APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS. Francisco García Herruzo

Transcripción

1 APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS Francisco García Herruzo

2 APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS Marco legal sobre vertederos. Situación en la UE-27 Generación del biogás en vertederos Captación del biogás producido en vertederos Valorización del biogás: Producción de energía eléctrica

3 MARCO LEGAL DEL VERTIDO DE RESIDUOS Directiva 1999/31/CE: Normativa europea sobre vertederos Decisión 2003/33/CE: Criterios y procedimientos de admisión de residuos en los vertederos Real Decreto 1481/2001 y RD 1304/2009 Regula la eliminación de residuos en vertederos Regula la apertura, explotación y cierre de vertederos Se establecen los criterios de admisión de residuos Anexo I (punto 4): Control de gases 1. Se tomarán las medidas adecuadas para controlar la acumulación y emisión de gases de vertedero. 2. En todos los vertederos que reciban residuos biodegradables se recogerán los gases de vertedero, se tratarán y se aprovecharán. Si el gas recogido no puede aprovecharse para producir energía, se deberá quemar. 3. La recogida, tratamiento y aprovechamiento de los gases se llevará a cabo de forma tal que se reduzca al mínimo el daño o deterioro del medio ambiente y el riesgo para la salud humana.

4 GESTION DE LOS RESIDUOS URBANOS (UE-27) EN Fuente Eurostat Incineración Compost+Reciclaje Vertedero Porcentaje (%) UE-27 Bulgaria Rumanía Lituania Letonia Malta Grecia Eslovaquia Chipre Estonia Polonia Hungría Rep, Checa Portugal España Eslovenia Irlanda Italia Reino Unido Finlandia Francia Luxemburgo Dinamarca Suecia Bélgica Austria Holanda Alemania Países

5 VERTEDERO CONTROLADO O RELLENO SANITARIO ANAEROBIO Vertido de RSU controlado: Sistema habitual de eliminación (58%) Fuente emisora de contaminantes atmosféricos (CH 4, CO 2 y trazas de COV) Fuente de contaminación de aguas subterráneas (lixiviados) Pérdida significativa de material reciclable y/o valorizable ( 80%) Impacto ambiental y riesgos del biogás Incendio y explosión: Mezclado con aire en proporciones del 7-15% Situación de riesgo en puntos distantes de vertedero (migración) Toxicidad: Asfixia por metano y CO 2 (espacios cerrados) Malos olores Daños en la vegetación: desarrollo superficial de raíces, asfixia. Efecto invernadero: 21 veces superior al CO 2 Extracción y valorización del biogás por combustión Combustible renovable (sustitución de combustibles fósiles)

6 CARACTERÍSTICAS Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS COMPONENTES DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILIZADO Componente Residuos Lodos Vertedero agrícolas depuradora Metano 50-80% % 40-70% Dióxido de carbono 30-50% % % Agua Saturado Saturado Saturado Hidrógeno 0-2% 0-5 % 0-1% Sulfuro de hidrógeno ppm 0-1 % ppm Nitrógeno 0-1% 0-3% 0-20% Oxígeno 0-1 % 0-1% 0-5% Otros (COVs, NH 3 ) Trazas Trazas Trazas PRODUCCIÓN DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILIZADO Tipo de residuo Sólidos volátiles (%) Producción biogás (m 3 /t) Purines de cerdo 3-5% Fangos residuales 3-4 % FORSU separada en origen 20-30%

7 PROCESO DE FORMACIÓN DEL BIOGÁS Acidogénesis Acidos grasos volátiles NH 3, H 2 CO 2 Compuestos orgánicos complejos (Carbohidratos, lípidos, proteínas) Hidrólisis Compuestos orgánicos simples (Azúcares, aminoácidos, péptidos, ácidos grasos) Acetogénesis Acetato H 2 + CO 2 Relación de nutrientes C/N:20/1-30/1 N/P: 1/5-1/7 Temperatura: Psicrofílica(<30ºC) Mesofílica:30-45 ºC Termofílica>40ºC ph: 6,5-7,5 Inhibidores: NH 3, metales pesados,. 30 % Metanogénesis CH 4 + CO 2 70 %

8 FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS Fase inicial I: Aeróbica. Fase inmediata al vertido. Formación creciente de CO 2. Predomina el N 2 y disminuye el O 2. Temperaturas:35-40ºC. Fase de transición II: Aeróbica con desarrollo de condiciones anaeróbicas. Actúan los organismos facultativos con producción de ácidos orgánicos. Reducción significativa del ph (liberación de metales y generación de CO 2 ). Se produce la transición a condiciones anaeróbicas, reduciéndose los sulfatos a H 2 S y nitratos a N 2. Fase ácida III: Anaeróbica. Se produce la formación de ácidos de fermentación y se alcanza la mayor concentración de CO 2. Fase metanogénica IV: Registra la mayor producción de metano (40-60%).Se estima que tiene una duración de 2 años. Fase de maduración V: La materia orgánica apenas es biodegradable. Clara disminución en la producción de gases en el vertedero. Duración entre 10 y 30 años. Duración: Fases I y II: Semanas - 2 o más años Fases III y IV: 4-7 años Fase V: Décadas o más de un siglo Condicionantes: Características del residuo, condiciones climáticas (temperatura), operaciones de relleno (compactación y tamaño de las celdas) y edad del relleno Características del biogás variables en el tiempo

9 FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS I = Fase inicial (O 2 ) (CO 2 ) II = Fase de Transición (CO 2 )) III = Fase ácida ((CO 2max ) IV = Fase metanogénica (CH4 ) V = Fase de maduración (CH4 )

10 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS Etapa de funcionamiento Etapa de clausura Producción teórica de biogás Producción real de biogás Clausura del vertedero Estequiometría del biogás potencial: CaHbOcNd+ (4a-b-2c+3d)/4 H 2 O (4a+b-2c-3d)/8 CH 4 + (4a-b+2c+3d)/8 CO 2 + d NH 3 1 t de C biodegradable<> 1868 Nm 3 de biogás Potencial de biogás generado 1 t de RSU Nm 3. (200 Nm 3 max). Tasa de recuperación: 40-70% Etapa de funcionamiento del vertedero: Mayor cantidad de biogás Etapa de clausura: Descenso progresivo durante muchos años

11 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS PARÁMETROS ASOCIADOS A LA GENERACIÓN DE BIOGÁS Antigüedad del vertedero: Producción óptima: 3-5 años Cantidad de residuos depositada y composición Profundidad: m Superficie:15-55 has Temperatura promedio anual: 15-35ºC Precipitación anual: mm Factores limitantes en la captura del biogás generado Pérdidas de biogás a la atmósfera a través de la superficie o de la migración lateral Pérdidas de pre-clausura (descomposición de material orgánico en condiciones aeróbicas) Descomposición anaeróbica incompleta de la capa próxima a la superficie por intrusión de aire debido a la extracción del biogás Otras pérdidas: Lavado de carbono orgánico a través de los lixiviados... Medidas directas y continuas en el sistema de captación del vertedero (mínimo 1 semana)

12 CONTROL DEL BIOGÁS: ESQUEMA BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO 1.- Pozos de captación 5.- Motogeneradores 2.- Colector principal 6.- Subestación y línea eléctrica 3.- Central de aspiración (soplantes) 7.- Balsa de lixiviados 4.- Antorcha

13 POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS PEAD negro DN 300 DN 180 L. principales DN 90 conexión Válvulas manuales D: mm Profundidad:15-25 m Barrena helicoidal ELEMENTOS Pozos, línea principal y secundarias Separadores de condensados Central de aspiración (soplantes): Presión aspiración: -100 mbar Presión de impulsión:+150 mbar Estación de regulación y acondicionamiento Conjunto de generación eléctrica Antorcha: Nm 3 /h. T>1000 ºC

14 POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS Desgasificación pasiva venteo de los pozos a la atmósfera Garantizar la ausencia de emisiones difusas y disminución de impactos Peligro de realización simultánea de tareas de vertido y explotación de biogás OTRAS CONSIDERACIONES DE LA CAPTACIÓN Elementos de captación y conducción antes de la entrada en funcionamiento Implementación de elementos a medida que avance la explotación del vertedero Primeras fases, clausura y postclausura: No deben plantearse sistemas de valorización, sólo combustión en antorcha Pozo de captación con desgasificación pasiva

15 CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN Radio de influencia de los pozos: m Profundidad: m Margen superficial: No desgasifica Margen profundo: Presencia de lixiviados o suelo natural. Depresión de la soplante

16 CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN Captación de biogás. Centro Ambiental Los Ruices (Málaga)

17 CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN Captación de biogás. Centro Ambiental de Valsequillo (Antequera)

18 APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS Directiva 2001/77/CE: El biogás es una fuente de energía renovable para la generación de electricidad Directiva 2003/30/CE: El biogás es un biocarburante para su uso en el transporte VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DEL BIOGÁS Generación de energía eléctrica En motogeneradores (opción mayoritaria) En turbinas de biogás (microturbinas) Depuración y utilización directa como combustible Combustible en calderas de biogás Inyección a la red de gas natural (biometano) Combustible en hornos industriales Combustible para automoción Combustible en pilas de combustible (CH 4 H 2 )

19 EQUIVALENCIA ENERGÉTICA DEL BIOGÁS RESPECTO DE OTRAS FUENTES DE ENERGÍA. Fuente: CIEMAT 1,2 L de alcohol combustible 0,8 L de gasolina 1 m 3 de biogás 0,7 L de fuelóleo (70%CH 4 +30%CO 2 ) kcal 1,5 kg de madera 0,3 kg de carbón 0,7 m 3 de gas natural 6,8 kwh

20 Sustancia H 2 S Agua CO 2 NH 3 PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN EL BIOGÁS Y SUS EFECTOS Partículas Siloxanos Corrosión Toxicidad Efectos Formación de condensados Formación de soluciones ácidas Reducción del poder calorífico Formación de óxidos de nitrógeno Obturaciones Analizador portátil de biogás Detonación y abrasión del motor de combustión Aprovechamiento del biogás en función de su grado de depuración Biogás Combustión Producción de electricidad Integración en la red de gas natural Combustible para vehículos Combustible para pilas de combustible +

21 PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS VALORES LÍMITE DEL BIOGÁS RECOMENDADOS EN MOTORES Parámetro Valor límite Observaciones PCI (kcal/nm 3 ) Disminuir CO 2 Humedad <80% Separador de condensados Tª rocío gas húmedo >15ºC Calefacción del biogás Oxígeno <1% Corregir entrada de aire Hidrógeno <12% C4+ HC superiores <2% H 2 S <800 ppm Adsorción en sales férricas Silicio y siloxanos <4 mg/nm 3 Filtración por carbón activo NH 3 <33 ppm Partículas (1-5 µ) <5 mg/nm 3 Filtración Tecnología en desarrollo Biofiltros : Filtro percolador con bacterias y oxígeno H 2 S: (Genus thiobacillus). Eficiencias de eliminación>95%

22 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTORES Motores de combustión interna Gasolina (ciclo Otto) : Motores de encendido provocado (MEP) Gasóleo (Diesel): Motores de encendido por compresión (MEC) Propiedades del biogás como combustible Octanaje motores de alta relación volumétrica de compresión, Baja velocidad de encendido Poco lubricante y detonante Alto contenido en humedad Bajo poder calorífico inferior (PCI) : Motor MEC Modificaciones de motores Motores MEP: Carburador sustituido por cámara de mezcla aire/gas enriquecida Arranque del motor con nafta y funcionamiento posterior con 100 % biogás Motores MEC: Alta resistencia del metano a la autoignición temperatura y presión insuficientes. Inyección de fuel (5-20%) para detonar la mezcla aire-gas comprimida Uso general de un sistema mixto de biogás y diesel con paso regulado de uno a otro.

23 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES MOTOR ACOPLADO A GENERADOR ELÉCTRICO Motor de combustión interna y ciclo Otto Rendimiento eléctrico: % Rendimiento eléctrico + térmico: % Ventajas Gran gama comercial de equipos. Instalaciones modulares y transportables Facilidad de vertido de energía a la red eléctrica Posibilidad de aprovechamiento térmico Gases de escape a 500ºC Agua caliente a 90ºC Inconvenientes Biogás > 40 % de CH 4 Muy crítico con la presencia de elementos corrosivos (pretratamientos) Alto grado de mantenimiento

24 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES Motor de combustión interna de 6 cilindros en línea Generador de tipo sincrono de 60 kw. Velocidad: rpm Potencia: kwe/unidad Biogás: Concentraciones promedio 60% Consumos de biogás: Nm 3 /h Umbral de aprovechamiento del motogenerador: h de trabajo 250 m /h 24h/d = 6000 Nm /d Generador sincrono ELEMENTOS AUXILIARES Sistema de refrigeración del motor Circuito de alta temperatura para refrigerar bloque y camisas Circuito de baja temperatura para refrigerar aceite e intercooler. Sistema de evacuación de gases de combustión con silencioso de escape Chimenea vertical de evacuación exterior de gases de escape EMPLEO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA PRODUCIDA Transformación de la energía eléctrica de baja tensión a media tensión (20-30 kv) Interna:(20%): Alimentación eléctrica de las instalaciones del centro Externa (80%) El excedente es entregado a la red general de distribución.

25 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES Motogeneradores del Centro Ambiental de Valsequillo (Antequera)

26 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES España 2011: 40 vertederos con plantas de generación de energía eléctrica 100 MW de potencia instalada Antorcha y motogeneradores del CAM Los Ruices (Málaga)

27 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN. CONTROL CUADRO DE MANDO Interruptor principal Lámpara de señalización (alarma general) Interruptor marcha/paro (soplante y antorcha) Autómata de ignición Panel de servicio Regulación automática de temperatura de combustión Desconexión por sobrecalentamiento del quemador SALA DE CONTROL CENTRAL Funcionamiento completamente automático o manual de la instalación Medida de los componentes más representativos del biogás (CH 4, O 2, CO 2 y H 2 S) y de sus condiciones físicas: presión, temperatura y caudal Mantiene las condiciones de funcionamiento (cantidad y composición del biogás) Controla el accionamiento de los elementos que regulan el flujo de gas Controla el funcionamiento de elementos auxiliares y sistemas de protección

28 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MICROTURBINAS Turbina de gas de tamaño muy reducido. Menores exigencias en el contenido en H 2 S y concentración de CH4 <35% Mantenimiento más reducido que en motogeneradores Potencia eléctrica con biogás:30 a 75 kw. Rendimiento eléctrico % Vertederos pequeños y vertederos al principio y final de su vida útil Funcionamiento Aire aspirado y comprimido hasta la cámara de combustión. Inyección del biogás en la cámara Expansión de gases calientes en la microturbina Vertedero de Lopez Canyon, California, 50 microturbinasde de 30 kw

29 VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD COSTES DE PUESTA EN MARCHA. Ente Vasco de la Energía (EVE) Datos constructivos: Plazos: Periodo de Construcción (meses): 12 Vida útil (años): 25 Requisitos Emplazamiento Conexión a la red eléctrica Superficie requerida (m 2 ): Datos económicos: Inversión Planta de 2 x 650 kwe: /kw Gastos de mantenimiento: 12 /MWh Seguros y otros: /año DISTRIBUCIÓN DE LA INVERSIÓN Ingeniería, dirección de obras y otros 7% Edificio de instalaciones 12% Central de extracción de biogás 32% Equipos de generación eléctrica 32% Acometida a red eléctrica 17%

30 VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD PRODUCCIÓN Y VENTA DE ELECTRICIDAD RD 661/2007: Producción de energía eléctrica en Régimen Especial Grupo b.7, subgrupo b.7.1: Instalaciones con combustible principal el biogás de vertederos. Tratamiento económico de la producción, Sujeta a las tarifas correspondientes al subgrupo a.1.3: Tarifas, y primas para instalaciones de la categoría a): cogeneración u otras a partir de energías residuales. Los primeros 15 años Tarifa regulada : 7,9920 c /kwh Prima de referencia: 3,7784 c /kwh A partir de entonces Tarifa regulada : 6,5100 c /kwh Prima de referencia: 0,0000 Actualización de tarifas desde RD 661/2007: Orden IET/3586/2011 Los primeros 15 años: Tarifa regulada : 9,1341 c /kwh Prima de referencia: 5,0249 c /kwh A partir de entonces Tarifa regulada : 7,4403 c /kwh Prima de referencia: 0,0000 c /kwh

31 GRACIAS POR SU ATENCIÓN