ainia JORNADA CTL La digestión anaerobia de subproductos ganaderos

Transcripción

1 JORNADA CTL La digestión anaerobia de subproductos ganaderos Andrés Pascual centro tecnológico Centro de Tecnologías Limpias Paterna, 9 de marzo de 2011

2 Contenidos. 1. Introducción. 2. Ejemplos de plantas de biogás agroindustrial. 3. Potencial de biogás en España. Sector ganadero. 4. Materias primas. 5. Pretratamientos. 6. Digestión anaerobia. 7. Biogás. 8. Digestato 9. Olores 10. Sostenibilidad.

3 1. Introducción.

4 Qué es el biogás? El biogás es un gas combustible compuesto principalmente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), que se obtiene como resultado de la fermentación anaerobia (en ausencia de oxigeno) de materiales orgánicos biodegradables. Composición aproximada: 65% CH 4 30% CO 2 1-5% otros (H 2, agua, NH 3 ) <4.000 ppm H 2 S 1 m3 biogás equivale a la energía de 0.65 m3 de gas natural y puede llegar a producir 2.1 kwh de energía eléctrica renovable

5 Tipos de biogás. Digestores Vertedero Depuradoras FORSU Residuos Agroindustriales BIOGÁS Caldera Moto Generador Micro Turbinas Vehículos Redes de Gas Natural + Pilas de Combustible usos habituales usos emergentes

6 Esquema procesos en planta de biogás agroind. residuo1 residuo2 residuo3 Pre-tratamiento Mecánico Térmico Biológico Tratamiento del Digestato Recuperación, reducción o eliminación de nutrientes. (- ) (+?) residuon Co-digestión Anaerobia Digestor/es Digestato Separación S-L Almacenamiento MEZCLA EQUILIBRADA!!! Biogás Depuración Acondicionado Aplicación como Enmienda o Abono Sólido o Líquido (+?) Combustión En motor co-generación Calor (+ ) Calefacción, secado, Electricidad (+ ) evacuación a red eléctrica Real Decreto 661/2007

7 Ventajas de la co-digestión anaerobia. Aprovechar complementariedad química de los sustratos: mayor estabilidad y producción de biogás. Compensar estacionalidad en la disponibilidad de sustratos. Integración de los procesos de valorización (compartir instalaciones de reciclaje). Integración de metodologías de gestión de los sustratos. Ahorro de costes de inversión y mantenimiento.

8 2. Ejemplos de plantas.

9 Ejemplos de plantas individuales y centralizadas. LUGAR MEZCLA DE RESIDUOS DIGESTORES POTENCIA INSTALADA TIPO DE PLANTA Vila-Sana, Lérida (España) Juneda, Lérida (España) m3/año de purín de cerdo (70%) m3/año de residuos orgánicos agroindustriales de la zona (derivados de alcohol y aceites vegetales, lodos, residuos de frutas, cebolla y leche) (30%) T/año de purín de cerdo de 70 granjas. -Lodos de matadero y subproductos producción biodiesel (<10%). 2 digestores en serie de m3. 2 digestores de m3 1 motor de 380kWe 16,3MW (5-8% procedente del biogas ) Individual Centraliza da Karpalund, Kristianstad (Dinamarca) T/año de estiércol (50%) T/año de residuos alimentarios (45%) T/año de residuos orgánicos domésticos (5%) 1 digestor de m3 ND Centraliza da

10 Ejemplos de plantas individuales y centralizadas. LUGAR MEZCLA DE RESIDUOS DIGESTORES POTENCIA INSTALADA TIPO DE PLANTA Holsworthy, Devon (Reino Unido) T/año purines, estiércol y gallinaza de 30 granjas (80%) T/año residuos alimentarios de la zona (20%). 2 digestores de m3 2 motores de 2.1 MWe Centraliza da Nistelrode (Holanda) m3/año de gallinaza -742 m3/año de purin de cerdo -614 m3/año lodos de industrias cárnicas y del pescado 1 digestor principal 75 m3 y un secundario de 35 m3 Motor de 95 kw Individual Kaarssen (Alemania) T/año purín vacuno T/año de maíz de ensilaje 2 digestores x m3 1 digestor secundario m3 2 motores de kw Individual Bueren- Haden (Alemania) T/año purín T/año residuos alimentarios 2 digestores principales de 1.527m3 y 2 secundarios de 2.661m3 1 motor de 630kW Individual

11 3. Potencial de biogás en España.

12 Sp1: El Mapa proyecto MATERIAS de Potencial PROBIOGAS: PRIMAS. DISPONIBLE Objetivo PSE Inventario Comarcal de y alcance materias (GANADEROS). primas. P. Disponible: 41,2 mill T/año (84,3 % del P. Accesible) ktep/año

13 Sp1: El Mapa proyecto MATERIAS de Potencial PROBIOGAS: PRIMAS. DISPONIBLE Objetivo PSE Inventario Comarcal de y alcance materias primas. (CARNICOS). P. Disponible: 2,2 mill T/año (68,0% del P. Accesible) 32 ktep/año

14 Sp1: El proyecto Mapa MATERIAS de Potencial PROBIOGAS: PRIMAS. DISPONIBLE Objetivo PSE Inventario de y Comarcal alcance materias primas. (LACTEOS). P. Disponible: 1,9 mill T/año (61,9% del P. Accesible) 45 ktep/año

15 Sp1: El Mapa proyecto MATERIAS de Potencial PROBIOGAS: PRIMAS. DISPONIBLE Objetivo PSE Inventario de y Comarcal alcance materias primas. (PESCADO). P. Disponible: 0,3 mill T/año (64,3% del P. Accesible) 15 ktep/año

16 Sp1: El Mapa proyecto MATERIAS de Potencial PROBIOGAS: PRIMAS. DISPONIBLE Objetivo PSE Inventario Comarcal de y alcance materias (VEGETALES). primas. P. Disponible: 3,7 mill T/año (13,8% del P. Accesible) 215 ktep/año

17 Ejemplo Sp1: El proyecto MATERIAS de Ficha PROBIOGAS: PRIMAS. COMARCAL Objetivo PSE Inventario POTENCIAL de y alcance materias (T/año) primas. ACCESIBLE

18 Ejemplo Sp1: El proyecto MATERIAS de Ficha PROBIOGAS: PRIMAS. COMARCAL Objetivo PSE Inventario POTENCIAL de y alcance materias (T/año) primas. ACCESIBLE

19 4. Materias primas.

20 ST (Pfeiffer, B., 2008)

21 Biodegradabilidad Componente Presente en Biodegradabilidad anaerobia Azúcares Almidón Celulosa Proteínas Remolacha o caña de azúcar. Subproductos de una azucarera o fábrica de golosinas, etc. Excedentes de cereales, patatas, etc., subproductos de fábricas de snacks o de almidones, etc. Paja triturada, hierba, pulpas y pieles de frutas y verduras, etc. Subproductos animales, productos cárnicos, lácteos, o de la pesca, etc. Excelente Excelente Buena Excelente Grasas Subproductos de origen animal o vegetal. Buena 1) Pesticidas, antibióticos, detergentes Restos de producción vegetal, estiércol y purines, subproductos de la industria farmacéutica. Regular Sales. Salmueras o residuos salinos. No biodegradable Arena, piedras Estiércol, purines, restos vegetales, etc. No biodegradable Metales Residuos de envases. No biodegradable Plásticos Residuos de envases. No biodegradable 1) Requiere mayores tiempos de retención

22 Estiércol R i n d e r m i s t de vacuno Estiercol de vaca R i n d e r g ü l l e líquido Paja S t r o h a l l g. Paja G e r s t e n s t r o h de cebada Contenido S c h w e i n e m a g e n i n h a l t estomacal del cerdo Melaza M e l a s s e Patata K a r t o f f e l d i c k s c h l e m p e H ü h n e r g ü l l e Gallinaza S c h w e i n e g ü l l e Purín de cerdo Hojas L a u b Contenido P a n s e n i n h a l t del rumen W e i z e n s t r o h Paja de trigo Hojas de remolacha R ü b e n b l a t t azucarera Biorresiduos B i o m ü l l G e m ü s e a b f ä l l e Vegetales Trébol K l e e Hierba R a s e n s c h n i t t cortada Ensilado M a i s s i l a g e de maíz Ensilado G r a s s i l a g e de hierba Hierba Bagazo cervecería B i e r t r e b e r Estiércol P f e r d e m i s t ( f r i s c h ) de caballo Pulpa de R ü b e n p ü l p e remolacha Ensilado de remolacha Z u c k e r r ü b e n s i l a g e azucarera Corn-cob-mix Grasa F e t t a b s c h e i d e r f e t t del desnatado Grasa de F l o t a t f e t t flotación Producción de biogás [L/kg SV] Potencial Máximo de Biogás. PMB G r a s C C M Residuos matadero Residuos agrícolas Otros Residuos vegetales ind. agroalimentaria Residuos ganaderos Fuente: lfl

23 Sustratos agroalimentarios Requisitos de los sustratos para producir biogás Requisito Biodegradabilidad anaerobia y PMB Residuos agroalimentarios 2-15% de materia seca (bombeo) Co-digestión Contenido en nutrientes equilibrado Co-digestión ph/capacidad buffer adecuados No biocidas o inhibidores (AGCL, AGV, NH3,..) No contaminantes persistentes o patógenos (afecta al digerido) Otros requisitos: garantía de suministro, proximidad, coste o ingreso asociado a su uso, etc. Co-digestión?

24 5. Pretratamientos.

25 Pretratamientos OBJETIVOS MEJORA DEL RDTO. DEL PROCESO QUE TIENE LUGAR A CONTINUACIÓN (DA) Aumento de la producción y calidad del biogás Reducción del THR Reducción de la materia orgánica al final del proceso Crear condiciones favorables para el desarrollo bacteriano REGLAMENTACIÓN SANITARIA Higienización SPA CONSERVACIÓN DE SUSTRATOS Suministro constante de materia prima o alimentación del digestor (ensilado)

26 Principales tipos pre-tratamientos Tipos de pretratamientos Mecánicos (trituración) residuos de materiales estructurales difíciles de degradar (celulosa, lignina, etc.) como residuos recolección cereales, etc. Térmicos (higienización) subproductos procesado industria cárnica, deyecciones ganaderas, lodos de industrias alimentarias, etc. Biológicos (adición de bacterias específicas/ensilado/tratamientos fúngicos/tratamientos enzimáticos) cereales, maíz, pratenses, etc. Otros.

27 6. Digestión anaerobia.

28 Fases de la digestión anaerobia 20 % COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS (carbohidratos, proteínas, lípidos) 5 % HIDRÓLISIS 35 % COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES (azúcares, aminoácidos, ácidos grasos) 10 % ACIDOGÉNESIS ÁCIDOS GRASOS VOLÁTILES (acetato, propianato, butirato, etc) 17 % ACETATO (2 carbonos) CH 3 -COO - ACETOGÉNESIS 13 % Hidrógeno gas y dióxido de carbono H 2 + CO 2 SULFUROGÉNESIS METANOGÉNESIS 72 % 28 % (H 2 S + CO 2 ) METANO Y DIÓXIDO DE CARBONO CH 4 + CO 2

29 Sistemas de co-digestión anaerobia. HUMEDAD del SUSTRATO HUMEDA o SECA MESOFILO o TERMÓFILO RANGO de TEMPERATURA DISEÑO DEL PROCESO FLUJO CONTINUO o DISCONTINUO 1 ETAPA o MULTI ETAPA ETAPAS de FERMENTACIÓN

30 Configuraciones. Fermentador Post- Fermen. Digestato Estiércol + residuos líquidos

31 bombeo Configuraciones. 13 % ST Digestato Fermentador Post- Fermen. Estiércol 8 % ST (ev. purines) Tanque Pre-mezcla Sustrato 30 % ST (alternativa H2O) Recirculado 5 % ST

32 Configuraciones. Sustratos Fermentador Digestado Sustratos Residuos liquidos Fermentador

33 Componentes de una planta de biogás. Digestores Bolsas Lagunas Mezcla Completa Flujo Pistón Gasómetros Cubiertas o membranas Externos Sistemas de alimentación Bombas Tornillos sinfín Suelos móviles Pistón Agitación Sistemas fuera-borda Palas Calefacción Interna Externa Sistemas de seguridad Válvulas seguridad Antideflagración Antorcha Otros. Desulfurización Recogida de sedimentos

34 Digestores: mezcla completa. Aire Gasómetro Protección contra sobrepresiones Digestato Biogás Agitador Sustrato Calefacción Aislamiento Hormigón Trampa de condensados Aprovechamiento energético Condiciones homogéneas en todo el digestor. TRH calculado como V/Q. TRH = TR de los microorganismos. Posibilidad de recirculación para ajustar ST y para conservación de la población bacteriana. ST máx 12% (en el interior)

35 Digestores: mezcla completa.

36 Digestores: flujo pistón. Gasómetro Protección contra sobrepresiones Aire Digestato Agitador Biogás Sustrato Calefacción Aislamiento Hormigón Trampa de condensados Aprovechamiento energético Condiciones variables en cada sección transversal. Posibilidad de recirculación para ajustar ST y para conservación de la población bacteriana. ST máx 18% (en el interior)

37 Digestores: flujo pistón.

38 7. Biogás.

39 El biogás: características generales Biogás: biocombustible generado en la biometanización de materiales orgánicos. Componentes principales: metano y dióxido de carbono. Poder calorífico: depende de la concentración de metano (9,96 kwh/m 3 CH 4 ) Biogás Gas natural Metano, % CO 2, % H 2 S, ppm ,5 Agua, g/m Densidad, g/l 1,2 0,8

40 Motores de cogeneración Ventajas 40% rendimiento eléctrico Gran gama comercial de equipos. Instalaciones modulares disponibles. Facilidad de vertido de energía a la red eléctrica. Posibilidad de aprovechamiento térmico (gases de escape a 500ºC y agua caliente a 90ºC). Inconvenientes > 40 % de CH 4 Sensible a la presencia de elementos corrosivos (H 2 S) Coste de mantenimiento

41 Motores de cogeneración

42 8. Digestato.

43 Balance de masas Mat. Org. 180 kg 20 kg cenizas Rendimiento 500 L biogás/kg SV Biogás = 90 m3 = 118 kg + M.O.= 62 kg 20 kg cenizas Agua 800 kg Agua 800 kg 1000 kg sustrato ST= 20% SV= 90 %ST 882 kg digestato ST= 9,3 % SV= 75%ST

44 Los digestatos y su aprovechamiento. Composición homogénea Reducción de olores Reducción de AGVs (fitotóxicos) N orgánico N amoniacal Reducción la materia orgánica degradable Facilidad en la separación de fases Se mantiene la concentración de nutrientes (NPK) de la alimentación NECESIDAD DE UN BUEN PLAN DE GESTIÓN DE DIGESTATOS PARA UN ADECUADO RECICLAJE DE LOS NUTRIENTES.

45 Los digestatos y su aprovechamiento. Digerido Sustrato Tipo, ST SV Biogás Metano Prod. Eléctrica Nutrientes [kg/t FM] procedencia [%] [% ST] [Nl SV] [%] [kwh/t FM] N 1) P 2 O 5 K 2 O Residuos ganaderos Gallinaza sin paja ,4 14,3 13,5 Estiércol de caballo sin paja Estiércol vacuno con restos de alimentos ,5 1,7 6,3 Estiércol vacuno sin restos de alimentos ,3 1,6 5,9 Estiércol vacuno ,0 3,2 8,8 Purín de cerdo ,6 2,5 2,4 Fuente: KTBL-Arbeitsgruppe "Biogaserträge" 1) Se han tenido en cuenta unas pérdidas de N del 28% por almacenamiento y aplicación

46 9. Olores.

47 Reducción de olores. Hydrogen sulfide and odor threshold in gases from digested and undigested manure. Dr. Dwaine Bundy. (Iowa State University). USA.

48 Reducción de olores.

49 10. Sostenibilidad.

50 Sostenibilidad

51 Gracias por su atención Andrés Pascual