Potencial de la producción de biogás

Potencial de la producción de biogás Energía a partir de biomasa POTENCIAL TEÓRICO POTENCIAL DISPONIBLE POTENCIAL TÉCNICO POTENCIAL ECONÓMICO POTENCIAL IMPLEMENTABLE 1

Clasificación de los distintos tipos de biomasa disponibles Biomasa seca Forestal Agroindustria Desechos de plantaciones Desechos de poda y maleza Residuos de matadero Grasas y aceites Lodos PTA Residuos sólidos urbanos (RSU) Estiércol avícola Biomasa húmeda Residuo industrial líquido (RIL) Aguas residuales domésticas Estiércol vacuno Estiércol porcino Factores de conversión (materia orgánica seca) RILes 500 m3 biogás/ton DQO degradado 0,60 Desmal. y poda 270 m3 biogás/ton residuo 0,70 Cultivos de temp. Trigo 500 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Maiz 700 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Papa 700 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Raps 200 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Remolacha 500 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Agroindustria Vitivinícola 700 m3 biogás/ton materia orgánica 0,62 Cervecera 700 m3 biogás/ton materia orgánica 0,63 Láctea 500 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Conservera 510 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Bebidas de infusión 330 m3 biogás/ton materia orgánica 0,60 Mataderos 430 m3 biogás/ton materia orgánica 0,65 RSU 850 m3 biogás/ton materia orgánica 0,50 Grasas 430 m3 biogás/ton materia orgánica 0,70 Estiércol vacuno 500 m3 biogás/ton DQO degradado 0,60 Trat. aner. ARU 480 m3 biogás/ton DQO degradado 0,63 Lodos PTA 550 m3 biogás/ton materia orgánica 0,62 Estiérol avícola 520 m3 biogás/ton DQO degradado 0,58 Estiércol porcino 480 m3 biogás/ton DQO degradado 0,62 2

Combustible 100% Gases 350 550ºC 20 30% Electricidad 30 40% Sistema de enfriamiento del motor T < 50ºC 5% T < 100ºC 20 30% 3

vapor Agua de alimentación Gases de escape Caldera recuperadora (10 bar) y economizador Electricidad Intercambiador de calor de placas radiador Agua 15ºC Eficiencia de conversión a energía eléctrica: 38% Poder calorífico del biogás promedio: 5750 kcal/m 3 Energía eléctrica a partir de biogás: 2.54 kwh/m 3 Energía térmica recuperada a partir de los gases de combustión: 1.38 kwh/m3 Energía por calentar agua de enfriamiento: 1.94 kwh/m 3 Energía total obtenible: 5.86 kwh/m 3 4

CÁLCULO DE GENERACIÓN A PARTIR DE BIOGÁS m3 biogás/año generados 29568000 109500 109500 m3 biogás/año disponibles 28089600 109500 109500 potencia instalada 2000 kwe 25 25 eficiencia del motor 42% % 28% 28% rendimiento térmico 22% % 15% 15% contenido de metano 63% % 72% 72% Poder Cal metano 35,98 MJ/Nm3 35,98 35,98 9,99 kwh/nm3 9,99 9,99 Poder Cal biogás 6,30 kwh/nm4 7,20 7,20 hs de plena carga anual 7884 h/año 7884 7884 En. Eléctrica cogenerada 15768000 kwhe/año 197100 197100 Generación térmica 8409600 kwh/año 105120 105120 consumo de biogás 6028703 m3/año 97371 97371 688 m3/h 11 11 tasa de cambio 20 20 20 costo motor 438 U$S/kWe 1883 1883 costo motor 875285 U$S 47075 47075 conexión a la red 10000 U$S 10000 10000 costo digestor y equipos 4000000 U$S 100000 costo de edificación 487529 U$S 14707 costo de conexión a red de vapor 20000 U$S 20000 20000 costos planificación etc. 539281 U$S 19178 7707 costos de inversión 5932095 U$S 210961 84782 2966 U$S/kWe 8438 3391 matenimiento del motor 0,0107 U$S/kWe 0,0284 0,0284 169319 U$S/año 5596 5596 mantenimiento de equipos 90351 U$S/año 24% 2894 10% 600 10% costo personal operativo 8 U$S/h 8 8 46720 U$S/año 4% 46720 57% 46720 73% vida útil 15 años 15 15 interés anual 10% % 10% 10% costo de capital 771172 U$S/año 72% 27425 33% 11022 17% costos operacionales 1077562 U$S/año 82635 63938 0,068 U$S/kWhe 0,419 0,324 1,37 $/kwhe 8,39 6,49 tarifa media 1,57 $/kwhe 5

Potencia instalada 2000 kw costo motor conexión a la red costo digestor y equipos costo de edificación costo de conexión a red de vapor costos planificación etc. costos anuales 0.068 U$S/kWh + calor aprovechado mantenimiento personal costo de capital Potencia instalada 25 kw costo motor conexión a la red costo digestor y equipos costo de edificación costo de conexión a red de vapor costos planificación etc. costos anuales 0.42 U$S/kW + calor aprovechado mantenimiento personal costo de capital 6

Aprovechamiento energético en destilería de alcohol carburante a partir de caña (tomado de Van Haandel, 2004) Alcohol (1m 3 ) 40 DESTILERÍA 100 PLANTACIÓN DE CAÑA (0.2Há) vapor 24 Bagazo Vinaza 12 GENERADOR CALDERA 24 Alcohol (1m 3 ) 40 vapor Bagazo DESTILERÍA Vinaza 100 0.5 MWh 1.0 MWh 3.5 7 GENERADOR GENERADOR metano calor UASB SEDIMENTADOR CALDERA SECADOR calor PLANTACIÓN DE CAÑA (0.2Há) Nutrientes, alcalinidad 7

Alcohol (1m 3 ) vapor 40 Bagazo DESTILERÍA Vinaza 100 1.75 MWh 0.5 MWh 12 3.5 GENERADOR GENERADOR UASB SEDIMENTADOR calor metano metano CALDERA SECADOR DIGESTOR calor PLANTACIÓN DE CAÑA (0.2Há) Nutrientes, alcalinidad Análisis primario de costos (180 días de operación) Costos anuales Beneficio Anual Beneficio neto Item tamaño unidad costo/ Inversión costos costos costos venta de energía unidad financ. operat. totales (U$S30/MWh) UASB 25 m3 200 5000 500 250 750 Generador d 21 kw 400 8333 833 417 1250 vinaza 2700 Combustión 21 kw 600 12500 1250 1872 3125 bagazo 5400 total 5125 8100 2975 por m3 alcohol 28 45 17 8

SCOD CONCENTRATION (mg/l) 08/10/2012 Ejemplo a escala real: Efluente de cervecería PARAMETRO UNIDAD Flujo m³/d 2720 5780 DQO prom. DQO rango mg/l mg/l 4043 2020 5790 SS mg/l 260 2160 Temperatura O C 21 40 ph 2.6 7.0 6000 COD influent COD effluent 5000 Carga: 17 tondqo/ d Dimensiones del reactor: V = 500 m 3, h = 25 m, d = 5 m 4000 3000 2000 1000 Lodo producido: 0.6 ton materia seca (aerobico, más de 8 tons..) 0 0 100 200 300 400 500 600 700 DAY NUMBER Efluente de cervecería: Beneficio Energético Energía recuperada: 17 ton DQO x 0.85 (eff) x 3820 kwh** x 40% CHP eff. = 22 MWh-e/d 1MW potencia No hay consumo de energía: Requerimiento promedio de energía para lodos activados: 1 kwh-e/kg DQO removido Ahorro: 17 ton DQO x 0.9 (eff.) = 15 MWh-e/d Beneficio energético total: 22 + 15 = 37 MWh-e/d 2200 /d (con 0.06 /kwh) 9

Créditos de carbono Emisiones de CO 2 con la producción convencional de electricidad: Planta a Carbón : 0.86 ton CO 2 /MWh-e Planta a Gas Natural: 0.44 ton CO 2 /MWh-e Si se usa bio-ch 4 como combustible renovable se reducen las emisiones de CO 2 Efluente de cervecería: redución de emisiones de CO 2 Energía recuperada: 17 ton DQO x 0.85 (eff) x 3820 kwh** x 40% CHP eff. = 22 MWh-e/d 19 ton CO 2 reducción/d (coal) No se consume energía por: 17 ton DQO x 0.9 (eff.) = 15 MWh-e/d 13 ton CO 2 reducción/d (coal) Reducción total de emisiones de CO 2 : 19 + 13 = 32 ton CO 2 /d 380 /d (a 20 /ton CO 2 ) 140.000 /año 10

Tratamiento de efluentes de maltería OPCIÓN 1 LODOS ACTIVADOS UASB lodos lodos OPCIÓN 2 LODOS ACTIVADOS lodos Selección de un sistema de tratamiento de efluentes en base a: Aspectos económicos Aspectos energéticos Aspectos ambientales Etc.. IChemE (Institution of Chemical Engineerings, 2002) recomienda para la industria de procesos la utilización de las Sustainable Development Progress Metrics en base a indicadores AMBIENTALES ECONÓMICOS SOCIALES Para cada aplicación concreta deben seleccionarse los indicadores adecuados. 11

Indicadores ambientales ( Metrics ) Uso de recursos: Energía Materiales Agua Superficie ocupada Emisiones: Atmosféricas Al agua A la tierra Ítems adicionales Salud Impactos de contrucción Normativas Áreas protegidas Recursos no renovables otros Indicadores ambientales seleccionados Por su importancia especial los indicadores energéticos se consideran aparte Del uso de recursos el más importante es la superficie ocupada De las emisiones atmosféricas se generan gases de efecto invernadero, CH 4 en el caso anaerobio y CO 2 debido al consumo de combustibles fósiles para energía. Se miden en ton CO 2 equivalentes (el metano es 21 veces más que el CO 2 ) Las emisiones sólidas son el lodo de purga, que es necesario al menos llevar a un determinado contenido de humedad. 12

indicadores ambientales 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 superficie (m2/(m3/d)) lodo (kgst/m3) CO2 (tco2/(10^3m3)) 0.4 0.2 0.0 1 2 1 opción anaerobia-aerobia 2 opción aerobia Indicadores energéticos seleccionados Energía consumida, básicamente para la aireación de los sistemas aerobios Energía producida, básicamente por la generación de biogás como recurso energético Energía neta, del balance entre generación y consumo 13

indicadores energéticos 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 energía gastada (kwh/m3) energía producida (kwh/m3) energía neta (kwh/m3) -2.0-4.0-6.0 1 2 1 opción anaerobia-aerobia 2 opción aerobia Indicadores económicos seleccionados Por tratarse de un sistema de tratamiento de efluentes al final de cañería no se considera que existan beneficios o valor agregado en el sentido utilizado para producción de bienes. Costos de inversión: obra civil, construcciones auxiliares, equipos Costos de operación: Gasto de energía en aireadores Manejo y disposición final de lodos de purga (U$S 50/ton SST incluyendo transporte) Costo total (incluyendo amortización de la inversión a 10 años con un 5% de interés) 14

indicadores económicos 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 costo de inversión (U$S/m3) costo de operación (U$S/m3) costo total (U$S/m3) 0.2 0.0 1 2 1 opción anaerobia-aerobia 2 opción aerobia Conclusiones El estudio de sostenibilidad es una guía interesante a lo hora de seleccionar opciones de tratamiento. De acuerdo la herramienta utilizada (IChemE Sustainability Metrics) y a los indicadores seleccionados en este trabajo (ambientales, energéticos y económicos), el sistema anaerobio/aerobio resulta más sostenible que el sistema puramente aerobio, resultado todos los valores claramente favorables al primero. 15