Planta de biogás para autoconsumo

REPORTAJE DE PLANTA
LUIS PUCHADES RUFINO
DIRECTOR, Y AMPARO ANTOLI GARCIA, DIRECTORA
TÉCNICA, EN LUDAN RENEWABLE ENERGY ESPAÑA
Planta de biogás para autoconsumo
eléctrico de una gran empresa
La empresa agroalimentaria Kernel Export ha puesto en marcha una planta de biogás de 370 kW
de potencia eléctrica y capacidad de gestión de más de 60 toneladas diarias de subproductos
agroalimentarios. Con la construcción de esta instalación, ejecutada por Ludan Renewable
Energy España, la compañía puede ahora valorizar los residuos vegetales, transformarlos en
fertilizantes y generar energía eléctrica para el autoconsumo de la industria.
L
a empresa Kernel Export es una industria agroalimentaria situada en
Los Alcázares (Murcia), cuya actividad es la producción, transformación y comercialización de verduras y hortalizas en
cultivo ecológico y tradicional.
Kernel Export produce más de 25.000
toneladas de verduras y hortalizas. Posee
más de de 2.000 Ha. de producción propia, y entre ellas más de 400 Ha. de producción ecológica.
Por otro lado, la empresa posee más
de 4.000 m2 de almacenes de producto
y 25.000 m3 de cámaras frigoríficas, así
como varios túneles de enfriamiento rápido. Todas estas instalaciones, dedicadas a
Imagen 1 Diagrama de operación de la planta.
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Foto 1. Imagen de las instalaciones principales de
Kernel Export.
la conservación de las verduras, tienen un
gran consumo de energía, llegando la factoría a consumir más de 1 MW de energía
eléctrica, sobre todo en la cadena de frío.
Kernel Export contempló en 2013 una
mejora en la gestión de los subproductos
hortícolas generados a través de su activi-
dad y la eficiencia energética de sus instalaciones, a través de una planta de biogás, que permitiera valorizar los residuos
vegetales, transformarlos en fertilizantes, y
generar energía eléctrica para el autoconsumo de la industria.
Por estos motivos, la empresa construyó en 2014 una planta de biogás de 370
kW de potencia eléctrica, y capacidad de
gestión de más de 60 toneladas diarias de
subproductos agroalimentarios.
La planta ha sido construida por la empresa Ludan Renewable Energy España
S.L., filial nacional de la multinacional israelí Ludan, empresa que ya ha ejecutado
8 instalaciones de biogás agroindustrial a
nivel nacional, y con más de 30 MW a nivel
europeo. Ludan está presente en 9 países
y cuenta con más de 1.200 ingenieros en
plantilla. Ludan Renewable Energy España
se integra dentro de Ludan Environmental
Technologies, empresa con amplia experiencia en tratamiento de suelos, control
de emisiones, depuración de aguas, gestión de contaminación industrial y energías
renovables.
Objetivos de la planta de biogás
Con la construcción de la planta de biogás,
Kernel Export deseaba mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la empresa a través de tres caminos:
energética
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Foto 2. Imagen de la planta de biogás en las fases finales de su ejecución.
Entrada de sustratos
Gallinaza
t/a
MS
MOS
1.800
50,0%
75,0%
Lodos de industria agroalimentaria
7.000
23,0%
85,0%
Lechuga, brócoli, melón
6.000
8,0%
95,0%
Alimentos caducados y productos sin utilidad alimentaria
4.000
16,0%
87,0%
Tabla 1. Entrada estimada de sustratos a la planta de biogás.
Consumo de gas en la
instalación
UNIDAD DE
COGENERACIÓN
Potencia
mecánica
[kW]
Potencia
eléctrica
[kW]
Potencia térmica
de salida
[kW]
400
370
387
Empleo de biogás (60% CH4 porcentaje)
[Nm3/h]
[Nm3/a]
150
1.150.000
Tabla 2. Potencia de la unidad de cogeneración
•
Reducir la dependencia energética externa de la fábrica de procesado de Los
Alcázares, mediante energías renovables
• Mejorar la gestión de las más de 8.000
toneladas de subproductos agroalimentarios generados en dicha fábrica
(recortes de hojas de lechuga, pieles de
zanahoria, desechos de brócoli, etc.)
• Generar un fertilizante rico en materia orgánica y nutrientes para reducir
la dependencia de materia orgánica y
fertilizantes del exterior
A tal efecto, la solución que se planteó
fue la construcción de una planta de biogás de 370 kWe, con un digestor de 3.000
m3, y la instalación de una planta de compostaje anexa.
Qué es una planta de biogás
Una planta de biogás es una instalación
ecológica, hermética e inodora, que consiste en dispositivos que producen electricidad, calor y fertilizante a partir de subproductos orgánicos, que opera sobre la
base de una fuente de energía renovable
energética
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tos que se generan en el entorno agroindustrial de Murcia, y entre estos sustratos
tenemos los que se aprecian en la tabla 1.
La entrada de producto es de 19.000 t
anuales, con un contenido de Materia
seca de 3.638 t anuales, Sólidos Volátiles
(MOS) de 3.062 t/a y humedad de 15.362
t. El tiempo de retención del digestor está
planificado para 57 días, tiempo más que
suficiente para la eliminación de un porcentaje muy significativo de los sólidos
volátiles.
como es el metano contenido en el biogás
y que es producido durante el proceso de
digestión anaeróbica de varias sustancias
orgánicas.
En la página anterior se muestra un diagrama de operación de la planta de biogás
de Kernel Export.
La planta de Kernel Export es una instalación de marcado carácter agroalimentario, diseñada para la gestión y valorización
energética de residuos y subproductos
agroalimentarios, lodos de industria agroalimentaria, así como estiércoles y purines.
Los residuos, una vez extraído su potencial energético, son valorizados como fertilizantes, mientras que el biogás es quemado en un motor de cogeneración, que
produce electricidad para el autoconsumo
de Kernel Export y calor que es empleado
en un evaporador de vacío.
Balance de energía de la planta
La planta de biogás tiene una capacidad de
370 kW y genera diariamente unos 3.200
m3 de biogás (con una composición aproximada del 60% de CH4). Está constituida
por una única unidad de cogeneración de
potencia mecánica 370 kW. La unidad de
cogeneración genera energía a partir del
biogás (véase tabla 2).
El consumo de energía media de la planta
de biogás es de 50 kWh. La planta está diseñada para trabajar más de 8.000 horas al
año (92% tiempo), aunque su generación
depende también del consumo de energía
eléctrica en Kernel Export. Durante la mayor
parte del día, la planta funciona al 100% de
su capacidad, y en algunos momentos de la
noche funciona al 80%, al no haber sido
autorizada la instalación a vender ningún
sobrante de energía a la red.
Sustratos de entrada a la planta
de biogás
Los sustratos que gestiona la planta de
biogás son una muestra de los subproduc-
Funcionamiento de la instalación
El proceso llevado a cabo en la planta de
biogás es continuo. Diariamente se alimenta el digestor primario con los sustratos
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3. Digestión anaeróbica en digestor mesófilo de mezcla completa
4. Almacenamiento y aprovechamiento
del gas
5. Unidad de cogeneración
6. Separador de sólidos del digestato
7. Evaporador de vacío
8. Compostaje
9. Conexionado hidráulico
10. Armario de control y mando para planta de biogás
A continuación se describe con mayor
detalle las características y utilidad de estas unidades:
Foto 3. Vista de pala cargadora, dispuesto a realizar descarga de producto sólido al triturador.
disponibles. La primera etapa es la recepción de las materias primas que se realiza
mediante cubas en caso de líquidos y son
descargados en un tanque de recepción
enterrado. Si se tratan de material sólido,
como los estiércoles y restos vegetales, se
trituran previo a su descarga al tanque de
líquidos, donde son mezclados con el resto
de sustratos.
La planta destaca por su gran flexibilidad.
La bomba del depósito de recepción de líquidos, el sistema de bombeo centralizado
de la instalación y el separador de sólidos
están interconectados, y permiten regular
la dosificación de los sustratos y sus trasiegos a cualquiera de las unidades de proceso. Los residuos orgánicos permanecen
Foto 4. Digestor de mezcla completa.
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entre 40 y 60 días en el digestor, para que
el proceso de fermentación anaerobia produzca todo el potencial de biogás.
El biogás se almacena en el gasómetro
y se envía al motor de cogeneración, que
transforma la energía del metano en electricidad. También se han instalado los equipos de extracción, depuración, enfriamiento y compresión del biogás, así como todos
los mecanismos de seguridad necesarios.
Descripción de las unidades de
operación
Las principales unidades de la planta de
biogás de Kernel Export son las siguientes:
1. Almacenamiento biomasa
2. Manipulación de las materias primas
1–Almacenamiento de la biomasa
Se ha construido una explanada impermeabilizada para el almacenamiento temporal y puntual de restos vegetales producidos en Kernel,
10 m ancho *
20 m largo (200 m2). Esta explanada se ha
construido en hormigón in situ, y tiene un
sistema de canalización que permite recoger los lixiviados generados y enviarlos a la
planta de biogás.
A su vez, se ha instalado una báscula,
capaz de soportar un peso de camiones
hasta 40 toneladas, con la que se realiza el
registro de la materia de entrada.
2–Tanque de recepción de líquidos
Se ha construido un tanque enterrado con
un volumen de 90 m3 donde se almacenan
sustratos líquidos. Sus medidas interiores
son 6 m de diámetro y una profundidad de
3 m. El tanque de recepción está cerrado
e impermeabilizado, para evitar olores y lixiviaciones. Este tanque lleva incorporado
un triturador, un sistema de agitación, una
bomba vertical y conexiones hidráulicas
con el sistema de bombeo centralizado.
El tanque fue construido por la empresa
Wolf Systems S.L., y los equipos de agitación y bombeo por la empresa Protech
Continental S.L.
3- Digestor
La digestión anaerobia se lleva a cabo
en un tanque circular, de volumen bruto
3.040 m3 cada uno (22 m de diámetro y
8 m de altura), construidos de hormigón
armado (Hormigón C35/ 45 (HA-35)), que
está cubierto por una membrana de gas
para prevenir la entrada de oxígeno en el
sistema. Tanto la solera como los muros
del digestor están aislados térmicamente.
energética
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La temperatura operacional para el digestor anaerobio se encuentra dentro del
intervalo óptimo 38-40ºC (mesófilo). El sistema de calefacción está constituido por
circuitos de acero inoxidable en el interior
del digestor.
El digestor está equipado por tres agitadores con motor externo de eje inclinado
que asegura la homogenización de todos
los sustratos y evita la sedimentación de la
materia orgánica en el fondo.
Alrededor del digestor se ha construido
un anillo de drenaje con sistema de inspección de fugas como medida de seguridad.
La obra civil del digestor fue realizada
por la empresa Wolf Systems S.L., bajo
la supervisión de los ingenieros de Ludan
Renewable Energy España. Los equipos de
agitación fueron suministrados por la empresa Protech Continental S.L., y la calefacción por Fullgas. El montaje de agitadores
y calefacción fue realizado por Inderen S.L.
4–Gasómetro
El biogás es almacenado en el gasómetro
del digestor. Este almacenamiento de gas
está constituido por dos membranas (externa de PVC e interna de PE baja densidad), de capacidad 900 m3.
La membrana externa está capacitada
para soportar tormentas y nieve y ser resistente a los rayos UV. Las temperaturas
mínimas y máximas soportables son de
-30°C y +70°C.
El gasómetro fue suministrado por la empresa Membrane Systems Europe B.V.
5–Aprovechamiento del biogás. Unidad de
cogeneración
El biogás generado es empleado en la unidad de cogeneración CHP (combinación de
calor y electricidad), modelo 2G-KWK-370
BGG (MAN). La energía eléctrica es autoconsumida por la factoría de Kernel, parte
de la energía térmica es empleada en los
intercambiadores de calor del digestor de
la planta de biogás y el resto es empleado
en un evaporador.
La unidad de cogeneración está constituido por un motor de gas con una potencia mecánica en plena carga de 400
kW y una potencia eléctrica de 370 kW. La
potencia térmica total aprovechable es la
disipada por los gases de escape, el agua
de camisas y el intercooler consiguiéndose
un total de 410 kW.
energética
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Teléfono: 938832205/608449738 | WEB: www.2-g.es | Mail: [email protected]
Módulo de cogeneración Patruus 370 B
2G Solutions of Cogeneration
2G Solutions of Cogeneration ha realizado la fabricación, instalación y puesta en marcha del módulo de cogeneración Patruus 370 B. Está compuesto principalmente de un motor de combustión
a biogás acoplado a un alternador capaz de generar un total de 370 kW eléctricos. También está
equipado con una recuperación del calor generado por el bloque motor y contenido en los gases
de escape aprovechando hasta un total de 431kW en forma de agua caliente a 95ºC. El módulo
brinda una eficiencia global del 84% sobre el combustible usado. Todo ello, instalado dentro de un
contenedor insonorizado.
Foto 5. Unidad CHP tras el digestor.
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Mirillas de los digestores
Biogaskontor
Köberle Gmbh
La empresa alemana Biogaskontor Köberle
ha suministrado a la planta sus ojos de buey
con portilla (RD 300), que incluyen limpiaparabrisas, zona de limpieza de 230 mm de
diámetro con tobera de lavado de tubo 316,
vidrio especial de 250 mm de diámetro / 15
mm con junta anular de goma/acero fino
316 para el montaje directo en un agujero
macho o una coquilla aislante con 300 mm
de diámetro, que incluye codos de fijación
de acero inoxidable.
Foto 6. Separador de sólidos y tanques de almacenamiento de digestatos.
Sistema de
concentración de
digestato HRS Heat
Exchangers
HRS Heat Exchangers va a mejorar el rendimiento del digestor anaeróbico de Kernel
Export gracias a la tecnología de evaporadores de tubos corrugados integrados en
un sistema evaporación de múltiples etapas.
Este sistema reúsa el agua evaporada como
fuente de energía en una segunda etapa de
evaporación, obteniendo de esta forma, un
gran ahorro de energía.
Las características principales del sistema son:
• Equipo utilizado: HRS Sistema de Concentración de Digestato.
• Tratamiento de 50 m3 de digestato diario.
• Reduce el volumen de digestato un 75%
usando energía térmica del motor de cogeneración en forma de agua caliente,
con temperatura de 85 ºC.
• Usa la tecnología de HRS de evaporadores de tubos corrugados.
• Proceso multi-etapa para ahorro energético.
• Fecha de entrega: Cuarto trimestre de
2015.
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La unidad de cogeneración se coloca en
el interior de un contenedor insonorizado.
En el interior del contenedor se destina
una habitación de almacén del aceite usado y nuevo en dos tanques de doble pared
con equipamiento de un sistema de detección de fugas.
El suministro de la unidad de cogeneración ha sido realizado por la empresa 2G
Ibérica S.L.
6–Separador de sólidos
Se ha instalado un separador de sólidos
con el fin de separar el digestato en una
fracción líquida y una fracción sólida. Se
trata de un separador de sólidos tipo tornillo, instalado sobre plataforma de acero,
con sistema de recogida impermeabilizada
de la fracción sólida.
Este equipo fue suministrado por la empresa Protech Continental S.L.
7–Evaporador
Se está instalando un evaporador de vacío, cuya tecnología proviene de la empresa HRS, para la concentración de digestatos producidos por Kernel.
Se trata de un evaporador de tubos corrugados, que tienen una alta transferencia de calor, y una buena resistencia a
efectos de ensuciamiento. La tecnología
de tubos corrugados se aplica para niveles
de concentración moderados. El evapora-
Con la construcción
de la planta, Kernel
Export ha reducido su
dependencia energética,
mejorado la gestión
de las más de 8.000
tn de subproductos
agroalimentarios y
generado un fertilizante
rico en materia orgánica
y nutrientes
dor tendrá capacidad para evaporar hasta
40 toneladas diarias de agua.
La tecnología desarrollada permite usar
el calor residual del motor de cogeneración para evaporar agua del digestato y
obtener un producto final con una elevada
concentración en nutrientes. Esta tecnología ofrece una serie de ventajas interesantes para la planta de Kernel:
• Obtención de un producto de valor
añadido: el digestato concentrado
contiene muchos nutrientes y es un
buen fertilizante orgánico.
• Reducción costes de transporte: el
proceso de concentración de digestato puede reducir su volumen hasta un
80%. Menos volumen implica menos
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Cubiertas de doble membrana
Membrane Systems Europa B.V
Membrane Systems Europa B.V., uno de los principales proveedores de gasómetros de doble membrana, ha instalado en la planta sus cubiertas de doble membrana, que son completamente estancas gracias a un sistema de alta frecuencia con un sellado paralelo. Con la unión de alta frecuencia
entre las láminas de PVC se consigue una resistencia a elevadas tensiones y temperaturas, para
aguantar una presión de hasta 30 mbar. Esta disposición en paralelo nos permite reducir los costos
de protección y da a la cubierta una apariencia más atractiva.
El sistema de doble membrana en Murcia está diseñado a medida y con sus propios cálculos estáticos. Todos los componente de apoyo a la membrana se fabrican en acero inoxidable, capaz de
resistir los entornos ácidos del biogás. La válvula de sobrepresión es uno de estos componentes. Esto
asegura que la presión de aire entre las membranas permanezca en parámetros máximos controlados. Para el proyecto de Murcia se estableció una depresión de -1 mbar y una sobrepresión máxima
de 5 mbar. El gasómetro también incluye un sistema de medición por ultrasonidos en la cúpula. Al
producir ultrasonidos el sistema es capaz de medir la distancia entre membranas.
Foto 7. Evaporador de vacío.
•
•
transportes necesarios para llevar el digestato de la planta de biogás.
El agua que se evapora puede ser usado para riego
Uso de fuentes de calor residual.
8–Compostaje
Se ha construido una planta de compostaje
adyacente a la planta de biogás, con el fin
de procesar la fracción sólida del digestato
para producción de fertilizantes orgánicos.
El sistema instalado es abierto, donde los
procesos se realizan completamente al aire
libre (bajo una solera de hormigón debidamente impermeabilizada, y que incorpora
un sistema de recogida de lixiviados).
A tal efecto, se ha planificado una operación con diez pilas de compostaje de 28
m de longitud, 3 m de anchura y 2 m de
altura, que se ubican sobre una era de maduración de 30 m de longitud y 30 m de
anchura.
Las obras civiles fueron realizadas por la
empresa Hoya Gonzalo S.L.
9–Conexionado hidráulico
Se dispone de tuberías de aspiración e impulsión del sustrato de los digestores que
conectan con el sistema de bombeo. Estas
tuberías son de PEHD DN 150 y permiten
que exista un flujo interno de los sustratos
entre ambos digestores.
El sistema de bombeo está compuesto
por una doble bomba excéntrica Wangen
Bomba KL50S 114.0. Su caudal de impulsión es de 22 m³/h siendo la presión máxienergética
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ma de 8 bares. Todo el sistema de bombeo
se encuentra en el interior de un contenedor, de 20 pies.
Sensores de medición
de nivel y presión
Vega Instrumentos
Todos los equipos suministrdos a la planta
son sensores de medición de nivel o presión
y en todos los casos la señal de 4...20mA
se ha llevado a un PLC central de control,
donde un software Scada monitoriza el
funcionamiento de la planta. Estos son los
sensores suministrados:
• Vegason 61: sensor de ultrasonido para
la medición de nivel en las balsas de recepción de material prima.
• Vegawell 52: sensor de medición de presión hidrostática sumergido para la medición de nivel en los digestores.
• Vegabar 17: transmisor de presión relativa para le medida de presión en tubería.
• Vegadif + Tubo Pitot: transmisor de presión diferencial junto con un tubo pitot
para la medición de caudal del biogás.
La medida de la diferencia de presión
entre las dos tomas del tubo normalizado pitot es medida por el transmisor de
presión diferencial y éste realiza el cálculo del caudal instantáneo que circula
por la tubería.
La bomba ha sido suministrada por la
empresa Protech Continental S.L., y el
montaje de las instalaciones hidráulicas
así como el contenedor fue realizado por
las empresas Inderen y Energy Container
Solutions S.L.
10–Armario de control y mando para
planta de biogás
La planta de biogás dispone de un controlador lógico programable (PLC) con entrada para conexión para PC.
Los siguientes equipos incorporados en
la planta de biogás son controlados mediante el PLC e incorporan un sistema para
llamadas al exterior de alarma/aviso:
• Bomba de agua del pozo de condensados
• Mando automático de la bomba de
sustratos y de las válvulas neumáticas
• Protección de sobrecorriente y control
de temperatura y presión de los digestores y de los circuitos de calefacción
• Sensores de almacenamiento de llenado de gas
• Sensor del nivel del sustrato continuo
• Sensor de derrame de los digestores
• Analizador de gases que realiza una
medición de los principales gases
CH4,H2S,O2 que constituyen el biogás
Mediante un monitor es posible visualizar todos los puntos de funcionamiento de
la planta de biogás.
El sistema de SCADA y los armarios de
control fueron instalados por la empresa
Tessai S.L
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