Aprovechamiento energético del biogás y tecnologías de obtención de biometano upgrading. M. Piedad Martínez

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1 Aprovechamiento energético del biogás y tecnologías de obtención de biometano upgrading M. Piedad Martínez

2 Biometano: gas natural renovable Definición Gas producido a partir de materia orgánica (residuos agrícolas, industriales, urbanos, etc) Gas verde generado a partir de recursos renovables Características similares al gas natural Ventajas Valorización energética de la biomasa Reducción dependencia energética exterior Desarrollo economía local Cumplimiento objetivos UE Utilización infraestructuras existentes Vector energético de calidad Almacenamiento excedentes energías renovables 1 1

3 Biogás Líneas tecnológicas tradicionales de transformación de biogás en energía R. Agroganaderos, fracción biodegradable RSU, et c Digestión Anaerobia Biogas PCI, MJ/Nm 3 Biogás (50-60% CH 4 ): 17,7-21,3 Biometano (95% CH 4 ): 33,6 Combustión directa Motores Nuevas líneas tecnológicas: Transformación de biogas a Biometano RED Biometano Ciclo combinado existente Estación GNV Caldera de gas Vector energético calidad Flexible Sostenible Se transporta a los puntos de consumo en infraestructuras existentes 2

4 Cadena de biomasa a biometano Contexto: Objetivos UE2020 CADENA DE BIOMASA A BIOMETANO - 20% +20% 20% Hoja ruta UE Reducción de las emisiones Amento recursos renovables Mejora en la eficiencia energética. 3

5 Tecnologías: biometano 1G y 2G Power to Gas Energía Renovable no gestionable H 2 Residuos ganaderos, domésticos o Biomasa lignocelulósica (madera) Digestión Anaerobía Gasificación Biogás Bio syngas Metanación CO 2 Upgrading Metanación, upgrading Biometano (Bio-SNG) Biometano Biometano (Bio-SNG) Gas renovable inyectado a la red de gas natural Uso directo en producción energética Uso directo en industria/estaciones de servicio Bio-SNG:: Synthetic natural gas or substitute natural gas 4

6 Potencial Biogás Año 2013 Producción en UE: GWh. 10,2 % más que 2012 Producción en España: GWh. Puesto N.7 en UE Año Potencial disponible en España GWh : Potencial de biogas disponible en España ktep/año FORSU+VERT.+EDAR GANADERIA RESTO AGROINDUSTRIAL (no ganadería) Fuente:Situación y potencial de generación de Biogas. IDAE Fuentes:EuroObserver 5

7 Biometano 1G: biometano de digestión anaerobia

8 Biometano 1G: Upgrading biogás CO 2 Digestión anaerobia Biogás UPGRADING Separación Biometano Inyección a Red de Gas Natural CH % CO 2 : 40-50% H 2 S: hasta 4000 ppm Siloxanos 0-20 mg/m 3 Otros: Nitrógeno, oxígeno, amonio, etc TECNOLOGIAS ABSORCION FISICA ABSORCION QUIMICA LAVADO CON AGUA (PWS) MEMBRANAS PRESSURE SWING ASORPTION (PSA) CRIOGÉNICA CH 4 95% CO 2 2 % H 2 S + COS 15 mg/m3 Siloxanos 10 mg/m3 Resto parámetros según normativa Upgrading: Proceso de eliminación del CO 2 y contaminantes (H 2 S, siloxanos ) presentes en el biogás Distintas tecnologías disponibles: Lavado con agua (PWS), Absorción química, Membranas, Pressure Swing Adsorption (PSA),. Más de 350 plantas en Europa. 7

9 Tecnología upgrading: PWS Lavado con agua (PWS) CH 4 > 95% Aire+CO2 Variación de la solubilidad del CO2 en H2O con la temperatura Desabsorción de CO 2 del agua Absorción de CO 2 Fuente: SGC CO 2 disuelto en H 2 O Relleno Fuente: SGC. Malmberg Water Principio de separación: Diferente solubilidad del CO 2 ych 4 en el agua La solubilidad del CO 2 en el agua aumenta al bajar la temperatura y al elevar la presión. El lavado separa SH 2 presente en el biogás El O 2 y N 2 se mantienen fundamentalmente en la corriente de biogás 8

10 Tecnología upgrading: Membranas Membranas CO2 CH 4 > 95% Carbón activo Principio de separación: Circulación del biogás a presión a través de membranas de polímeros, más permeables al CO 2 que al CH 4. El N 2 se mantiene fundamentalmente en la corriente de biogás, el O 2 se reduce parcialmente Mayor consumo eléctrico 9

11 Tecnología upgrading: Absorción Química CH 4 > 95% CO2 Absorción química CO 2 en Amina Desabsorción Amina.H 2 O+ CO 2 Amina-H + + HCO 3- + calor Principio de separación: absorción química del CO 2 en la disolución de amina (MEA, MDEA, DEA..) El O 2 yn 2 se mantienen fundamentalmente en la corriente de biogás Mayor consumo térmico, necesario en la regeneración Posibilidad de aprovechamiento del excedente de calor en usos industriales 10

12 Tecnología upgrading: PSA CH 4 > 95% CO2 Carbón activo PSA Principio de separación: Circulación del biogás a presión través de depósitos de carbón molecular, donde se adsorbe el CO 2. Se lleva a cabo a presión. El O 2 yn 2 se adsorben parcialmente Una vez saturado, el carbón molecular se regenera (despresurización y desadsorción del CO 2 ). El proceso se lleva a cabo mediante ciclos de entorno 1-2 min. Mayor consumo eléctrico 11

13 Biometano 1G: Upgrading biogás Comparación general de tecnologías PSA Lavado con agua (PWS) Absorción química (aminas) Membrana (2-3 etapas) Demanda de electricidad (kwh/nm³bg) (1) 0,16-0,3 0,2-0,3 0,06-0,17 0,2-0,35 Demanda de calor (kwh/nm³bg) No No 0,4-0,8 No Pérdidas de CH 4 % 1-2 ~1 ~0,1 0,5-1 Presión de operación, bar , Temperatura operación, ºC Separación de N 2 y O 2 Parcialmente No No Parcialmente (O 2 ) Necesidad de H 2 0 No Sí Sí No Separación de H 2 S Externo Si Externo Externo (1) Presión salida gas > 4 barg La disponibilidad de todas las tecnologías es del 95-98% Alcanzan concentraciones de CH 4 en el gas de salida del 96-98% En evolución : - Optimización según diferentes fuentes de biogas y uso final - Reducción de costes de inversión y de O&M, principalmente en plantas de pequeño tamaño - Integración con otros procesos - Mejora de propiedades de materiales. Prestaciones Fuentes SGC; AIE, Fraunhofer IWES,Otros 12

14 Biometano 1G: Upgrading biogás Instalaciones Instalación PSA. 500 m 3 /h biogás. Carbotech Instalación PWS. Okobit. 300 m3/h biogas Instalación membranas. 500 m 3 /h biogás. Bilfinger Instalación Absorción con aminas. Purac 13

15 Licuefacción del Biometano Licuefacción del biometano: mediante enfriamiento hasta temperaturas inferiores a -150ºC (mediante ciclos de N 2 o similar) A temperaturas tan bajas la solubilidad de algunos compuestos en el biometano es muy baja, por lo que su concentración debe ser reducida previamente a niveles inferiores a los requeridos para inyección a red. Limitaciones licuefacción Biometano Limitación de compuestos a la entrada unidad de licuefacción Agua ppm 0,5 H 2 S ppm 3,5 CO2 ppm Temperaturas de Condensación (ºC) CH 4 ºC -161 CO2 ºC N 2 ºC -196 Ventajas del LBG Mayor eficiencia en el transporte y mayor alcance geográfico Nuevos mercados: Camiones, barcos Planta de Lidköping (Suecia) Características planta de Lidköping Sistema Demanda eléctrica máx Capacidad Presión/Temperatura LBG Presión almacenamiento Calidad LBG Inversión (2012) 14 Ciclo Brayton inverso con Nitrógeno 1.12 kwh/nm 3 CH4 765 Nm3/h 1.5 bar(a) / -163ºC 4-5 bar(a) Según legislación Sueca (Gas vehicular) 83.6 MSEK (9,4M *) (Incluye sistema intermedio de pulido)

16 Biometano 1G: Upgrading biogás Evolución implantación instalaciones upgrading Fuente. IEA Bioenergy. Austria; 14 USA; 50 Dinamarca; Finlandia; 9 6 Francia; 8 Más de 350 plantas en operación en Europa Importante aumento del grado de implantación a partir de UK; 37 Suiza; 24 El país con mayor grado de implantación es Alemania, seguido de Suecia y EEUU Suecia; 59 España; 1 Holanda; 21 Luxemburgo; 3 Alemania; 178 Italia; 5 Hungría; 2 Las plantas utilizan biogás de diferentes fuentes y para distintas aplicaciones: inyección a red, vehicular.. 15

17 Biometano 1G: Upgrading biogás Evolución 367 instalaciones en Europa en 2014 con una capacidad total de upgrading de 199,204 Nm 3 /h de biogas. Fuente: EBA. Biogas&Biomethane Report

18 Biometano 1G: Upgrading biogás Costes de producción Costes de producción de biometano, desglosados por componentes Elevados costes específicos de inversión en tamaños inferiores a Nm 3 /h Fuente: AIE. Biomethane. Status and Factors Affecting Market Development and Trade Los costes de upgrading varían entre Eur/MWh biometano, en plantas de ~ Nm 3 /h biogas tratado Los costes de inyección, varían en función de presión de inyección, y distancia. Valores habituales en red de distribución, oscilan entre 2-3 Eur/MWh biometano Fuente: SGC 17

19 Integración Upgrading +P2G Electrolizadores H 2 Upgrading Biogás: CH4: 55-60% CO2: 40-45% CO2 CH4 Metanación Gas Natural Sintético CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O HR = -165 kj/mol Rendimiento P2G~ 56 % aprox. Equilibrio entre oferta y demanda electricidad Integración de energías renovables en la red Es una forma de almacenar excedente de electricidad producida de fuentes renovables En fase de demostración 18

20 Integración Upgrading +P2G Ejemplo: AUDI PLANT. Welte, Emsland Primera planta piloto de demostración. Inyecta el biometano a la red. Año de.p.e.m: 2013 Utiliza el CO 2 procedente del biogas generado en la digestión anaerobia de residuos agro-ganaderos Capacidad:3x2 MW de electrolizadores. 330 Nm 3 /h de BioSNG aprox. AUDI-PLANT Fuente: CO 2 Utilization Summit. AUDI presentation Bremen

21 Normativa: calidad de biometano

22 Normativa. Calidad del biometano Legislación Española: Resolución de 21 de diciembre de 2012, de la Dirección General de Política Energética y Minas, por la que se modifica el protocolo de detalle PD-01 «Medición, Calidad y Odorización de Gas» de las normas de gestión técnica del sistema gasista Establece las especificaciones parámetros de calidad del gas en los puntos de entrada del Sistema Gasista: Actualmente está en proceso de aprobación la norma Europea donde figuran las especificaciones que debe cumplir el biometano para poder ser inyectado en la red de gas natural (pren ) y/o usado como combustible para vehículos (pren ) 21

23 Muchas gracias Esta presentación es propiedad de Gas Natural Fenosa. Tanto su contenido temático como diseño gráfico es para uso exclusivo de su personal. Copyright Gas Natural SDG, S.A.