APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS. Francisco García Herruzo

APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN

VERTEDEROS CONTROLADOS

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

Captación del biogás producido en vertederos

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

MARCO LEGAL DEL VERTIDO DE RESIDUOS

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

50 60 70 80 90 100 P o rc e n ta je ( % )

GESTION DE LOS RESIDUOS URBANOS (UE-27) EN 2010.

Fuente Eurostat

0 10 20 30 40 B u lg a ri a R u m a n ía L it u a n ia L e to n ia M a lt a G re ci a E sl o va q u ia C h ip re E st o n ia P o lo n ia H u n g rí a R e p , C h e ca P o rt u g a l E sp a ñ a E sl o ve n ia Ir la n d a It a lia R e in o U n id o F in la n d ia F ra n ci a L u xe m b u rg o D in a m a rca S u e ci a B é lg ica A u st ri a H o la n d a A le m a n ia U E -2 7 Países P o rc e n ta je ( % ) Incineración Compost+Reciclaje Vertedero

VERTEDERO CONTROLADO O RELLENO SANITARIO ANAEROBIO

Vertido de RSU controlado:

Sistema habitual de eliminación (58%)

•Fuente emisora de

contaminantes atmosféricos

(CH

₄

, CO

₂

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 CO

2

(espacios cerrados)

• Malos olores

• Daños en la vegetación: desarrollo superficial de raíces, asfixia……….

• Efecto invernadero: 21 veces superior al CO

2

Extracción y valorización del biogás por combustión

Componente Residuos agrícolas Lodos depuradora Vertedero Metano _{50-80% 50-80 % 40-70%} Dióxido de carbono _{30-50% 20-50 % 35-55 %}

Agua _{Saturado Saturado Saturado}

Hidrógeno _{0-2% 0-5 % 0-1%}

Sulfuro de hidrógeno _{100-700 ppm 0-1 % 5-100 ppm}

CARACTERÍSTICAS Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

COMPONENTES DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILIZADO

Sulfuro de hidrógeno _{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}

Tipo de residuo Tipo de residuoTipo de residuo

Tipo de residuo Sólidos volátiles (%)Sólidos volátiles (%)Sólidos volátiles (%)Sólidos volátiles (%) Producción biogás (mProducción biogás (mProducción biogás (mProducción biogás (m3333_/t)/t)/t)/t)

Purines de cerdo 3-5% 10-20

Fangos residuales 3-4 % 15-25

FORSU separada en origen 20-30% 150-240 PRODUCCIÓN DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILIZADO

PROCESO DE FORMACIÓN DEL BIOGÁS

Compuestos orgánicos complejos (Carbohidratos, lípidos, proteínas) Hidrólisis Acidogénesis Acetato Acidos grasos volátiles Acetogénesis Compuestos orgánicos simples (Azúcares, aminoácidos , péptidos, ácidos grasos) NH₃, H₂ CO₂ H₂ + CO₂ CH₄ + CO₂ Metanogénesis 30 % 70 % 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,….

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.

FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS

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

FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS

I = Fase inicial (O₂↓) (CO₂↑)

II = Fase de Transición (CO₂↑))

III = Fase ácida ((CO_2max)

IV = Fase metanogénica (CH4↑)

Producción teórica de biogás

Producción real de biogás

Clausura del vertedero

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS

Etapa de funcionamiento Etapa de clausura

Potencial de biogás generado

1 t de RSU ≈ 80-130 Nm3_{. (200 Nm}3 _{max). Tasa de recuperación: 40-70%}

Etapa de funcionamiento del vertedero: Mayor cantidad de biogás Etapa de clausura: Descenso progresivo durante muchos años

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}

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

PARÁMETROS ASOCIADOS A LA GENERACIÓN DE BIOGÁS

Factores limitantes en la captura del biogás generado

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS

• 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…...

Factores limitantes en la captura del biogás generado

Medidas directas y continuas en el sistema de captación del vertedero

CONTROL DEL BIOGÁS: ESQUEMA BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO

1.- Pozos de captación

5.- Motogeneradores

2.- Colector principal

6.- Subestación y línea eléctrica

3.- Central de aspiración (soplantes)

7.- Balsa de lixiviados

POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS

D: 300-500 mm Profundidad:15-25 m PEAD negro • DN 300 • DN 180 L. principales 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} Profundidad:15-25 m Barrena helicoidal • DN 180 L. principales • DN 90 conexión Válvulas manuales

POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS

• Elementos de captación y conducción

OTRAS CONSIDERACIONES DE

LA CAPTACIÓN

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

Pozo de captación con

desgasificación pasiva

• 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

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

CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN

CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN

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

Generación de energía eléctrica

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

EQUIVALENCIA ENERGÉTICA DEL BIOGÁS RESPECTO DE

OTRAS FUENTES DE ENERGÍA. Fuente: CIEMAT

0,7 L de fuelóleo

1 m3 _{de biogás} (70%CH₄+30%CO₂)

1,2 L de alcohol

combustible

0,8 L de gasolina

1,5 kg de madera

0,7 L de fuelóleo

(70%CH₄+30%CO₂) 6.000 kcal

0,7 m

3

_{de gas}

natural

6,8 kWh

1,5 kg de madera

0,3 kg de carbón

PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS

Sustancia

Efectos

H

₂

S

Corrosión

Toxicidad

Agua

Formación de condensados

Formación de soluciones ácidas

CO

₂

Reducción del poder calorífico

NH

₃

Formación de óxidos de nitrógeno

SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN EL BIOGÁS Y SUS EFECTOS

Analizador portátil de biogás

NH

₃

Formación de óxidos de nitrógeno

Partículas

Obturaciones

Siloxanos

Detonación y abrasión del motor de combustión

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

−−−−

+

VALORES LÍMITE DEL BIOGÁS RECOMENDADOS EN MOTORES

Parámetro

Valor límite

Observaciones

PCI (kcal/Nm

3

₎

_4.075-5.500

_{Disminuir CO}

2

Humedad

<80%

Separador de condensados

Tª rocío gas húmedo

>15ºC

Calefacción del biogás

Oxígeno

<1%

Corregir entrada de aire

Hidrógeno

<12%

PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS

Hidrógeno

<12%

C4+ HC superiores

<2%

H

₂

S

<800 ppm

Adsorción en sales férricas

Silicio y siloxanos

<4 mg/Nm

3

_{Filtración por carbón activo}

NH

₃

<33 ppm

Partículas (1-5

µ

)

<5 mg/Nm

₃

Filtración

Tecnología en desarrollo

Biofiltros

: Filtro percolador con bacterias y oxígeno

H

₂

S: (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) :

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. Motor MEC

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

• 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 CH

₄

• Muy crítico con la presencia de elementos corrosivos (pretratamientos)

• Alto grado de mantenimiento

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:

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES

ELEMENTOS AUXILIARES Generador sincrono /d m 6000 h/d 24 · /h m 250 trabajo de h 24 ⇒ 3 = N 3

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

ELEMENTOS AUXILIARES

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

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES

España 2011:

•40 vertederos con plantas de

generación de energía eléctrica

•100 MW de potencia instalada

•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

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN. CONTROL

CUADRO DE MANDO

• 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 temperatura de combustión

•Desconexión por sobrecalentamiento del quemador

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

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MICROTURBINAS

COSTES DE PUESTA EN MARCHA. Ente Vasco de la Energ

í

a (EVE)

Datos constructivos

:

Plazos:

•

Periodo de Construcción (meses): 12

•

Vida útil (años): 25

Requisitos Emplazamiento

•

Conexión a la red eléctrica

•

Superficie requerida (m

2

_{): 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

VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

•

Superficie requerida (m

2

_{): 1.500}

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%

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

PRODUCCI

Ó

N Y VENTA DE ELECTRICIDAD

VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

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

GRACIAS POR SU ATENCIÓN