Valorizar energéticamente los residuos: El caso del biogás de

Transcripción

Iniciativas de eficiencia energética:
auditorías, alumbrado, biogás
Valorizar energéticamente los residuos:
El caso del biogás de explotación ganadera
Carlos Rico de la Hera
Dpto. Ciencias y Técnicas del Agua y del Medio Ambiente
E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Universidad de Cantabria
Santander, 3 de mayo de 2016
Contenido
Purín/estiércol: ¿residuo o subproducto valorizable?
Tecnologías de valorización: digestión anaerobia
Beneficios de la digestión anaerobia
Limitaciones de la digestión anaerobia
Plantas de biogás agroindustrial en Europa
Alternativas y posibilidades
Purín/estiércol: Heces y orines mezclados con restos de comida, cama del ganado y agua.
Purín (slurry)
Material semi-líquido bombeable
Ubicación: estercolero
“Bajo” contenido en MS (ST≈ 5-10%).
Estiércol (manure)
Material sólido no bombeable (paleable)
Ubicación: cuadra
“Alto” contenido en MS (ST > 15%)
Valorizar energéticamente los residuos: El caso del biogás de explotación ganadera
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Compuestos aprovechables de los purines y estiércoles
Materia orgánica biodegradable
Aprovechable en procesos de digestión
anaerobia (biogás  biocombustible)
Nutrientes (C, N, P, K…)
Aprovechable como
biofertilizante
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Censo de ganado en Cantabria (ICANE, 2015)
Nº animales
Ovino
45.000
Caprino
21.500
Porcino
2.500
Bovino
295.000
≈ 4·106 t/año de estiércol/purín
Principal aportación
Purín de vacuno de leche
Frisona ≈ 45% del bovino
RECURSO
Limitaciones
de gestión
RESIDUO
Problemas
Ausencia de incentivos
Dispersión
Cultura tecnológica
Real Decreto 261/96 sobre protección de las
aguas contra la contaminación producida por
los nitratos procedentes de fuentes agrarias
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Restricciones Real Decreto 261/96 sobre protección de las aguas contra la contaminación
producida por los nitratos procedentes de fuentes agrarias
170 kg N/(ha·año)
Globalmente se cumple en la región
Incumplimiento en zonas de concentración ganadera si no hay exportación de
nutrientes (N)
Deberíamos afrontar el reto de la gestión de los purines con la siguiente visión:
EL PURÍN ES UN RECURSO
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¿Qué es la digestión anaerobia?
-
Proceso de descomposición biológica de la materia orgánica (substrato - feedstock).
En ausencia de oxígeno.
Productos finales: CH4 + CO2 (biogás) – substrato digerido (digestato).
Hidrólisis
Carbohidratos
Lípidos
Proteínas
Acetogénesis
Azúcares
AGCL
Aminoácidos
AGV
Acetato
CO2, H2
Acidogénesis
Agua
Substrato
Purín
Metanogénesis
SVB (materia orgánica biodegradable)
SV (materia orgánica)
ST
CH4
SF (materia inorgánica)
SVR (materia orgánica refractaria
no biodegradable)
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Aplicación del proceso de digestión anaerobia
Biogás
Substrato
Purín/estiérco
l
60-70% CH4
40-30% CO2
Vapor H2O saturado
ppm N2, O2, H2S…
Digestor
Purín digerido
(digestato)
Materia orgánica
del substrato
Requisitos
Digestor en planta piloto I+D+i
CIFP La Granja, Heras (Cantabria)
Consorcio de microorganismos anaerobios
Entrada y salida de substrato
Temperatura 30-55ºC (sistema de calefacción)
pH cercano al neutro (6-8)
Tiempo y contacto M/S: mezcla + TRH (10-30 días)
Ausencia de tóxicos (inhibición)
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Características del purín para la digestión anaerobia
-
Variabilidad.
Bacterias metanogénicas.
Alta carga orgánica.
Alta concentración en
nitrógeno orgánico y
amoniacal.
- Alto contenido en agua.
- Alto contenido en SS.
- Alcalinidad (regulación del
pH).
-
Tipo/”edad” de ganado (vacuno de leche en Cantabria)
Alimentación del ganado
Tipo de cama (arena, paja, etc.)
Gestión de la granja (tareas de limpieza, estercolero)
Climatología (frío, calor, lluvia)
Influencia en la producción de biogás y CH4
Arena: incompatible con la digestión anaerobia.
Abrasión en partes móviles de equipos.
Acumulación en el fondo de los digestores.
Gestión del purín en la granja:
Dilución con agua de lavado y/o lluvia: menor contenido en SV.
Almacenamiento largo: “envejecimiento” del estiércol.
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Virtudes y debilidades del purín en digestión anaerobia
Virtudes del purín de cara a la digestión anaerobia
-
Alto contenido en agua: buena capacidad de mezcla, dilución de inhibidores.
Fuente de microorganismos anaerobios.
Alcalinidad: efecto regulador del pH.
Proceso muy estable.
Posibilidad de fallo de proceso remota:
- Entrada de tóxicos: bactericidas, fungicidas.
- Problemas de operación: arena.
- Mala construcción del digestor: fugas, mezcla pobre.
Debilidades del purín de cara a la digestión anaerobia
-
Biodegradabilidad no muy alta (≈ 50%): materiales fibrosos (celulosa, hemicelulosa, lignina).
Alto contenido en agua.
Limita la producción de CH4.
Potencial de producción
de metano
Deseable
5-25
m3
CH4 / t purín
ST > 9%
> 20 m3 CH4 / t purín
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Beneficios de la digestión anaerobia del
purín/estiércol
Beneficios de la digestión anaerobia del purín/estiércol
1- Producción de biogás (CH4)
¿Cuánto? ≈ 250 m3 CH4 / t VS
1 vaca de leche
50-60 kg/d purín
7-8% VS
Carburante renovable multifuncional
- Se puede almacenar.
- Producción de electricidad y calor combinados (CHP).
- Calor (calderas biogás).
- Inyección en red gas natural - combustible vehículos (biometano).
1 m3 CH4 / (vaca ·día)
3600 kWh (PCI) / (vaca·año)
CHP: 1250 kWhe / (vaca·año) + 2000 kWht (vaca·año)
¿€ / kwh biogás?
2- Reducción emisiones GEI
¿Cuánto? ≈ 1-2 t CO2-eq / (vaca · año)
Función metodología de cálculo
10-20 € / t CO2
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3- Eliminación de olores
Purín / estiércol digerido no huele
http://granadablogs.com/cableado
s/2014/11/01/el-estiercol-de-losparques-la-falta-de-lluvia-elhedor-y-las-quejas-vecinales/
4- Mejora en las condiciones agronómicas y sanitarias del estiércol tras ser digerido.
Eliminación de patógenos del estiércol (higienización).
Estabilización materia orgánica.
Mineralización nutrientes.
Disminución viscosidad y tamaño partícula.
5- Proceso flexible (Co-digestión).
Posibilidad de realizar el proceso en mezcla con otros residuos orgánicos (biorresiduos):
- FORM.
- Residuos de jardines y podas.
- Residuos de alimentos e industria agroalimentaria.
- Fangos EDAR.
PLANTAS DE BIOGÁS AGROINDUSTRIAL
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12345-
Producción de energía renovable.
Reducción de emisiones de GEI.
Eliminación de olores.
Mejora en las condiciones agronómicas y sanitarias del purín/estiércol (biofertilizante).
Modelo de gestión de residuos orgánicos (biorresiduos).
Política energética de la Comisión Europea: objetivos 2020:
•
Reducción de al menos un 20% en las emisiones de gases de efecto invernadero
con respecto a los niveles de 1990.
Incremento del 20% de la cuota de las energías renovables en el consumo de
energía
Mejora de la eficiencia energética de un 20%.
•
Reducción progresiva de biorresiduos con destino vertedero.
•
•
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Limitaciones de la digestión anaerobia del
purín/estiércol
Limitaciones de la digestión anaerobia del purín/estiércol
1- La Digestión anaerobia no elimina el Nitrógeno.
Una planta de tratamiento de purines por DA no hace desparecer el purín
Necesidad de uso agrícola en la zona o exportación de digestato procesado.
2- Baja rentabilidad económica / alta inversión.
“Baja” producción de metano por t de purín.
Ausencia de incentivos a la producción de biogás ganadero: bajo precio kWh de biogás.
Economía de escala
1 m3 CH4 / (vaca ·día)
3600 kWhtérmicos / (vaca·año)
3.500 vacas de leche
500 KWe
3- Trabas administrativas.
http://inderen-renovables.blogspot.com.es/
Enganche a la red: plazos y coste
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Limitaciones de la digestión anaerobia del purín/estiércol
Inversión planta biogás agroindustrial
€ / kWe instalado
500 vacas lecheras -> 100 KWe
35 t purín /día
Fuente: Bachmann 2012. IEA Bioenergy Conference Austria
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Fuente: EBA, European Biogas Association, Biogas Report 2015.
72%: Plantas biogás agroindustrial.
28%: Digestores fangos, vertederos.
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El modelo danés
Modelo de solución ambiental.
Surgió en la década de los 70 por la crisis del
petróleo e iniciativa de los ganaderos.
Muchos problemas técnicos en los primeros años.
Crecimiento tecnológico en colaboración con
universidades, centros tecnológicos y empresas
de ingeniería.
Apoyo institucional.
Se procesa el 7% de todo el purín/estiércol
generado en Dinamarca.
Co-digestión:
Estiércol/purín: 80% del substrato.
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El modelo danés
Planta de biogás unitaria
Dinamarca 1980
Planta de biogás centralizada
Holstebro, Dinamarca 2013
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El modelo alemán
Modelo de producción de biogás.
Probable origen en la crisis del gas entre
Ucrania y Rusia.
Primera potencia mundial en biogás
agroindustrial.
Cultivos energéticos (maíz ensilado).
Estiércol/purín: 43% del substrato.
Fuente: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), 2012. Guide to
Biogas – From production to Use, fifth ed. completely revised edition, Gülzow.
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
Instalaciones de baja tecnología en pequeñas granjas

Plantas industriales

Co-digestión con otros residuos orgánicos

Digestión anaerobia seca

Tratamiento de la fracción líquida
I+D+i requerido
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
Instalaciones de baja tecnología en pequeñas granjas
Sistemas modulares
Cubrimiento de estercoleros
Ventaja: bajo coste, muy sencillo de operar, reducción de emisiones de GEI.
Inconveniente: no tiene sistema de calefacción (se puede incorporar).
Uso del gas: calefacción in-situ.
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
Planta individual
Planta centralizada
Tamaña de granja que lo permita
Suma de varias granjas
No hay coste de transporte
Ubicación y tamaño de planta
Fácil explotación (automatización)
Coste de transporte
Autoconsumo en granja y venta a la red
Explotación algo más compleja (logística)
Autoconsumo y venta a la red
POSIBILIDAD DE CO-DIGESTIÓN
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
Co-digestión con otros residuos orgánicos
POSIBILIDAD DE CO-DIGESTIÓN
- Ingresos por gestión de residuos.
- Complejidad de explotación (modelo de negocio).
- Aumento en la producción de biogás.
Biochemical methane potential (BMP)
70%
30%
Purín
15 m3 CH4/t
Residuo orgánico
100 m3 CH4/t
Mezcla
40,5 m3 CH4/t
Residuo / Substrato
Restos de poda
Lodos de industria láctea
FORM
Poso de café
Residuos de matadero
Aceite usado de cocina
BMP ( m3 CH4 / t)
75‐125
50‐100
100‐150
100‐150
200‐ 800
600‐800
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
Problema
Alta inversión – baja rentabilidad (kWh)
Si el ciudadano paga por depurar
las aguas residuales y los residuos
que produce
Planta de biogás agroindustrial
¿Consumidor pague un sobrecoste por
la gestión de los purines?
1-2 cts/litro de leche
EDAR Vuelta Ostrera
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
- Substratos con alto contenido en ST y SV
Equipos de separación sólido - líquido
Fracción sólida ≈ 25-30% TS
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
- Substratos con alto contenido en ST y SV
TS (%)
VS (%)
BMP (m3 CH4/t)
Purín
9,0
7,2
21,5
F. Sólida
25,8
23,3
61,5
0,170 t F. Sólida - 61,5 m3 CH4/t
1 t Purín
21,5 m3 CH4
10,5 m3 CH4 ≈ 50% CH4 del purín
0,830 t F. Líquida
Rico et al., 2015. Thermophilic anaerobic digestion of the screened solid
fraction of dairy manure in a solid-phase percolating reactor system. Journal
of Cleaner production 102, 512-520.
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Digestores tipo garaje
BEKON Technologies
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Dry Digestion of Organic Residues
By Sigrid Kusch, Winfried Schäfer and Martin Kranert
Integrated Waste Management - Volume I
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Mayo 2016 / Pág. 35 de 38

Tratamiento de la fracción líquida
Indicado para granjas de tamaño pequeño y medio.
Permite aprovechar una parte del metano potencial con
unos costes de inversión y explotación muy reducidos:
Reactores mucho más pequeños, sin agitación.
TRH ≈ 1 día.
Reactores anaerobios de aguas residuales: complejidad
técnica.
Condicionado por disponibilidad de fracción líquida a
muy bajo coste: decantación, baja dosis de reactivos.
Posibilidad de combinar con digestión seca de
fracciones sólidas.
Reactor UASB en planta piloto I+D+i
CIFP La Granja, Heras (Cantabria)
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Modelo de gestión
Biogás
Purines
Residuos
orgánicos
Electricidad
Calor
Biocarburante
DA
Gestión de residuos
Reducción emisiones GEI
Eliminación de olores, higienización
Producción energía renovable
Substrato digerido
(Digestato)
Rentabilidad
Tamaño de planta
Incentivos
Precio kWh
Sobrecoste precio leche
Venta
Exportación
de nutrientes
Procesamiento
Separación, secado,
compostaje
Planificación
agrícola
Independencia fertilizantes minerales
Reducción contaminación por mala
gestión purines y residuos
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Valorizar energéticamente los residuos:
El caso del biogás de explotación ganadera
Muchas gracias por su atención
Carlos Rico de la Hera
Dpto. Ciencias y Técnicas del Agua y del Medio Ambiente
E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Universidad de Cantabria
Santander, 3 de mayo de 2016

Valorizar energéticamente los residuos: El caso del biogás de

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