Elementos que componen el sistema de desgasificación. Dimensionado de la red de pozos. Radios de influencia. Sistema de regulación y transporte

Transcripción

1 Sistemas de desgasificación Cuándo captar el biogás Elementos que componen el sistema de desgasificación Sistemas de captación Dimensionado de la red de pozos. Radios de influencia Sistema de regulación y transporte Sistema de aspiración y compresión Tratamiento Factores que influyen en el sistema de desgasificación.

2 Sistemas de desgasificación Cuándo captar el biogás? La captación del biogás debería iniciarse en cuanto las primeras fracciones de biogás se produzcan para, de este modo, garantizar la ausencia de emisiones difusas y los impactos derivados de la presencia del biogás. Para ello, parte de los elementos de captación y transporte deberán ya colocarse con antelación a la entrada en funcionamiento del vertedero y deberán irse implementando a medida que avance la explotación del mismo. Muchas veces los estudios de extracción durante las primeras fases de generación nos sirven para rediseñar el proyecto inicial adaptándolo a la realidad productiva del vertedero. Durante las primeras fases, con una metanogénesis poco implantada, no deben plantearse sistemas de valorización energética si no solamente la combustión del gas pobre en antorcha para evitar las emissiones difusas a la atmósfera. Por otro lado, en la fase de clausura y postclausra hay que seguir prestando atención a la problemática de la captación incluso en ausencia de recuperaciones energéticas.

3 Sistemas de desgasificación Elementos que componen el sistema de desgasificación Instalaciones de tratamiento Instalaciones de extracción Estaciones de regulación Pozos de extracción Red principal de gas rico Red de transporte secundaria Red principal de gas pobre

4 Cabezal Captación del biogás Pozo de extracción Sistemas de captación lateral y horizontal Válvulas de cierre y/o regulación Tubería secundaria Red de extracción de lixiviados (opcional)

5 Captación del biogás Radio de influencia El radio de influencia de un elemento de captación es la zona alrededor de su eje dentro de la cual se realiza una acción de captación adecuada. K C A B C D m de influencia A: hipótesis de captación con finalidad de recuperación (CH4>50%) y vertedero poco cubierto o muy expuesto B: hipótesis de no recuperación (CH4<50%) y vertedero poco cubierto o muy expuesto C: hipótesis de captación con finalidad de recuperación (CH4>50%) y vertedero bien cubierto y poco expuesto D: hipótesis de no recuperación (CH4<50%) y vertedero bien cubierto y poco expuesto El gráfico de Doedens (1985) más arriba presentado es muy indicativo pero ejemplifica la variación del radio de influencia en función de la finalidad perseguida con la captación y del estado del vertedero.

6 Sistemas de regulación y transporte El sistema de transporte en serie conecta varios puntos de captación en una única rama. La regulación de la red se realiza directamente en el cabezal del pozo. Dicho sistema es económico, poco complicado pero exige un mayor esfuerzo desde el punto de vista de gestió para alcanzar un buen nivel de regulación. Sistemas de Transporte El sistema de transporte en paralelo conecta cada pozo a una estación de regulación colocada en un punto adecuado. En la estación de regulación se realizan todas las operaciones de monitorización y regulación. A su vez, cada estación de regulación está conectada, en serie o en paralelo, a la central de extracción. El sistema en paralelo es menos económico que el en serie pero exige un menor esfuerzo desde el punto de vista de gestión y proporciona mejores prestaciones extractivas. Además, el sistema en paralelo permite una mejor automatización. El sistema de transporte de anillo prevé la realización de un colector anular a lo largo del perímetro del vertedero; a dicho colector se conectan los pozos. A su vez, el anillo está conectado a la central de extracción que aplica su depresión en las dos ramas no separadas. El sistema de anillo es un compromiso entre los dos sistemas descritos (en serie y en paralelo). Es particularmente indicado en las fases de explotación del vertedero ya que reduce la presencia de líneas secundarias en las zonas de explotación. Vertedero Pozos de captación Líneas serie Vertedero Pozos de captación Líneas secund. Estación de regulación Vertedero Pozos de captación Líneas secund. Central de extracción Central de extracción Central de extracción Líneas primarias Anillo o Loop

7 Sistema de aspiración y compresión Elementos de aspiración y compresión Los elementos encargados de la acción de extracción y compresión del biogás son los aspiradores o soplantes que se localizan en la denominada central de aspiración. En las redes más grandes y con caudales importantes la captación se realiza con varios soplantes colocados en paralelo; con esta configuración también es posible una dotación extra de reserva instalada, muy útil si se desea asegurar una elevada disponibilidad del servicio. En algunos casos es posible colocar los aspiradores en serie; en este caso se realiza una suma de carga hidrostática (booster). Normalmente el aspirador debe garantizar también la presión de alimentación de las eventuales unidades de recuperación energética, ya que la misma máquina tiene la doble función de aspirar los gases desde los elementos de captación y comprimir los mismos para proporcionar las presiones exigidas por los elementos de valorización.

8 Tratamiento del biogás Pretratamientos Según la destinación final del biogás, serán necesarios pretratamientos que adecúen la calidad del mismo. En caso de una sola combustión en antorcha es suficiente una buena separación de las aguas de condensación que se hayan formado y una eventual filtración de las partículas finas con filtro de coalescencia. En cambio, en caso de recuperación energética es aconsejable una deshumidificación mediante refrigeración del biogás. En otros casos específicos, en los que se pueda identificar presencia de ciertos componentes que resulten dañinos para el posterior tratamiento (anhídrido sulfuroso alto, siloxanos, etc..), podrá ser necesaria la introducción de diferentes sistemas de tratamiento más específicos.

9 Tratamiento del biogás Combustión en antorcha El tratamiento del biogás más frecuente, salvo cuando exista recuperación energética, es la combustión controlada en antorcha. La combustión es un proceso de oxidación en que el biogás (CH4 y CO2) mezclado con el oxígeno (O2) presente en el aire genera CO2 y vapor de agua (H2O). La combustión debe ser completa, por esta razón se prefieren sistemas dotados de regulación automática de la mezcla aire/combustible y cámara refractaria para garantizar una completa oxidación. Los parámetros correctos para una combustión adecuada son (D.Lgs. 36/2003): tiempo de residencia > 0,3 segundos temperatura de combustión > 850 C oxígeno residual > 3% Otro sistema de oxidación, sin combustión, puede realizarse a través de biofiltros, pero es solo aplicable a caudales y concentraciones bajos.

10 Factores que afectan a la desgasificación Infiltraciones de aire Uno de los principales problemas de la captación del biogás es el riesgo de aspirar aire a través de los puntos de captación. Pequeñas fisuras de pocos milímetros pueden comprometer la eficiencia de un sistema de captación. Por esta razón hay que controlar muy cuidadosamente las infiltraciones y eventualmente el sellado de partes de riesgo, especialmente en verano cuando los materiales naturales de impermeabilización, tales como la arcilla, pierden su eficiencia. R R CH4 = O2 = Dp- = R = Flow = CH4 = O2 = Dp- = R = Flow =

11 Factores que afectan a la desgasificación Estancamiento lixiviados El drenaje interno de un sistema de captación biogás es desde luego más permeable que los residuos circundantes; por lo tanto es previsible que recoja líquidos mucho más rápidamente respecto a la capacidad de liberación. Dicha situación hace que dentro de un elemento de captación se produzca un estancamiento de lixiviados que limita la funcionalidad del sistema. En dicha situación es necesario que el elemento tenga una posibilidad de purga, natural (p.ej. pozos elevados desde el fondo del vertedero) o forzada, mediante bombas de elevación lixiviados. Esta segunda hipótesis hace que la red de captación sea mucho más compleja pero exalta las prestaciones del sistema.

12 Factores que afectan a la desgasificación Poca humedad La ausencia de humedad reduce drásticamente el fenómeno de fermentación reduciendo la producción de biogás. Sustancia orgánica contenida en los residuos C + 2 H2O = CH4 Agua + CO2 BIOGÁS Zona SECA = baja producción Zona HÚMEDA = buena producción Zona SATURADA= baja producción

13 Factores que afectan a la desgasificación Eficiencia del sistema de desgasificación Prod. Captable WC Prod. Captable BC captación KC: 67% KC: 31-40% KC: 64% años producción Nmc/h

14 Valorización energética del biogás Potencial energético del biogás de vertedero Marco legislativo Tecnologías de valorización energética La valorización energética en CESPA.

15 Valorización energética del biogás Potencial energético del biogás de vertedero El PCI del biogás, con concentraciones de metano próximas al 50%, se sitúa en torno a los 5 KWh/Nm3 y, por tanto, su potencial energético es del orden de la mitad del alcanzado por el Gas Natural.

16 Valorización energética del biogás Marco legislativo La normativa europea sobre vertederos (directiva 1999/31/CE), y la transposición a la legislación española (Real Decreto 1481/2001) obligan a la recogida y tratamiento del biogás: En todos los vertederos que reciban residuos biodegradables se recogerán los gases del vertedero, se tratarán y se aprovecharán. Si el gas recogido no puede aprovecharse para producir energía, se deberá quemar El biogás es una fuente de energía renovable, según la Directiva 2001/77/CE sobre promoción de electricidad generada a partir de fuentes renovables El biogás es un biocarburante, según la Directiva 2003/30/CE de Fomento del Uso de Biocarburantes en el Transporte

17 Valorización energética del biogás Tecnologías de valorización energética del biogás Para generación de energía eléctrica En motogeneradores En turbinas de biogás Pilas de combustible Depuración y utilización directa como combustible Combustible en calderas de biogás Inyección a la red de gas natural Combustible para automoción Combustible para alimentación de hornos industriales La valorización más frecuente es, con gran diferencia, la generación de energía eléctrica en motogeneradores

18 Valorización energética del biogás Tecnologías de valorización energética del biogás

19 Valorización energética del biogás Motogeneradores Parámetros principales de la generación eléctrica en motogeneradores Rendimiento eléctrico % Rendimiento eléctrico + térmico % Estado de la tecnología: madura e implementada 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 y agua caliente a 90ºC) Inconvenientes El biogás debe tener más del 40 % de CH4 Muy crítico con la presencia de elementos corrosivos Coste de mantenimiento Motor de Cogeneración Motor de combustión interna y Ciclo Otto Rendimiento eléctrico 38% Potencia generada 1048 Kw

20 Valorización energética del biogás Motogeneradores Una tonelada de residuo urbano (1-1,2 m 3 aproximadamente) eliminada en el vertedero. 200 m 3 70 m 3 Biogás no captado oxidado o emitido difusamente. Produce 200 m3 aproximadamente de biogás (LFG) de los cuales el 65% aproximadamente es captable, el resto es difundido en la atmósfera u oxidado. 65 % 35 % 1 t RSU = 498 Kw, de los cuales 187 eléctricos y 311 térmicos 1 t RSU = 498 Kw, de los cuales 187 eléctricos y 311 térmicos (los datos expuestos varían según las condiciones reales de proyecto) (los datos expuestos varían según las condiciones reales de proyecto) El biogás captado por el sistema de extracción se compone mitad de metano y mitad de una mezcla de anhídrido carbónico, nitrógeno, oxígeno y otros gases. 130 m 3 50 % 50 % CH4 otros 65 m 3 La transformación energética puede realizarse mediante un motogenerador con producción de energía eléctrica y térmica. 65 m 3 Motor endotérmico 30 % CH4 Antorcha (excedentes) Los excedentes de biogás se queman en antorcha. 70 % 50 % 311 Kwt 20 % 87 Kw 187 Kwe Rendimiento térmico cogenerable Potencia disipada Rendimiento eléctrico

21 Valorización energética del biogás Las turbinas de gas son las máquinas motrices de combustión más fiables. Sus aplicaciones en el campo aeronáutico e industrial son ampliamente conocidas. El concepto de microturbina es el mismo que el de la turbina de gas convencional pero de un tamaño muy reducido. Su potencia eléctrica para el uso con biogás es típicamente de 30 a 75 kw. Su rendimiento eléctrico es de aproximadamente el 25%, ligeramente inferior al obtenido con motogeneradores. En este sentido, son útiles para vertederos con caudales de biogás bajos en los que no se quiere renunciar a la valorización energética del biogás. El proceso consiste en que el aire es aspirado y comprimido hasta la cámara de combustión. Allí se inyecta el biogás y los gases calientes se expanden a través de la turbina que, al girar mueve el alternador eléctrico. Las microturbinas son menos exigentes que los motogeneradores a las características del biogás, pudiendo trabajar con contenidos elevados de ácido sulfhídrico. concentraciones bajas de metano. Microturbinas

22 Para la obtención de BIOGÁS NATURAL CONCENTRADO y COMPRIMIDO, es necesario enriquecerlo. Dicho enriquecimiento consiste en aumentar, mediante procesos físico-químicos, el valor de un determinado gas a base de ir eliminando paulatinamente el resto de componentes gaseosos no deseados. Las principales tecnologías utilizadas en los procesos de limpieza y enriquecimiento son: Desulfuración Métodos en seco: Óxidos de Hierro, Óxidos de Zinc, Sólidos Alcalinos, Adsorbentes: Zeolitas (carbón activado, carbón activado e impregnado) Métodos con flujo liquido: Oxidación en fase liquida (suspensión de óxidos de hierro y zinc, quinonas, soluciones de enlaces de hierro), Soluciones de sales alcalinas, Aminas. Métodos con solvente físico: Lavado con agua, PSA Métodos que usan membranas. Procesos biológicos. Separación CO2 PSA (Pressure Swing Adsorption) Proceso físico con carbón activado. Absorción con H2O a presión. Lavado con agua a presión. Absorción Química. Lavado con un solvente químico (alcanolamina) Membranas. Proceso físico de filtración a través de una membrana. Siloxanos y COVs Otras tecnologías en desarrollo Tecnologías de limpieza y upgrading Refrigeración: Remoción de particular por condensación de agua a baja temperatura. Filtros de Carbón Activado: Retención de partículas por filtración a través de un medio adsorbente de carbones activados. Biofiltros (tecnología en desarrollo): Lavado del biogás con afluente bacteriano que se alimenta de algunos compuestos volátiles.

23 Otras tecnologías en desarrollo (I) Combustible para automoción Es una tecnología todavía en fase de optimización de procesos que se ha desarrollo sobretodo para la alimentación de flotas cautivas de autobuses y camiones de recogida de residuos. Uno de sus principales retos reside en perfeccionar y sobretodo abaratar las tecnologías de pretratamiento hasta obtener un Gas Natural.. Las Ventajas del uso del biogás concentrado y comprimido como carburante son: Reduce la dependencia energética del petróleo. Disminución significativa de los costos de combustible y de aceites lubricantes de motores. Debido a que el gas al igual que la gasolina utilizan motores convencionales (ciclo OTTO, alto octanaje), se puede acondicionar un vehículo normal de gasolina fácilmente y a bajo coste, convirtiéndolo en uno bifuel. Disminución de los costes de mantenimiento de los motores. El gas metano deteriora menos la mecánica del motor que la gasolina. El Biogás Natural puede ser utilizado al 100%, sin necesidad de ser mezclado con otro tipo de combustible.

24 La pila de combustible es un sistema que convierte la energía de una reacción química gaseosa en electricidad. En una pila a combustible típica, el hidrógeno reacciona con el oxígeno (O2) del aire para formar agua (H2O), calor y electricidad. Con este procedimiento el hidrógeno se obtiene a partir de hidrocarburos, fundamentalmente del gas natural. El principal componente del gas natural es metano CH4 y la reacción consiste básicamente en separar el carbono del hidrógeno. El proceso tiene lugar en dos etapas: Otras tecnologías en desarrollo (II) Pilas de Combustible En la fase inicial, el gas natural se convierte en hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. CH4 + H2O => CO + 3H2 La segunda etapa consiste en producir hidrógeno adicional y dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono producido durante la primera etapa. El monóxido de carbono es tratado con una corriente de vapor a alta temperatura produciéndose hidrógeno y dióxido de carbono. CO + H2O => CO2 + H2 Las pilas de combustible son un planteamiento totalmente diferente para la producción de energía eléctrica. Actualmente se trata de una tecnología aún en estudio y desarrollo (I+D). Las pilas de combustible: son silenciosas. no tienen partes móviles, no hay lubricantes ni refrigerantes. no polucionan ni generan residuos. tienen una eficiencia total equivalente del 90%, superior a los más avanzados motores de ciclo combinado o turbinas de generación.

25 Gracias por vuestra atención Jaume Cabré Departamento de Tratamiento