Ponencia Aprovechamiento de biogás de Vertedero
Anuncio
APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS Francisco García Herruzo APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS Marco legal sobre vertederos. Situación en la UE-27 Generación del biogás en vertederos Captación del biogás producido en vertederos Valorización del biogás: Producción de energía eléctrica MARCO LEGAL DEL VERTIDO DE RESIDUOS Directiva 1999/31/CE: Normativa europea sobre vertederos Decisión 2003/33/CE: Criterios y procedimientos de admisión de residuos en los vertederos Real Decreto 1481/2001 y RD 1304/2009 Regula la eliminación de residuos en vertederos Regula la apertura, explotación y cierre de vertederos Se establecen los criterios de admisión de residuos Anexo I (punto 4): Control de gases 1. Se tomarán las medidas adecuadas para controlar la acumulación y emisión de gases de vertedero. 2. En todos los vertederos que reciban residuos biodegradables se recogerán los gases de vertedero, se tratarán y se aprovecharán. Si el gas recogido no puede aprovecharse para producir energía, se deberá quemar. 3. La recogida, tratamiento y aprovechamiento de los gases se llevará a cabo de forma tal que se reduzca al mínimo el daño o deterioro del medio ambiente y el riesgo para la salud humana. Países UE-27 Alemania Holanda Austria Bélgica Suecia Dinamarca Luxemburgo Francia Finlandia Reino Unido Italia Irlanda Eslovenia España Portugal Rep, Checa Hungría Polonia Estonia Chipre Eslovaquia Grecia Malta 30 Letonia Lituania Rumanía Bulgaria Porcentaje (%) GESTION DE LOS RESIDUOS URBANOS (UE-27) EN 2010. Fuente Eurostat 100 90 80 70 60 50 40 Incineración Compost+Reciclaje Vertedero 20 10 0 VERTEDERO CONTROLADO O RELLENO SANITARIO ANAEROBIO Vertido de RSU controlado: Sistema habitual de eliminación (58%) •Fuente emisora de contaminantes atmosféricos (CH4, CO2 y trazas de COV) •Fuente de contaminación de aguas subterráneas (lixiviados) •Pérdida significativa de material reciclable y/o valorizable (≈80%) Impacto ambiental y riesgos del biogás • Incendio y explosión: Mezclado con aire en proporciones del 7-15% Situación de riesgo en puntos distantes de vertedero (migración) •Toxicidad: Asfixia por metano y CO2 (espacios cerrados) • Malos olores • Daños en la vegetación: desarrollo superficial de raíces, asfixia………. • Efecto invernadero: 21 veces superior al CO2 Extracción y valorización del biogás por combustión Combustible renovable (sustitución de combustibles fósiles) CARACTERÍSTICAS Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS COMPONENTES DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILIZADO Componente Residuos Lodos agrícolas depuradora Metano 50-80% 50-80 % 40-70% Dióxido de carbono 30-50% 20-50 % 35-55 % Saturado Saturado Saturado 0-2% 0-5 % 0-1% 100-700 ppm 0-1 % 5-100 ppm Nitrógeno 0-1% 0-3% 0-20% Oxígeno 0-1 % 0-1% 0-5% Otros (COVs, NH3…) Trazas Trazas Trazas Agua Hidrógeno Sulfuro de hidrógeno Vertedero PRODUCCIÓN DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILIZADO Tipo de residuo Sólidos volátiles (%) Producción biogás (m3/t) Purines de cerdo 3-5% 10-20 Fangos residuales 3-4 % 15-25 20-30% 150-240 FORSU separada en origen PROCESO DE FORMACIÓN DEL BIOGÁS Acidos grasos volátiles Acidogénesis Compuestos orgánicos complejos (Carbohidratos, lípidos, proteínas) Hidrólisis Compuestos orgánicos simples Acetogénesis (Azúcares, aminoácidos , péptidos, ácidos grasos) Acetato H2 + CO2 Relación de nutrientes • C/N:20/1-30/1 • N/P: 1/5-1/7 Temperatura: • Psicrofílica(<30ºC) • Mesofílica:30-45 ºC • Termofílica>40ºC pH: 6,5-7,5 Inhibidores: NH3, metales pesados,…. Metanogénesis 30 % 70 % CH4 + CO2 NH3, H2 CO2 FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS Fase inicial I: Aeróbica. Fase inmediata al vertido. Formación creciente de CO2. Predomina el N2 y disminuye el O2. Temperaturas:35-40ºC. Fase de transición II: Aeróbica con desarrollo de condiciones anaeróbicas. Actúan los organismos facultativos con producción de ácidos orgánicos. Reducción significativa del pH (liberación de metales y generación de CO2). Se produce la transición a condiciones anaeróbicas, reduciéndose los sulfatos a H2S y nitratos a N2. Fase ácida III: Anaeróbica. Se produce la formación de ácidos de fermentación y se alcanza la mayor concentración de CO2. Fase metanogénica IV: Registra la mayor producción de metano (40-60%).Se estima que tiene una duración de 2 años. Fase de maduración V: La materia orgánica apenas es biodegradable. Clara disminución en la producción de gases en el vertedero. Duración entre 10 y 30 años. Duración: Fases I y II: Semanas - 2 o más años Fases III y IV: 4-7 años Fase V: Décadas o más de un siglo Condicionantes: Características del residuo, condiciones climáticas (temperatura), operaciones de relleno (compactación y tamaño de las celdas) y edad del relleno Características del biogás variables en el tiempo FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS I = Fase inicial (O2↓) (CO2↑) II = Fase de Transición (CO2↑)) III = Fase ácida ((CO2max) IV = Fase metanogénica (CH4↑) V = Fase de maduración (CH4↓) PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS Etapa de funcionamiento Etapa de clausura Producción teórica de biogás Producción real de biogás Clausura del vertedero Estequiometría del biogás potencial: CaHbOcNd+ (4a-b-2c+3d)/4 H2O→ (4a+b-2c-3d)/8 CH4+ (4a-b+2c+3d)/8 CO2+ d NH3 1 t de C biodegradable<> 1868 Nm3 de biogás Potencial de biogás generado 1 t de RSU ≈ 80-130 Nm3. (200 Nm3 max). Tasa de recuperación: 40-70% Etapa de funcionamiento del vertedero: Mayor cantidad de biogás Etapa de clausura: Descenso progresivo durante muchos años PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS PARÁMETROS ASOCIADOS A LA GENERACIÓN DE BIOGÁS Antigüedad del vertedero: Producción óptima: 3-5 años Cantidad de residuos depositada y composición Profundidad: 12-30 m Superficie:15-55 has Temperatura promedio anual: 15-35ºC Precipitación anual: 200-1000 mm Factores limitantes en la captura del biogás generado • • • • Pérdidas de biogás a la atmósfera a través de la superficie o de la migración lateral Pérdidas de pre-clausura (descomposición de material orgánico en condiciones aeróbicas) Descomposición anaeróbica incompleta de la capa próxima a la superficie por intrusión de aire debido a la extracción del biogás Otras pérdidas: Lavado de carbono orgánico a través de los lixiviados…... Medidas directas y continuas en el sistema de captación del vertedero (mínimo 1 semana) CONTROL DEL BIOGÁS: ESQUEMA BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO 1.- Pozos de captación 2.- Colector principal 3.- Central de aspiración (soplantes) 4.- Antorcha 5.- Motogeneradores 6.- Subestación y línea eléctrica 7.- Balsa de lixiviados POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS PEAD negro • DN 300 • DN 180 L. principales • DN 90 conexión Válvulas manuales D: 300-500 mm Profundidad:15-25 m Barrena helicoidal ELEMENTOS Pozos, línea principal y secundarias Separadores de condensados Central de aspiración (soplantes): Presión aspiración: -100 mbar Presión de impulsión:+150 mbar Estación de regulación y acondicionamiento Conjunto de generación eléctrica Antorcha: 1000-3000 Nm3/h. T>1000 ºC POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS Desgasificación pasiva venteo de los pozos a la atmósfera • Garantizar la ausencia de emisiones difusas y disminución de impactos • Peligro de realización simultánea de tareas de vertido y explotación de biogás OTRAS CONSIDERACIONES DE LA CAPTACIÓN • Elementos de captación y conducción antes de la entrada en funcionamiento • Implementación de elementos a medida que avance la explotación del vertedero • Primeras fases, clausura y postclausura: No deben plantearse sistemas de valorización, sólo combustión en antorcha Pozo de captación con desgasificación pasiva CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN Radio de influencia de los pozos: 25-30 m Profundidad: 15-25 m • Margen superficial: No desgasifica • Margen profundo: Presencia de lixiviados o suelo natural. Depresión de la soplante CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN Captación de biogás. Centro Ambiental Los Ruices (Málaga) CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN Captación de biogás. Centro Ambiental de Valsequillo (Antequera) APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS • Directiva 2001/77/CE: El biogás es una fuente de energía renovable para la generación de electricidad • Directiva 2003/30/CE: El biogás es un biocarburante para su uso en el transporte VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DEL BIOGÁS Generación de energía eléctrica • En motogeneradores (opción mayoritaria) • En turbinas de biogás (microturbinas) Depuración y utilización directa como combustible • Combustible en calderas de biogás • Inyección a la red de gas natural (biometano) • Combustible en hornos industriales • Combustible para automoción • Combustible en pilas de combustible (CH4→H2) EQUIVALENCIA ENERGÉTICA DEL BIOGÁS RESPECTO DE OTRAS FUENTES DE ENERGÍA. Fuente: CIEMAT 1,2 L de alcohol combustible 0,7 L de fuelóleo 0,8 L de gasolina 1 m3 de biogás (70%CH4+30%CO2) 6.000 kcal 1,5 kg de madera 0,7 m3 de gas natural 0,3 kg de carbón 6,8 kWh PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN EL BIOGÁS Y SUS EFECTOS Sustancia Efectos H2S Corrosión Toxicidad Agua Formación de condensados Formación de soluciones ácidas CO2 Reducción del poder calorífico NH3 Formación de óxidos de nitrógeno Partículas Obturaciones Siloxanos Detonación y abrasión del motor de combustión Analizador portátil de biogás Aprovechamiento del biogás en función de su grado de depuración Biogás Combustión Producción de electricidad Integración en la red de gas natural Combustible para vehículos Combustible para pilas de combustible − + PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS VALORES LÍMITE DEL BIOGÁS RECOMENDADOS EN MOTORES Parámetro Valor límite Observaciones PCI (kcal/Nm3) 4.075-5.500 Disminuir CO2 Humedad <80% Separador de condensados Tª rocío gas húmedo >15ºC Calefacción del biogás Oxígeno <1% Corregir entrada de aire Hidrógeno <12% C4+ HC superiores <2% H2S <800 ppm Adsorción en sales férricas Silicio y siloxanos <4 mg/Nm3 Filtración por carbón activo NH3 <33 ppm Partículas (1-5 µ) <5 mg/Nm3 Filtración Tecnología en desarrollo Biofiltros : Filtro percolador con bacterias y oxígeno H2S: (Genus thiobacillus). Eficiencias de eliminación>95% TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTORES Motores de combustión interna •Gasolina (ciclo Otto) : Motores de encendido provocado (MEP) •Gasóleo (Diesel): Motores de encendido por compresión (MEC) Propiedades del biogás como combustible •Octanaje 100-110 ⇒ motores de alta relación volumétrica de compresión, •Baja velocidad de encendido •Poco lubricante y detonante •Alto contenido en humedad •Bajo poder calorífico inferior (PCI) : Motor MEC Modificaciones de motores Motores MEP: •Carburador sustituido por cámara de mezcla aire/gas enriquecida •Arranque del motor con nafta y funcionamiento posterior con 100 % biogás Motores MEC: •Alta resistencia del metano a la autoignición ⇒ temperatura y presión insuficientes. •Inyección de fuel (5-20%) para detonar la mezcla aire-gas comprimida •Uso general de un sistema mixto de biogás y diesel con paso regulado de uno a otro. TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES MOTOR ACOPLADO A GENERADOR ELÉCTRICO Motor de combustión interna y ciclo Otto •Rendimiento eléctrico: 35 –38 %• •Rendimiento eléctrico + térmico: 45 –80 % Ventajas • Gran gama comercial de equipos. • Instalaciones modulares y transportables • Facilidad de vertido de energía a la red eléctrica • Posibilidad de aprovechamiento térmico Gases de escape a 500ºC Agua caliente a 90ºC Inconvenientes • Biogás > 40 % de CH4 • Muy crítico con la presencia de elementos corrosivos (pretratamientos) • Alto grado de mantenimiento TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES Motor de combustión interna de 6 cilindros en línea Generador de tipo sincrono de 60 kW. Velocidad: 1500-1800 rpm Potencia: 750-1050 kWe/unidad Biogás: Concentraciones promedio 60% Consumos de biogás: 250-500 Nm3/h Umbral de aprovechamiento del motogenerador: 24 h de trabajo ⇒ 250 m3 /h· 24 h/d = 6000 Nm3 /d Generador sincrono ELEMENTOS AUXILIARES Sistema de refrigeración del motor • Circuito de alta temperatura para refrigerar bloque y camisas • Circuito de baja temperatura para refrigerar aceite e intercooler. Sistema de evacuación de gases de combustión con silencioso de escape Chimenea vertical de evacuación exterior de gases de escape EMPLEO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA PRODUCIDA Transformación de la energía eléctrica de baja tensión a media tensión (20-30 kV) Interna:(20%): Alimentación eléctrica de las instalaciones del centro Externa (80%) El excedente es entregado a la red general de distribución. TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES Motogeneradores del Centro Ambiental de Valsequillo (Antequera) TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES España 2011: •40 vertederos con plantas de generación de energía eléctrica •100 MW de potencia instalada Antorcha y motogeneradores del CAM Los Ruices (Málaga) TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN. CONTROL CUADRO DE MANDO •Interruptor principal •Lámpara de señalización (alarma general) • Interruptor marcha/paro (soplante y antorcha) •Autómata de ignición •Panel de servicio •Regulación automática de temperatura de combustión •Desconexión por sobrecalentamiento del quemador SALA DE CONTROL CENTRAL • • • • • Funcionamiento completamente automático o manual de la instalación Medida de los componentes más representativos del biogás (CH4, O2, CO2 y H2S) y de sus condiciones físicas: presión, temperatura y caudal Mantiene las condiciones de funcionamiento (cantidad y composición del biogás) Controla el accionamiento de los elementos que regulan el flujo de gas Controla el funcionamiento de elementos auxiliares y sistemas de protección TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MICROTURBINAS Turbina de gas de tamaño muy reducido. Menores exigencias en el contenido en H2S y concentración de CH4 <35% Mantenimiento más reducido que en motogeneradores Potencia eléctrica con biogás:30 a 75 kW. Rendimiento eléctrico 15-30 % Vertederos pequeños y vertederos al principio y final de su vida útil • • • Funcionamiento Aire aspirado y comprimido hasta la cámara de combustión. Inyección del biogás en la cámara Expansión de gases calientes en la microturbina Vertedero de Lopez Canyon, California, 50 microturbinasde de 30 kW VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD COSTES DE PUESTA EN MARCHA. Ente Vasco de la Energía (EVE) Datos constructivos: Plazos: • Periodo de Construcción (meses): 12 • Vida útil (años): 25 Requisitos Emplazamiento • Conexión a la red eléctrica • Superficie requerida (m2): 1.500 Datos económicos: Inversión Planta de 2 x 650 kWe: 1.450 €/kW Gastos de mantenimiento: 12 €/MWh Seguros y otros: 30.000 €/año DISTRIBUCIÓN DE LA INVERSIÓN Ingeniería, dirección de obras y otros 7% Edificio de instalaciones 12% Central de extracción de biogás 32% Equipos de generación eléctrica 32% Acometida a red eléctrica 17% VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD PRODUCCIÓN Y VENTA DE ELECTRICIDAD RD 661/2007: Producción de energía eléctrica en Régimen Especial Grupo b.7, subgrupo b.7.1:”Instalaciones con combustible principal el biogás de vertederos”. Tratamiento económico de la producción, Sujeta a las tarifas correspondientes al subgrupo a.1.3: Tarifas, y primas para instalaciones de la categoría a): cogeneración u otras a partir de energías residuales. Los primeros 15 años • Tarifa regulada : 7,9920 c€/kWh • Prima de referencia: 3,7784 c€/kWh A partir de entonces • Tarifa regulada : 6,5100 c€/kWh • Prima de referencia: 0,0000 Actualización de tarifas desde RD 661/2007: Orden IET/3586/2011 Los primeros 15 años: • Tarifa regulada : 9,1341 c€/kWh • Prima de referencia: 5,0249 c€/kWh A partir de entonces • Tarifa regulada : 7,4403 c€/kWh • Prima de referencia: 0,0000 c€/kWh GRACIAS POR SU ATENCIÓN
