FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE BIOGÁS CURSO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UNA PLANTA DE BIOGÁS

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1 FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE BIOGÁS CURSO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UNA PLANTA DE BIOGÁS 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 1 INTRODUCCIÓN Biogás El biogás es un gas compuesto básicamente por metano (CH4) entre un 55% 70%, dióxido de carbono (CO2) y pequeñas proporciones de otros gases. Se produce por la fermentación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxigeno). Tiene características similares al gas natural. Real Decreto 661/2007 El RD 661/2007 por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial define dentro de su ámbito de aplicación el epígrafe b.7.2 a Instalaciones que empleen como combustible principal el biogás generado en digestores empleando alguno de los siguientes residuos: residuos biodegradables industriales, lodos de depuradora de aguas urbanas o industriales, residuos sólidos urbanos, residuos ganaderos, agrícolas y otros para lo cuales se aplique el proceso de digestión anaerobia, tanto individualmente como en co digestión. Planta de biogás Una planta de biogás es una instalación donde se mezclan los purines con materia orgánica y se realiza lo que se conoce con el nombre de co digestión anaeróbica. La co digestión se basa en mezclar diferentes sustratos para que se compensen entre si y se obtenga una producción de biogás óptima y una biomasa digerida que es un buen fertilizante para aplicar en los campos. En la instalación se produce de forma acelerada el ciclo natural de descomposición. Se reciben materias orgánicas, deyecciones orgánicas un 70% y subproductos agrícolas y/o residuos industriales un 30%, que se mezclan y son conducidos hacia los digestores. Dentro de estos grandes recipientes cerrados, sin aire del exterior y con condiciones óptimas de temperatura, es donde las bacterias actúan. De aquí se obtiene biogás y un subproducto que es un buen bio fertilizante para aplicar en los campos. El biogás se utiliza como único combustible en unos equipos de cogeneración que transforman el biogás en energía eléctrica y térmica de origen renovable. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 2

2 INTRODUCCIÓN Componentes principales de una Planta de Biogás. Podemos diferenciar varias partes o procesos en una planta de Biogás: Almacenamiento y Acondicionamiento de los sustratos. Producción de Biogás. Acondicionamiento del Biogás. Aprovechamiento Energético del Biogás. Digestato. DIGESTATO Utilizado como fertilizante o para el compostaje. Reduce Significativamente el uso de fertilizantes industriales en la agricultura. ALMACENAMIENTO DIGESTATO BIOGÁS BIOGÁS ALMACENAMIENTO BIOGÁS El biogás es almacenado en la campana del digestor. UNIDAD DE CICLO COMBINADO El biogás es quemado para producir electricidad y calor. MOTOR CULTIVO ENERGÉTICO GENERADOR ELECTRICIDAD ESTIÉRCOL Y/O PURÍN SISTEMA DE CALEFACCIÓN Parte del calor producido durante la combustión del biogás es utilizado para DIGESTOR mantener la temperatura óptima en el digestor. COGENERACIÓN En este tanque, en ausencia de oxígeno, la biomasa sufre un proceso de digestión por Aprovechado en secadero parte de los microorganismos anaerobios, de digestato destinado a durante el cual se produce metano y uso agrícola. DEPÓSITO MEZCLADOR dióxido de carbono: el biogás. En él se mezcla la biomasa para alimentar al digestor. RESIDUOS AGRO INDUSTRIALES 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 3 ALMACENAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SUSTRATOS. Tipos de Sustratos. La producción de biogás depende directamente del tipo de sustratos con que se alimenta al digestor. La procedencia de los mismos puede ser muy variada: Sustratos de origen animal: purín, estiércol, gallinaza,. Sustratos de origen vegetal: maíz, centeno, sorgo, Residuos procedentes de la Industria Agroalimentaria: restos de matadero, grasas, melaza, Almacenamiento sustratos de origen vegetal. Silos. Los sistemas de almacenamiento sirven para equilibrar variaciones entre la demanda y la producción de biomasa. La forma y tamaño de los silos depende del tipo de biomasa y del flujo de aprovechamiento. Los silos son usados para este tipo de planta son generalmente de hormigón aunque también se pueden utilizar otros de plástico cuando el volumen a almacenar no es excesivo y se dispone de suficiente superficie. Los sustratos vegetales se cosechan con maquinaria especializada para su posterior almacenamiento en los silos, han de picarse con un tamaño de entre 6 y 10 mm para que su silaje sea óptimo y se conserven sus propiedades para la producción de biogás. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 4

3 ALMACENAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SUSTRATOS. Almacenamiento de sustratos líquidos. Purín. Uno de los principales sustratos a utilizar en las plantas de Biogás, es el purín. El purín se traslada mediante un camión cisterna a la plata de Biogás y se descarga en un depósito de almacenamiento, éste puede ser de hormigón o de acero. También puede ir soterrado o a nivel de terreno. Generalmente son depósitos cerrados para evitar la pérdida de valor energético del purín así como las molestias debidas a los malos olores. Generalmente están dotados de agitadores para mantener la homogeneidad del sustrato y evitar la acumulación de sólidos en el parte inferior del depósito. El purín es introducido en el sistema de alimentación mediante una bomba sumergible. Otros. El tipo de depósito a utilizar para otros sustratos líquidos será mediante tanques de acero, ya que, generalmente, el volumen de almacenamiento no será excesivo y son más sencillos y baratos de instalar que los depósitos de hormigón. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 5 ALMACENAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SUSTRATOS. Tratamientos. Higienización. En el caso de que se aprovechen desechos de mataderos, restaurantes o mercados y de acuerdo a la normativa vigente se debe higienizar la biomasa antes de su alimentación al digestor. A través de este tratamiento se eliminan bacterias, parásitos y virus. Se reduce el riesgo de contaminación y transmisión de enfermedades. La higienización se realiza calentando los sustratos a una temperatura de 70 ºC durante una hora. El proceso se lleva a cabo en tanques de acero y/o hormigón. Después de la higienización hay que reducir la temperatura del sustrato hasta la temperatura de proceso antes de introducirlo al digestor. La energía térmica usada durante el proceso de higienización procederá de la unidad de cogeneración de la propia planta. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 6

4 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Sistema de alimentación. El sistema ideal de alimentación para una digestión adecuada ha de ser continuo. Hoy en día debido a los sistema de control de las plantas esto se realiza de manera automática y muy exacta para que la mezcla sea la más adecuada para la producción de biogás. Generalmente tenemos un silo más pequeño, con piso móvil, desde son introducidos los sustratos sólidos (silajes, residuos sólidos) hasta el alimentador y otras conducciones para la alimentación de los sustrato líquidos (purín, glicerina, sueros ). Los sistemas de alimentación más modernos pesan cada sustrato por separado de manera que la mezcla siempre contiene el porcentaje exacto de cada uno. Hay otro tipo de instalaciones que permiten una mayor homogenización de la mezcla como son los agitadores internos de alimentador, colocar una bomba con cuchillas para evitar que se introduzcan partículas de tamaño grande en el digestor, tamices para eliminar piedras y otros materiales que podrían dañar las instalaciones, etc 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 7 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Digestor. La posibilidad de configuración de una planta de biogás son variadas puede tener uno o varios digestores, estos pueden ser de mezcla seca o húmeda, horizontales, de mezcla continua. El diseño final dependerá del tipo de sustratos a utilizar y de la potencia para la que se diseñe la Planta. Tipos de digestores. Los digestores se clasifican por el modo de operación, llenado y vaciado. La clasificación general los define en digestores de régimen estacionario, régimen semi continuo, horizontales, y de régimen continuo. En función de la húmedas del proceso los tenemos de mezcla húmeda (hasta 15% de contenido de MS) o seca con un contenido de MS superior (hasta un 25%). Una de las variaciones fundamentales en cuanto al diseño de la planta consiste en realizar la digestión en una o dos etapas, basado en el hecho de que los distintos grupos de bacterias que llevan a cabo el proceso requieren diferentes condiciones de ph y tiempo de retención Esto supone la construcción de uno o dos depósitos, en el primero se realiza una parte de la digestión anaerobia (hidrólisis y acidogénesis) y en el segundo digestor se lleva a cabo la acetogénesis y la metanogénesis.. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 8

5 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Principales Componentes de un digestor. Para que el digestor se construya de manera eficiente y no surjan problemas durante la operación (fugas de biogás, filtraciones de sustratos, etc..) hay que realizar un diseño adecuado y confiar la construcción a empresas especializadas. Los tanques para digestores se construyen sobre o bajo tierra. El suelo y paredes de los digestores agroindustriales son de hormigón. La cubierta, generalmente es de membrana EPDM. La alimentación de los digestores suele realizarse por medio de una bomba sumergible. Para realizar la descarga del la mezcla ya digerida o la recirculación de la misma para estabilizar los niveles de humedad del proceso se realiza mediante rebose, se instala una tubería en la parte superior del digestor que conectará este con el tanque de almacenamiento de digestato y/o el de recirculación. La cubierta del digestor suele utiliza como almacenamiento del biogás generado durante el proceso aunque también puede utilizarse un gasómetro. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 9 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Agitadores. A través de la agitación se logra una mejor distribución de la temperatura, de los nutrientes, la eliminación de las burbujas de biogás y una mezcla del sustrato fresco con la población bacteriana existente en el digestor. Además se evita la formación de costras sobre la superficie de la biomasa y la formación de espacios muertos sin actividad biológica. Hay varios tipos de agitadores, tipo Paddelgitant, con mezcla en el eje horizontal, cuyo motor y engranaje estarán instalados en el exterior del tanque o mediante agitadores de motor sumergible, regulables en altura y dirección. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 10

6 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Sistema de Calefacción. Los digestores llevarán incorporado un sistema de aislamiento de poliuretano (o similar) de 4 cm de espesor para retener la mayor cantidad de calor posible. Así mismo en el interior de la pared de hormigón se distribuirán una serie de tubos de polietileno que conformarán el sistema de calefacción. El agua caliente que circulará por el interior del sistema de calefacción proviene del agua de refrigeración de la camisa del motor y de los gases de escape, produciendo agua caliente por intercambio de calor en un cambiador de placas. El circuito primario de enfriamiento de la camisa del motor es cerrado, con recirculación, para evitar la contaminación de tipo térmico y evitar un gasto innecesario de agua además de energía. Otras instalaciones. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 11 ACONDICIONAMIENTO DE BIOGÁS Debido a su alto contenido de humedad y otros gases el biogás ha de tratarse y acondicionarse antes de su aprovechamiento en las unidades de cogeneración. A continuación se indican las características del gas que deben acondicionarse: Reducción y/o eliminación del H2S y trazas de otros gases, purificación. Reducción de humedad. Reducción de CO2 Corrección, calibración y control de presión. Reducción de Humedad. Cuando el biogás sale de los biodigestores está saturado al 100% con humedad. Este problema se incremente durante el verano debido a las altas temperaturas. Entre los factores que influyen el contenido de humedad se encuentran: el tipo de biomasa y % de disolución. Junto al vapor de agua en la corriente de biogás viajan partículas sólidas que no reaccionan o que se mantienen inertes durante el proceso de biogasificación, ambos elementos son perjudiciales para el aprovechamiento del biogás, por lo cual, se hace necesaria una reducción de éstos hasta valores adecuados para el uso del biogás como material energético. Las tuberías de captación se instalarán de tal manera que los condensados fluyan de regreso al digestor o hacia los puntos de descarga de condensados. La pendiente mínima de instalación será del 5%. Se instalará una unidad de condensación antes del aprovechamiento del biogás en la unidad de cogeneración. Si se enfría el biogás a temperaturas de entre 0 y 5 ºC se condensa la mayor parte de la humedad. Este tipo de soluciones combinadas con otras técnicas para la reducción de H2S dan excelentes resultados y se obtiene un biogás de excelente calidad. Los motores a biogás para la generación eléctrica tiene establecidos como límite máximo de contenido de humedad un rango comprendido entre el 70 y el 80% HR dependiendo del fabricante del motor y del contenido de partículas extrañas. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 12

7 ACONDICIONAMIENTO DE BIOGÁS Reducción de H2S El biogás está compuesto mayoritariamente por gas metano (CH4) y CO2 en proporciones de % a % aproximadamente y trazas de otros gases como el Sulfuro de Hidrógeno (H2S). El contenido de H2S es de entre 0,1 y un 1%. A pesar del reducido porcentaje es necesario reducirlo debido a las siguientes razones: Toxicidad del H2S. Corrosión de metales por presencia de H2S y CO2. En la combustión se puede formar SO2, que es altamente corrosivo. Disminución del poder calorífico del gas. Favorece la formación de hidratos. El método más habitual y sencillo para la desulfuración del biogás es la inyección de pequeños volúmenes de oxígeno en el interior del digestor. Es un proceso que se ha desarrollado de manera efectiva en los últimos 10 años y aplicado con notable éxito en la purificación de biogás en biodigestores en toda Europa, pero sobre todo en Alemania. Las bacterias oxidantes sulfobacter se transforman el H2S en azufre elemental y ácido sulfhídrico y agua a través del suministro de oxígenos. Durante este tratamiento se obtiene polvo amarillo de azufre que se deposita sobre la superficie de la biomasa, en las paredes interiores del digestor, etc. Este polvo de azufre puede ser utilizado como fertilizante. El suministro de oxígeno se realiza mediante compresores. Si la dosificación del oxígeno es la adecuada se puede obtener una reducción de H2S de hasta el 95%. La cantidad de oxígeno que se suministra al digestor es tan baja que no hay problemas en el interior del mismo. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 13 ACONDICIONAMIENTO DE BIOGÁS Reducción de CO2 Cuando se requiera un biogás de mayor calidad y poder calorífico (para su inyección a la red de distribución general) se puede reducir el contenido de CO2. Este tratamiento está especialmente indicado para las grandes plantas de biogás donde el gasto en el sistema de purificación está justificado. El método más simple y eficiente para la eliminación del dióxido de carbono e su absorción en agua de cal. Este método requiere una constante vigilancia debido a que el agua de cal se agota y es necesario reponerla frecuentemente. Pueden utilizarse otras soluciones químicas aunque la más económica es la de agua de cal. Otro método es utilizar otro elemento fuertemente alcalino como medio de absorción de estos gases, como por ejemplo lo efluentes de cultivos de micro algas. Se inyecta el biogás a contracorriente en estas aguas de manera que el agua que resulta de esta reacción contiene carbonato de hidrógeno. Tratamiento mediante filtros. El tratamiento biológico de gases contaminados se ha establecido como alternativa a los sistemas convencionales de tratamiento de gases, especialmente cuando los compuestos contaminantes se encuentran en una concentración baja y el flujo a tratar es elevado. El principal componente de un biofiltro es el medio filtrante donde los compuestos no deseados del biogás son adsorbidos para poder ser degradados posteriormente por microorganismos que se forman en el medio filtrante. El biogás es introducido al lecho filtrante por medio de un soplador. El filtro consiste en un tanque relleno de un medio filtrante (tierras, virutas de madera, turba, piedra volcánica, una mezcla de varios, ) acondicionado con un material abultante (partículas de poliestireno, piedras, etc ) cuya función es dar soporte y, en algunos casos, como fuente de nutrientes a los microorganismos. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 14

8 APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS El biogás tiene un alto poder energético, de aproximadamente 6 kwh/m3. Este valor depende del contenido de gas metano. El biogás puede ser utilizado como combustible para la generación de energía eléctrica y para la generación de calor. Una vez conocida la composición del biogás es posible determinar el Poder Calorífico Inferior (PCI) del mismo. Este dato es necesario para el cálculo de la potencia de la instalación. Los usos más comunes del biogás son: Combustión directa para la producción de calor. Motores de combustión interna con aprovechamiento de la potencia mecánica Motores para la generación de electricidad con y sin recuperación de calor (cogeneración). Turbinas de gas o vapor con aprovechamiento de la potencia eléctrica con o sin recuperación del calor. Vehículos motorizados. Enganche a la red de gas natural (en España todavía no es posible). Producción de sustancias químicas. Dependiendo del tipo de quipo, el fabricante requerirá otros datos a mayores de la PCI tales como la altitud sobre el nivel del mar, la temperatura ambiente, fluctuaciones permitidas por el sistema de control de caudal, composición del biogás suministrado, condensación de agua en las tuberías y equipos, presencia de partículas abrasivas en suspensión, etc Principios de la combustión. El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio abanico de equipos descomponiéndose, principalmente, en CO2 y H2O. El requerimiento de aire mínimo sería del 21% pero esta cifra debe ser aumentada para lograr una buena combustión. La relación aire gas puede ser ajustada aumentando la presión del aire, incrementado la apertura de la válvula dosificadora de gas (el biogás requiere de una apertura de 2 a 3 veces mayor utilizada por el metano puro) y modificando la geometría del paso de aire desde el exterior. Debido al contenido de CO2 el biogás una velocidad de propagación de la llama lenta, 43 cm/s y por lo tanto la llama tiene a escaparse de los quemadores. La presión par aun correcto uso del biogás ha de oscilar entre los 7 y los 20 mbar. Ha de tenerse especial cuidado con este aspecto debido a que han de calcularse las pérdidas de presión de salida del gasómetro. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 15 APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS Aprovechamiento del Biogás en unidades de cogeneración. Para la generación de energía eléctrica se utiliza el biogás como combustible para los generadores. El calor resultante de la combustión y del enfriamiento de la camisa del motor, puede utilizarse para calentar el agua para la calefacción del digestor o para cualquier uso industrial o agroindustrial que requiera energía calorífica. Las principales características que ha de tener un motor de biogás que genere energía eléctrica son las siguientes: Una vida útil operando a plena carga. Excelente grado mecánico de eficiencia. Operación y mantenimiento sencillos. Rápida disponibilidad de repuestos. Bajo nivel de ruido y emisiones de gases contaminantes. Enfriamiento por agua para que esta sea aprovechada con otros fines. Que pueda operar con biogás con un contenido alto de humedad y trazas de otros gases, a parte del metano. Que no contenga metales corrosibles. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 16

9 APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS Recuperación del calor. La recuperación de parte del calor de combustión procede del agua de refrigeración de la camisa del motor y de los gases de escape, produciendo agua caliente por intercambio de calor en un cambiador dual. La temperatura de salida es de entre ºC. Esta energía térmica puede destinarse a la calefacción de los digestores, al sistema de higienización si procede, a sistemas de calefacción en edificios residenciales o públicos, como aporte térmico a procesos industriales que lo requieran y estén en las proximidades. Inyección a la red. El biogás producido en este tipo de plantas tiene una composición similar al que circula por la red de distribución general. Habría que someter al biogás a un proceso de purificación y enriquecimiento para igualar las características del gas natural pero es una tecnología que existe y que ha demostrado su viabilidad en otros países, como Suecia. La inyección de biometano en la red de gas natural permite rebajar los costes de transporte de esta energía renovable y reducir la dependencia energética del exterior. Utilización en el transporte. El uso del biogás como combustible en el transporte es similar, tecnológicamente hablando, al del gas natural. Es necesario eliminar todos los compuestos distintos del metano hasta convertirlo en un gas asimilable al gas natural. Una vez transformado, las posibilidades de uso son iguales: Comprimido. Licuado. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 17 INSTALACIONES DE EVACUACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. La energía producida en la unidad de cogeneración ha de ser transformada y acondicionada para su inyección a la red. Las plantas que producen energía eléctrica para inyección a red cuentan con un Centro de Transformación o una Subestación Elevadora, cuando la planta es de grandes dimensiones y la potencia a evacuar justifica la inversión. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 18

10 DIGESTATO Como subproducto de la digestión anaerobia se obtiene dos productos aprovechables: el biogás y el digestato. El residuo orgánico que se descarga del biodigestor obtenido en los procesos de digestión anaerobia es un lodo de consistencia fluida, con un contenido de MS de entre el 7 y el 8%, con excelentes propiedades fertilizantes que está constituido por la fracción orgánica que no se ha digerido y por el material orgánico agotado. El digestato obtenido tiene menos olor que los sustratos de partida (purín, estiércol, ) y puede aplicarse directamente al campo en forma líquida en las cantidades recomendadas. En el proceso de biodigestión se mejora la capacidad fertilizantes, se conservan los nutrientes (Nitrógeno, Fósforo, Potasio.). Características del digestato: Composición homogénea. Facilita la separación de fases. Se mantiene la concentración de nutrientes (NPK) de la alimentación. Mayor grado de mineralización, que se traduce en mayor disponibilidad para el cultivo. Reducción de olores. Reducción de patógenos, larvas, semillas malas hierbas. Almacenamiento. Existen varias posibilidades de almacenar el digestato producido durante la digestión anaerobia: Depósitos abiertos de hormigón. Depósitos cerrados de hormigón, similares a los digestores. Lagunas de almacenamiento, que pueden ser abiertas o cerradas. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 19 DIGESTATO. Tratamientos. Separación Sólido Líquido. Mediante una prensa de tornillo sin fin si separa la fracción sólida de la líquida del digestato. Se obtiene una fracción sólida con un contenido de materia seca del 25% lo que hace su transporte y manejo muy fácil y por otro una fracción líquida con un contenido de MS del 3% pudiéndose esta última tratarse para eliminar los contaminantes y verterlos a la red de saneamiento o a cauce previa autorización. Secado de digestato. Uno de los procesos de mejora del digestato es el aprovechamiento de la energía térmica del motor para el secado del mismo. El porcentaje de humedad con el que sale del digestor es muy elevado, aproximadamente, el 8% de Materia Seca, por lo que para su transporte y manejo como abono agrícola se hace aconsejable reducir dicha humedad. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 20

11 OTRAS INSTALACIONES. A parte de las ya citadas tenemos otras instalaciones que forman parte de la planta de biogás, como la unidad de control, la antorcha para emergencias, las conducciones, etc. También puede haber variaciones con respecto al sistema de alimentación, al almacenamiento. En las siguientes imágenes se muestran ejemplos de ello. 20 de Octubre de 2010 BIOGAS REGIONS 21