que existe entre la demanda de la
energía eléctrica y el PBI, realizando una regresión lineal entre estas variables,
obteniendo un resultado de
R2=0,983. Esto se explica debido
a que este insumo se requiere y
utiliza para casi toda actividad
económica.
A partir de esta regresión, se
han utilizado estimaciones
públicas y privadas, tanto
nacionales como internacionales,
del crecimiento del PBI en
Argentina para obtener la demanda eléctrica hasta el 2021. Estas estimaciones
prevén un crecimiento de la economía argentina entorno al 6,5% en el año 2011,
2 Entrevista a Santiago Perea Amadeo, Director de Ovoprot Internacional S.A., agosto 2006. 3 Fabián Walker, gerente industrial de Ovoprot Internacional S.A., enero de 2007.
-12,0%
-7,0%
-2,0%
3,0%
8,0%
Demanda Energía Eléctrica vs. PBI
EE PBI
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tendiendo a un 4,5% para el mediano plazo. El crecimiento de la economía mundial
en los próximos 10 años está previsto en el orden del 4% anual4.
Precios de la Energía Eléctrica
Teniendo en cuenta los diferentes tipos de generación existentes y sus costos, se
ha proyectado el precio Spot de la energía eléctrica, es decir el precio pagado a las
generadoras, considerando que:
El cubrimiento de la demanda se realiza mediante centrales de Base
(hidroeléctricas, nucleares) de bajo costo variable, y centrales de Pico
(térmicas) de alto costo variable. Los excedentes de demanda se cubren con
importación, de altísimo costo debido a que se compran a precios
internacionales.
La evolución del precio Spot de la energía eléctrica tiene una estrecha relación
con la demanda cubierta por generación térmica e importación (regresión lineal
con R2=0,825).
Se ha calculado la generación necesaria de térmica e importación restándole a
la demanda proyectada, los proyectos (tanto en marcha como planificados) de
centrales nucleares e hidroeléctricas. Estas obras son planificadas y ejecutadas
con plazos de hasta 10 años debido a su magnitud.
El precio monómico estacional de la energía, es decir el que efectivamente pagan
los consumidores, es más bajo que el Spot, debido a los subsidios al consumo
aplicados por el Estado.
En un marco de creciente
gasto público y superávit
fiscal y comercial cada vez
más estrechos, hemos
considerado, como hipótesis
pesimista, que el Estado
continuará cubriendo el
mismo porcentaje del costo
de generación que en el
presente (68% del precio
Spot). Bajo esta hipótesis, las
variaciones del precio Spot de
ahora en más se verán en
parte reflejados en el
monómico estacional.
Conclusión: Las condiciones del mercado son favorables para realizar
inversiones en el abastecimiento de Energía Eléctrica. Se estimaron los
precios que deberá pagar la empresa por KWh consumido en su proceso productivo
hasta el año 2021. Estos generarán los flujos de fondos positivos que deberán
tenerse en cuenta para realizar la viabilidad económico-financiera del proyecto.
4 World Economic Outlook, FMI, mayo de 2011.
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Precios Monómico y Estacional
Precio Spot [$/kWh] Precio Estacional [$/kWh] Cubrimiento del Precio [%]
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Maíz59%
Expeller de Soja20%
Pellets de Girasol
7%
Harina de Carne4%
Conchillas10%
Otros < 1%
Composición del alimento de las gallinas
Situación Actual de la Granja
El predio tiene 11 hectáreas, de las cuales 4
son ocupadas por 8 galpones para producción
del tipo feed lot con 90 mil gallinas ponedoras
(100 mil a fin de 2011), una sala de recría
(gallinas de entre 0 y 6 semanas) y un galpón
de recría (gallinas entre 6 y 14 semanas). Cada
gallina ponedora (de más de 14 semanas) pone
un huevo por día, el 75% de los días. La granja
cuenta en cada uno de los galpones con 2 pisos
de jaulas, dispuestas piramidalmente.
Dentro de los principales insumos de la
granja, encontramos:
Alimentos de las gallinas
Agua
Energía eléctrica
Gas para calefacción
Cal para el secado del guano
Alimento de las gallinas
1. Molienda: El maíz, la soja y el girasol
deben pasar por un proceso de molienda.
2. Mezcla: Luego se agrega el resto de
los componentes y se mezclan.
3. Transporte: Al silo fuera del molino,
por medio de tornillos sin fin.
4. Carga: a un camión que lo transporta
hasta el silo del galpón correspondiente.
5. Silos de galpones: desde cada silo se
cargan los llenadores, los que a su vez
llenan los comederos.
Un galpón de producción en la granja. –
Mayo de 2010.
Esquema del Proceso del Alimento para las Gallinas
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Agua
Es de pozo y no recibe ningún tratamiento.
Se almacena en un tanque principal y se transporta de forma subterránea
a los tanques de cada galpón.
El llenado del tanque principal es la única parte del proceso que requiere
energía eléctrica, para las bombas.
En caso de cortes en el suministro, se debe recurrir a los bomberos para
que efectúen al menos 3 cargas del tanque por día, debido a que las
gallinas se mueren rápidamente si no reciben agua en 24 hs. Este
problema se acentúa en verano, cuando aumenta el consumo de agua.
Energía Eléctrica
Además del llenado del tanque, y el procesado del alimento, la granja utiliza el
suministro de energía eléctrica para:
Ventilación de algunos galpones
Iluminación de los galpones (estímulo para el aumento de la producción y
al ciclo de maduración de las aves)
Iluminación en oficina, almacén y predio
Recolección de huevos en galpón automatizado.
Detalle de los consumos de energía eléctrica a marzo 2011:
Consumo Cantidad Potencia (KW) Total (KW) Total Kwh/día
Molino 1 22 22 66
Mezcladora 1 13 13 6,5
Alimentadores (de mezcladora) 2 2,2 4,4 2,2
Transportadores (balanza) 1 1,5 1,5 0,75
Transportadores (silos de alimentos) 2 1,5 3 3
Chimangos (carga en los silos) 2 3,7 7,4 7,4
Chimangos (descarga de los silos) 2 2,2 4,4 4,4
Transportadores (galpones) 8 0,75 6 6
Ventiladores (galpones) 12 0,75 9 27
Línea de recogida automatizada 1 3,3 3,3 39,6
Lámparas 670 0,04 26,8 107,2
Sala Administración 1 1 1 9
Total 279,05
El consumo de la granja se encuentra entre los 7.500 y 8.500 KWh/mes, según
sus facturas, por un monto entre $3000 y $4000.
En octubre de 2010 se compró un equipo electrógeno, para reemplazar a la red
en caso de cortes de suministro y existan inconvenientes para que los bomberos
acudan a llenar el tanque. El valor de este equipo fue de USD 5.000.
Gas de garrafa
Se utiliza para la calefacción de la sala de recría y los
edificios administrativos. El tanque es de 1760 kg se llena
cada 2 meses en promedio.
Tanque de gas en la granja. –
Mayo de 2010.
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Picos de guano en un galpón. – Mayo de
2010.
Cal
Se utiliza en la gestión actual de los
residuos, ya que ayuda a que se formen
picos con el guano, secándolo. Así, se
reduce el olor y se mata la mayor parte
de las larvas de moscas. El problema de
las moscas, roedores y otras plagas son
los principales problemas que causa el
guano de las gallinas. Esto afecta a los
trabajadores y a las comunidades
cercanas. Con la cal sólo se logra controlar
pero no erradicar este problema.
Guano
Las gallinas producen en promedio 90 gramos de guano por día, lo que equivale
a 9 toneladas con 100 mil gallinas en producción.
La actual gestión de este residuo consta de las etapas:
1. Arrojado de cal: Los galponeros la esparcen entre 1 y 2 veces por
semana. Se compran entre 5 y 6 toneladas de cal por mes. El precio es
de $1000 la tonelada.
2. Recolección con carretillas y colocado en el camión: Se contratan
entre 35 y 50 camiones. Se ocupan 4 días de trabajo por galpón cada 10
días, dependiendo de la capacidad del camión. Está incluido el servicio de
paleo del guano con cada camión.
3. Transporte: con el camión a la zona del predio destinada al guano.
Se observa que este proceso de tratamiento y gestión de residuos no cumple con
algunos artículos que establecen la Resolución 614/1997 y 542/2010 del SENASA.
En cuanto a las leyes de tratamiento y disposición final de residuos en la
Provincia de Buenos Aires, según expertos en el tema “nos encontramos en un
vacío legal respecto de cómo considerar este tipo de residuos agrícolas”. El mismo
puede ser tomado como industrial, patogénico o especial, y por ende puede ser
encuadrado en diferentes legislaciones. Sin embargo, el residuo no tratado no
cumple con la normativa, más allá del tipo que sea considerado. En todos los casos
no respeta los máximos tolerables ni los métodos de tratamiento y disposición final.
La gestión actual de residuos está causando los inconvenientes mencionados en
la presente introducción, los cuales están generando preocupaciones a los
gerentes y socios de la empresa. Ellos desean solucionar este aspecto
inmediatamente, y son conscientes de que se deberán realizar inversiones
para garantizar el futuro del negocio.
Conclusión: Siendo la gestión actual de los residuos el principal problema que
podemos destacar de las operaciones de la empresa, se agrega la fuerte
dependencia de la energía eléctrica de los procesos de molienda del alimento y el
suministro de agua a las gallinas y del gas de garrafa en el caso del proceso de
recría.
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Análisis de las Alternativas
Para dar solución a los problemas en los que se hizo foco, se estudiaron las
alternativas posibles, analizando el Estado del Arte del sector agropecuario tanto en
la Argentina como en el exterior, y consultando bibliografía y expertos en el tema.
El método usual de gestión de residuos en todo el sector avícola en la Argentina
es muy similar al de la granja en estudio. En el exterior existen métodos modernos
y poco costosos para el tratamiento del guano que no han sido difundidos aun en el
país.
Las alternativas desarrolladas fueron:
1. Tercerización del sistema de tratamiento y disposición final: Una empresa se
hace cargo de la gestión integral de los residuos. Puede ser tanto en estado
sólido o líquido. No se utiliza en la Argentina debido a altos costos y pocos
controles.
2. Laguna aeróbica o de estabilización: Construcción de un estanque aislado
donde se tratan los residuos naturalmente. Alternativa simple, pero tiene
costos de inversión y palia los problemas ambientales sólo parcialmente.
3. Biodigestor anaeróbico: Consiste en un reactor del tipo “laguna cubierta”
dentro del cual se trata la materia orgánica mediante un proceso
microbiológico, en ausencia de oxígeno. Es la alternativa más moderna y
costosa, pero se eliminan los problemas ambientales totalmente, además de
obtener un beneficio aprovechando el biogás obtenido como combustible.
Alternativa 1 2 3
Inversión Necesaria
[USD]0 40.000 120.000
Costos [USD/año] 116.000 0 6.500
¿Cumple Normativa? SI SI SI
VentajasDisposición final fuera del
establecimientoBajo costo operativo Bajo costo operativo
No se requiere inversión
inicial
Se eliminan plagas y
patógenos
Se eliminan plagas,
patógenos y olores
Generación de
electricidad y gas
"Imagen verde" como
ventaja competitiva
DesventajasAltísimos costos
operativos
Importantes costos de
inversiónAltos costos de inversión
Emisión de olores
Análisis de Alternativas - Resumen
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Luego de desarrollar todas las alternativas posibles, se realizó un cuadro de
decisión (ponderación de factores) teniendo en cuenta las soluciones, costos y
ahorros que cada alternativa provee a la granja.
Atributo Ponderación 1 2 3
Contaminación Suelos/Agua 60% 5 3 5
Contaminación Aire 40% 5 1 4
Sub-Total Ambiente 5,0 2,2 4,6
Inversión Necesaria 30% 0 -2 -5
Costos de mantenimiento 40% -5 -1 -2
Sustitución de Energía 30% 0 0 5
Sub-Total Costos -2,0 -1,0 -0,8
Puntuación Total 3,0 1,2 3,8
Cuadro de Decisión de Alternativas
Conclusión: Se optó finalmente por la tercera alternativa. La misma cumple
todos los requerimientos ambientales, soluciona los problemas políticos, sociales y
legales, y la inversión necesaria y los costos son aceptables. Se desarrollará la
tecnología a utilizar para esta tercera alternativa y se evaluará económica y
financieramente tanto la alternativa 1 como dos variantes de la 3.
Ingeniería del Proceso
La tecnología a utilizar para la tercera alternativa seleccionada, consta
principalmente de un reactor anaeróbico llamado biodigestor, dentro del cual,
mediante un proceso bacteriológico, se transforma la materia prima, denominada
sustrato, en un gas pobre aprovechable energéticamente, llamado biogás, y un
efluente líquido con materia orgánica estabilizada, denominado digestato.
Esquema del Proceso de Producción de Biogás y Aprovechamiento
Energético en la granja
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El proceso de digestión anaeróbica consta de las siguientes etapas:
Transporte, almacenamiento y pre-tratamiento del sustrato
La selección y los criterios de transporte y almacenamiento tienen en cuenta
variables del sustrato como la viscosidad, la cantidad y tipo de sólidos que contiene
y los caudales a ingresar.
En este caso se ha optado por su transporte en estado sólido hasta una cámara
de pre-tratamiento cercana al biodigestor, debido a la facilidad de manipuleo. Se
retirará diariamente el contenido de un galpón, por lo que la cantidad de residuos
transportado será la de 8 días de postura (9 toneladas diarias).
Dentro de la cámara se mezcla el sustrato con agua obtenida de pozo mediante
una bomba. Esto se realiza con el fin de obtener una relación sólidos / agua óptima
para su transporte y favorecer el contacto anaeróbico (entre sustrato y bacterias)
dentro del biodigestor.
La cámara se ha dimensionado con una capacidad almacenamiento de 5 días
como buffer del proceso y previendo el volumen a almacenar durante la parada por
mantenimiento de uno de los biodigestores. Cada biodigestor se alimentará
diariamente con esta mezcla mediante una bomba.
Digestión anaeróbica
Se ha elegido un proceso anaeróbico continuo de 1 etapa (2 biodigestores), con
fermentación húmeda.
Los reactores serán del tipo “fosa cubierta con lámina plástica”. Para su
dimensionamiento se han tenido en cuenta variables operativas clave del proceso,
como el tiempo de retención y la velocidad de carga orgánica. Estas dos variables
se relacionan entre sí y con
la cantidad y tipo de
sustrato disponible, además
de con otras variables como
la temperatura de trabajo.
Se ha decidido trabajar a
temperatura ambiente
(18°C, debido a la aislación
lograda por el suelo) y el
tiempo de retención será
de 50 días. El volumen de
los reactores suma 1774
m3.
Salida, acondicionamiento y almacenamiento del biogás
El almacenamiento del biogás se realiza dentro del reactor, el cual puede estirar
y retraer su membrana plástica. La misma funciona casi a presión atmosférica (+35
mbar), por lo que no existe riesgo de explosiones.
Las cañerías de conducción de biogás son instaladas sobre el suelo.
Vista de las instalaciones que componen una planta
de Biogás.
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Debido a que el biogás obtenido contiene
diferentes impurezas, antes de la utilización del
mismo se deben realizar los tratamientos de
deshumidificación, mediante una trampa de vapor,
y un filtro metálico de remoción de H2S.
El fabricante del motor asegura el correcto flujo
de entrada de biogás así también como el control
de las variables de entrada del mismo al
generador.
Salida y disposición final del digestato
Por medio de una bomba, se extrae la misma cantidad de digestato como
sustrato se ha ingresado al reactor, asegurando el tiempo de retención o
permanencia del sustrato dentro del biodigestor.
Se lo almacena en una laguna descubierta, aislada
del suelo por medio de una membrana de PVC similar a
la utilizada para el reactor. Luego es regado al predio
por medio de una bomba estercolera y un regador.
Para todos los componentes de la instalación, la
obra civil será realizada con mano de obra local,
mientras que la planta de biogás con todos sus
componentes será provista por un proveedor con
experiencia en el campo de las plantas de biogás.
Aprovechamiento del biogás. Motor generador
Se escogió para la instalación del sistema de generación eléctrica a un proveedor
con más de 1.200 motores generadores a biogás instalados alrededor del mundo. A
pesar de que existen alternativas más baratas, se escogió ésta debido a la
simplicidad y fiabilidad, por lo que la granja no deberá invertir tiempo ni recursos
en la instalación del sistema. La fiabilidad es muy importante ya que proveerá a
toda la granja de la electricidad para sus operaciones.
El motor escogido es de 64 Kw y está sobredimensionado en un 28% previendo
futuras ampliaciones.
Esta empresa ofrece el sistema bajo la modalidad “llave en mano”, encargándose
de todo el proceso de diseño, instalación, puesta en marcha, capacitación y plan de
mantenimiento del sistema. El motor generador es montado dentro de un
contenedor con todos sus dispositivos instalados, por lo que no requiere obra civil
alguna.
La instalación se conecta a la red interna, y mediante un interruptor se deja la
alimentación de red externa como back-up.
Aberturas en la lámina plástica y
sistema de tuberías elevado en
planta de biogás
Laguna descubierta con
aislamiento
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Descripción Unidad CantidadCantidad
proyectada
Gallinas unidades 90.000 100.000
Materia prima para carga (MPC) kg/día 8.100 9.000
Tiempo de retención días 50 50
Volumen requerido fosa del biodigestor m3 1.596 1.774
Cantidad biodigestores unidades 2 2
Volumen de Biogás producido m3/día 648 720
Cantidad de gasómetros unidad 2 2
Volumen gasómetro / lámina expandida m3 600 700
Volumen cámara de carga m3 160 177
Volumen fosas lagunas de lodos m3 958 1.064
Biogás pobre -
Cant. Proy.
Biogás bueno -
Cant. Proy.
Cantidad de biogás a utilizar para demanda m3/día 41 31
Biogás requerido para generación de energía eléctrica m3/día 648 639
Sobrante biogás m3/día 31 50
Resumen Dimensionamiento
Control y seguridad
Las variables que se controlarán para asegurar el buen funcionamiento del
proceso son la temperatura y el pH dentro del reactor y el motor, el volumen y la
composición del biogás producido y el caudal de entrada de sustratos. Los
dispositivos de control se conectan a una terminal de computadora para su
monitoreo constante.
Los dispositivos de seguridad de la instalación son:
Válvula de seguridad del biodigestor (escape de biogás por presión)
Trampa de llama en el biodigestor
Antorcha
Sensor de vacío dentro del motor
Todos los dispositivos mencionados son provistos por los fabricantes.
La puesta en marcha de la planta se realiza en aproximadamente 90 días.
El plan de mantenimiento no requiere un alto costo ni complejidad técnica. Sus
principales tareas serán realizadas por los galponeros de la granja en el caso de la
planta de biogás, mientras que las hará el Ingeniero en el caso del generador. No
se requerirá personal adicional.
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Distribución en planta y vista aérea de la nueva instalación:
1. Cámara de mezcla y almacenamiento 2. Biodigestores 3. Laguna de disposición del digestato 4. Motor generador 5. Tablero eléctrico 6. Espacio para futuras ampliaciones
7. Sistema de riego del digestato 8. Antorcha de seguridad 9. Cañerías de biogás a calefacción 10. Cañerías de entrada al biodigestor 11. Líneas de transmisión eléctrica 12. Calle de tierra
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Análisis Económico - Financiero
Se estudiaron tres alternativas para hacer frente al principal problema de los
residuos y, eventualmente, la autosuficiencia energética y de gas de garrafa.
Respecto del análisis de las alternativas, las mismas serán la número 1 y dos
variantes de la 3.
Para evaluarlas, se calculó el VAN de cada una, valiéndonos de los costos,
inversiones e ingresos generados marginalmente en cada caso durante la vida del
proyecto (10 años) y algunas hipótesis.
La tasa de descuento se calculó con el modelo CAPM. El valor hallado fue de
12,64%.
Alternativa 1: Tercerización del Tratamiento de los Residuos
Esta alternativa no involucra ningún tipo de inversión, pero no elimina ninguno
de los costos actuales, agregando el del servicio de tratamiento. Los ingresos se
ven modificados únicamente por el pago de un menor impuesto a las ganancias,
debido al impacto de mayores costos. VAN resultante: USD -415.229.
Alternativa 2: Planta de Biogás sin Generación de Energía
Los nuevos costos corresponden al mantenimiento de la planta a instalar y un
mayor consumo de electricidad debido a las bombas en el proceso de biodigestión.
Los nuevos ahorros o ingresos serán los del gas de garrafa y la cal. Este caso
involucra la inversión en la nueva planta. Se incluye también el impacto de estos
nuevos costos, ahorros y de las nuevas amortizaciones en el impuesto a las
ganancias. VAN resultante: USD 60.017. Se descarta la primera alternativa.
Alternativa 3: Planta de Biogás con Motor Generador
A diferencia de la alternativa anterior, se agrega: La inversión en el motor, el
correspondiente escudo impositivo gracias a estas amortizaciones, el costo de su
envío, mayores costos de mantenimiento, el ahorro de la energía eléctrica de la
red, los ingresos por la venta del equipo electrógeno que los socios habían
adquirido y menor escudo impositivo por las amortizaciones que ya no serán
devengadas. VAN resultante: USD 78.203. Se descarta la segunda