II FORO LEQUIA RETOS Y OPORTUNIDADES DE LA PURIFICACIÓN DEL BIOGÁS Mejora en la producción del biogás y aprovechamiento energético como biocombustible Ponente: Pilar Icaran López Dep. Innovación y Tecnologia
Movilidad autóctona y sostenible Energías renovables El agua sucia que mueve coches Aqualia desarrolla en la depuradora de El Portal un proyecto de generación de biocombustible para vehículos con el metano de las aguas residuales. http://m.diariodejerez.es/jerez/agua-sucia-mueve-coches_0_1086191743.html
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OBJETIVOS El proyecto SMART Green Gas investigará durante los próximos cuatro años la valorización energética de residuos y efluentes a través de la obtención de biometano. Este combustible autóctono y renovable se utilizará en el sector de la automoción o para la inyección en la red de distribución de gas natural. Para alcanzar este objetivo, se desarrollarán nuevos sistemas de máxima eficiencia para la producción de biogás y de biometano, así como procedimientos para el refino, control y distribución inteligente de biometano.
Necesidad del proyecto Contribuir con una nueva tecnología al suministro autóctono de la demanda de energía con fuentes renovables, atendiendo las prioridades españolas y del espacio europeo (20, 2020) Apoyo a la Sostenibilidad Energética y Lucha contra el Cambio Climático El fomento de generación de energía autóctona y renovable es uno de los objetivos en la UE (Directiva 2009/28/CE). Dentro de la reducción de emisiones de GEI se contempla el fomento y uso de biometano (comunicación CE). El transporte de energía a través de gaseoductos es más eficiente y flexible (almacenamiento de energía) que a través de redes eléctricas. Incremento en la valorización de residuos Reducir las emisiones de la flota de 95g CO2/km frente a 147g CO2/km 5
Como se ha diseñado El problema se aborda de manera integral y global y por ello se actuará en cuatro niveles de la cadena de valor: o Pre-tratamiento de residuos. o Producción de Biogás con la máxima eficiencia. o Purificación y valorización ( upgrading ) del Biogás para producción de Bio-Metano o Gas Natural Renovable de alta pureza o concentración. o Distribución inteligente mediante monitorización y control remota en tiempo real de todas las fases anteriores y de la inyección a red. 6
Ventajas del biometano como biocombustible 7
ACTIVIDADES Para ello, el proyecto se ha estructurado en tres líneas de trabajo: 1.Desarrollo de sistemas de nueva generación de máxima eficiencia para la producción de biogás. 2. Desarrollo de novedosas técnicas de tratamiento, refino y producción de biometano. 3. Desarrollo de innovadores sistemas para el control y distribución inteligente de biometano sistema distribución inteligente y especializada, SMART GRID GAS. 8
Actividad I (FCC aqualia) Optimización de producción de biometano mediante pre-tratamiento de lodos con acido nitroso (FNA) Optimización mediante proceso electroquímico para el incremento de producción de biogás e Integración en digestor y ensayos de campo sistema electroquímico integrado (colabora también DIMASA grupo) Metanización bioelectroquímica Doctor Colprim Optimización con sistemas de producción de Biometano mediante la conversión biológica de CO 2 en reactores anaerobios de alta presión autogenerada. Optimización mediante Co-Digestión con valorización de nitrógeno y gas. Estudio de codigestión de La Ranilla (aguas glicerinosas) 9
Producción de Biometano de alto valor mediante nuevas tecnologías de limpieza y purificación de biogás. Prototipo EDAR de Jerez. Microoxigenación para eliminación de SH 2 dentro del digestor anaerobio Otros socios: Actividad II o Desarrollo de tecnología de purificación mediante membranas de matriz mixta (MMM) y contactores de membrana. Desarrollo de Nuevas Membranas Híbridas. o Producción de Biometano de alto valor mediante Hidrogenación catalítica avanzada de CO 2 o Producción de Biometano de alto valor mediante Enriquecimiento del biogás a través de reacción biológica de H 2 y CO 2 : Metanogénesis. o Integración de tecnologías de depuración e hidrogenación catalítica y análisis de viabilidad y optimización de la Unidad de Valorización Adaptativa 10
Estado del Arte VENTAJAS Sin unidad adicional Bajocoste operación Menordilución del biogás comparado con biotrickling o biofiltros CONSIDERACIONES Seguridad Formación Sº POCA INFORMACIÓN SOBRE SU APLICACIÓN NECESIDAD ESTUDIOS I+D TECHNOLOGY FIXED COSTS OPERATIONAL COSTS Physico-chemical technologies Sulphide precipitation - ++ Ferric quelates ++ + Fe(OH) 3 ++ + Fe 2 O 3 ALTO COSTE ++ + Activated carbon OPERACIÓN - ++ Zinc Oxide - ++ Surfactants + + Glicols and ethanolamines ++ ++ Direct oxidation + ++ Biological technologies Microaerobic removal - - Biotrickling filter MENOR COSTE + - Biofilter / Bioscrubber OPERACIÓN ++ - Algae - + COSTE TRAMIENTOS ELIMINACIÓN H 2 S 11
2 + 1 2 2 0 + 2 Microoxigenación La predominancia sobre el azufre o sulfato como producto final de la oxidación depende de la accesibilidad al oxigeno; con lo cual, en condiciones limitadas de O2 (microaerobicas), el azufre será el mayor producto. 0 + 2 + 3 2 2 4 2 + 2 + 2 +2 2 4 2 + 2 + 12
EVOLUCIÓN I+D DIGESTIÓN LODO EDAR PILOTO LABORATORIO 200 L PROTOTIPO INDUSTRIAL 5 m 3 PLANTA INDUSTRIAL 1800 m 3 Aranda de Duero
Microoxigenación en Aranda de Duero Aranda de Duero Efectividad en eliminación de Sulfhídrico del 97,5 % Coste anual (electricidad) 0,08 céntimos de euro m3 tratado Si se incluye inversión amortizada en 1 año y mantenimiento no se llega a un coste de 0,5 céntimos el m3 tratado 14
Deposición de S versus sales de hierro y arenas EJEMPLO: 100 m3/día lodo mixto 50 % primario y arenas 3-5% 1000 m3 biogás/día 2000 ppm H2S Deposición teórica de S elemental: 1,5 kg/día; 550 kg/año Tratamiento con sales de hierro 17.400 kg/año= 2600 euros en sales mas coste evacuación de 17,5 toneladas mas. 100 m3/día fango aprox 2,5 kg S/día similar a las arenas (primario) que en parte se acumulan Ahorro en mantenimiento por corrosión de cogeneración etc. 15
Actividad III Sistema inteligente de medida remota de la calidad del biometano durante el proceso integrado de producción o Desarrollo de un prototipo y validación de equipos en Laboratorio Sensores para gases permanentes, H2S, siloxanos, BTX, análisis de Cl y F, microorganismos, NH3 y H2S y S total. Optimización y análisis UVA o Desarrollo de indicadores Luminiscentes para monitorización on-line de H2S/RSH, NH3 y O2 UCM Sistema de monitorización-actuación para la inyección especializada de biometano a la red de GN Diseño conceptual integrado del sistema de distribución inteligente 16
INYECCIÓN EN RED(NORMA ESPAÑOLA) = 48,2/57,6 MJ/M3 Esto implica la participación de otras empresas GNF o ENAGAS por lo que siempre será mas complicado 17
Sistema de purificación en Jerez
PRUEBAS EN EL INTERCAMBIADOR PILOTO 16 88 %CO2 14 87 %N2 %N2/%CO2 12 10 8 6 4 86 85 84 83 %CH4 % CH4 2 82 0 81 0 2 4 6 8 10 L/G Eliminación: 88 % CO 2 97 % H 2 S CH 4 lost 2-4% Biogas de calidad diferentes Biometanode calidad estable Calidad suficiente para automoción: CH 4 : 87.6 % N 2 : 8.79 % CO 2 : 3.6 % Wobbe Index: Normativa L-Gas: 44.08 MJ/m 3 37.8-46.8 MJ/m 3
ELIMINACIÓN DE SULFHÍFRICO (H2S) PRUEBA 1 COLUMNA(ABSORCIÓN) BIOGAS 1: BIOGÁS SINTÉTICO CON 20,000 PPM H2S SALIDA CON <200 PPM 97% ELIMINACIÓN H2S PRUEBA2 COLUMNAS(ABSORCIÓN+ ADSORCIÓN EN SULFATREAT ) BIOGAS REAL CON BAJO NIVEL DE H2S (200 PPM) SALIDA CON <10 PPM * *según norma alemana H2S < 21 ppm para biofuel vehicular
PRUEBAS DOBLE COLUMNA CHICLANA Eliminación: 84 % CO 2 CH 4 lost 2-3 % CH 4 : 92,7 % N 2 : 1,1 % CO 2 : 6,2 % Calidad H-Gas para automoción: Wobbe Index: Normativa H-Gas*: 46,9 MJ/m 3 46,1 56,5 MJ/m 3 *según norma alemana
UP-GRADING DOBLE COLUMNA: BIOGAS 57% CH4 L MÁX= 128 M3/DIA L/G MIN= 0,8 G MAX= 160 M3/DIA= 6 M3/H Siloxans micro g/m3 trimetilsilanol 230,71 L2 6,25 D3 26,15 L3 17,21 D4 348,18 L4 8,13 D5 4779,80 L5 1,60 D6 68,82 Total siloxans 5486,86 CHICLANA PILOTO CHICLANA DEMO JEREZ METAMORPHOSIS Caudal biogas a upgrading (m3/h) 0,4 20 20 0,7 Caudal biometano (m3/h) 0,27 14,4 3 0,4 Nº km/año (3.5 kg/100 km) 42574 2270592 473040 63072 nº coches (30000 km/año) 1,4 75,7 15,8 2,1
ESCALADO AL SISTEMA DE TRIPLE COLUMNA SIMULADO Se espera alcanzar en el sistema de triple columna un biometano de la siguientecomposición(valoresteóricossegúnsimulación): 95 % CH4 3.6 % N2 1.4 % CO2
Servicios Ciudadanos CAPEX-OPEX ABAD(SIN AFINO) Investment /(Nm 3 h) 10000 8000 6000 4000 2000 Water scrubbing Water scrubbing + regeneration Chemical scrubbing Organic Physiscal scrubbing PSA Membrane Cryogenic Potencial (ABAD) 0 RANGO DEPURADORAS AQUALIA (<150 NM3/H) 0 500 1000 1500 2000 Capacity raw biogas (Nm 3 /h) ESTIMADOS INICIAL: CAPEX = 60% water scrubbing COSTES PILOTO JEREZ (20 Nm3/h): CAPEX = 3000 /(Nm3/h) en fase de optimización
Servicios Ciudadanos LA BIOGASINERA DE JEREZ UNA REALIDAD! 0,50 kwh/nm 3 biogas 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 PSA Water scrubbing Organic physical scrubbing Chemical Membrane Cryogenic ABAD scrubbing INICIAL ESTIMADOS: OPEX = consumo soplantes 2,5 c /Nm3 x3 + 33% COSTES PILOTO JEREZ (20 Nm3/h): OPEX = consumos reales en estudio