ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UNA PLANTA DE BIOGÁS
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ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UNA PLANTA DE BIOGÁS
ESTUDIODEVIABILIDADDE UNAPLANTADEBIOGÁS Elaboradopor: ÍNDICE 1. Introducción .................................................................................................................... 2 1.1 Importancia de los restos vegetales en la Región de Murcia ............................. 2 1.2 Marco Legal… ...................................................................................................... 4 1.2.1 Legislación de la UE .................................................................................... 4 1.2.2 Legislación nacional .................................................................................... 5 1.2.3 Legislación autonómica .............................................................................. 7 1.3 Objetivo .............................................................................................................. 7 2. Digestión anaerobia ........................................................................................................ 7 2.1 Definición. ........................................................................................................... 7 2.2 Influencia de los parámetros ambientales y operacionales. ............................ 10 2.3. Tecnologías de digestión anaerobia. ............................................................... 14 2.3.1. Digestores discontinuos .......................................................................... 14 2.3.2. Digestores continuos ............................................................................... 15 2.3.3. Digestores de tercera generación ........................................................... 16 3. Uso del biogás y derivados. ........................................................................................... 18 3.1 Aplicaciones del biogás. .................................................................................... 19 4. Caracterización de subproductos vegetales. ................................................................ 22 4.1 Potenciales y rendimientos del biogás. ............................................................ 23 4.1.1 Propiedades del biogás ............................................................................. 26 5. Descripción del proceso de obtención del biogás. ....................................................... 29 5.1 Proceso Productivo. .......................................................................................... 29 5.1.1 Alimentación: Pretratamiento y depósito ................................................ 30 5.2 Codigestión. ...................................................................................................... 30 6. Estudio viabilidad económica. ...................................................................................... 32 6.1 Datos de partida ............................................................................................... 33 6.2 Equipos. ............................................................................................................ 35 6.3 Estudio económico ........................................................................................... 35 7. Conclusiones ................................................................................................................. 38 7.1 Ventajas del proceso anaeróbico. .................................................................... 40 1 1.Introducción El proyecto LIFE+ AGROWASTE trata de ayudar a las empresas de transformados vegetales en la apuesta por la valorización de sus residuos y subproductosutilizandotecnologíaslimpiasyparaellosehanunidoelCentrode Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS‐CSIC), el Centro Tecnológico Nacional de la Conserva y Alimentación (CTC) y la Agrupación de Conserveros y EmpresasdeAlimentacióndeMurcia,AlicanteyAlbacete(AGRUPAL). Hastaelmomentoeltrabajodesarrolladohapuestodemanifiestoqueenla Región de Murcia se generan más de 500.000 toneladas anuales de desechos orgánicos,cuyodestinoeslaalimentaciónanimal,enmayormedida,aportandoun valoreconómiconuloomínimoparalasempresas,siendolasindustriasdecítricos ydealcachofaaquellasqueaportanunamayorcantidaddesubproductosaltotal. El proyecto incluye experiencias de valorización agrícola y energética de diversos subproductos para demostrar que los desechos agroalimentarios tienen unusomedioambientalyeconómicamenteinteresanteparalasempresas.Porotro lado,tambiénsellevaacabolaextraccióndecompuestosdeinterésdediferentes subproductos como una alternativa para dar salida a los mismos y obtener un rendimiento económico dentro del propio sector, ya que el uso de compuestos bioactivos extraídos de fuentes naturales para la elaboración de alimentos funcionales, o con propiedades interesantes para alargar la vida útil de un productopuedeabrirnuevosmercadosconinversionesrazonables. Estaúltimalíneadetrabajoapoyalaelaboracióndeesteestudioparaponer de manifiesto la viabilidad técnico‐económica de la valorización de los restos vegetales. Enconcreto,elobjetivodeesteestudioeslaobtencióndeuncompuesto,la pectina, presente en los restos de limón y que es muy interesante para algunas aplicacionesenalimentos. 1.1ImportanciadelosrestosvegetalesenlaRegióndeMurcia LaRegióndeMurciacuentaconunaimportanteindustriaenelsectordelos transformadosvegetalesconungranvolumendeproducciónanivelnacional.Este volumen conlleva la generación de grandes cantidades de residuos fruto del procesadodelosalimentos,quecarecendevaloreconómicoysueliminaciónesun costequerepercuteenelincrementodelpreciofinaldelosproductos. 2 Los residuos generados son diferentes según el tipo de materia prima procesaday el proceso que hayan sufrido. En Murcia se generagran variedadde desechos,puesenestaregiónsetrabajaconmuchostiposdefrutasyhortalizasy enalgunoscasossetrabajadeformadiferenteconlamismamateriaprima,loque generatiposdedesechodistintos. Tabla1.‐ResumendeFrutasyHortalizascultivadasenlaRegióndeMurcia. FRUTAS HORTALIZAS ALBARICOQUE MELOCOTÓN NECTARINA CEREZA CIRUELA PERA MANZANA FRESA GRANADA HIGO UVA SANDÍA MELÓN NARANJA LIMÓN MANDARINA POMELO ALCACHOFA PIMIENTO BRÓCOLI COLIFLOR APIO CEBOLLA COL BERENJENA CALABACÍN ESPÁRRAGO ESCAROLA TOMATE ENDIVIA NABO PEPINO RÁBANO Actualmentelagestióndeestosresiduosenlamayoríadelasempresasse siguedesarrollandomediantelacesióndelosdesechosalosganaderosparaque estos luego lo viertan sin ningún tratamiento previo al suelo para alimentación animal; esto es algo que conlleva efectos negativos derivados de la oportunidad perdidaenelaprovechamientodematerialesqueposeencaracterísticasyvalores potencialmenteútiles;aspectoquedebesolucionarse.Obien,enelcasoconcreto de los huesos (que se generan en menores cantidades), se comercializan como biocombustiblessólidos. Paradarunasalidaviablealagrancantidaddematerialesdedesechoque segeneranenestasindustriassehadebuscartecnologíasdevalorizaciónquesean capaces de transformar estos subproductos en recursos creando un beneficio económicoparalasempresas. 3 1.2MarcoLegal Lapresenterelacióndenormasreferentesalaobtenciónycomercialización delbiogásenrelaciónconelsectoragrícolanopretendeserexhaustiva,sinodar unavisiónclaradelmarcolegislativoenEuropayenEspaña,ydeunamaneramás focalizadaenlaRegióndeMurcia. 1.2.1 LegislacióndelaUE ‐ Ley24/2013,de26dediciembre ‐ Directiva2009/28/CEdelParlamentoEuropeoydelConsejo,de23de abril de 2009, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las directivas 2001/77/CE y 2003/30/CE. Corrección de errores de la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 deabrilde2009,relativaalfomentodelusodeenergíaprocedentede fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las Directivas2001/77/CEy2003/30/CE(DOL140de5.6.2009). ‐ Directiva2008/98/CEdelParlamentoEuropeoydelConsejo,de19de noviembre de 2008, sobre los residuos y por la que se derogan determinadasDirectivas. ‐ Reglamento (CE) Nº 185/2007 de la Comisión, de 20 de febrero de 2007, por el que se modifican los Reglamentos (CE) nº 809/2003 y /CE) nº 810/2003 en lo relativo a la validez de las medidas transitoriasparalasplantasdecompostajeybiogáscontempladasen el Reglamento (CE) nº 1774/2002 del Parlamento Europeo y del Consejo. ‐ Reglamento (CE) Nº 208/2006 de la Comisión, de 7 de febrero de 2006, por el que se modifican los anexos VI y VIII del Reglamento 1774/2002 del Parlamento Europeo y del Consejo, en lo que se refiere a las normas de transformación para las plantas de biogás y compostajeylascondicionesaplicablesalestiércol. ‐ Reglamento (CE) nº209/2006 de la Comisión, de 7 de febrero de 2006, por el que se modifican los Reglamentos (CE) nº809/2003 y (CE) nº810/2003 en lo relativo a la validez de las medidas transitoriasparalasplantasdecompostajeybiogáscontempladasen el Reglamento (CE) nº1774/2002 del Parlamento Europeo y del Consejo. 4 ‐ Reglamento (CE) núm. 1069/2009 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 21 de octubre de 2009, por el que se establecen las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productosderivadosnodestinadosalconsumohumano. ‐ Directiva2009/73/CEdelparlamentoeuropeoydelconsejode13de juliode2009sobrenormascomunesparaelmercadointeriordelgas naturalyporlaquesederogalaDirectiva2003/55/CE. ‐ Reglamento(CE)No270/2007delacomisiónde13demarzode2007 que modifica el Reglamento (CE) no 1973/2004, por el que se establecen las disposiciones de aplicación del Reglamento (CE) no 1782/2003delConsejoenloquerespectaalosregímenesdeayuda previstos en los títulos IV y IV bis de dicho Reglamento y a la utilización de las tierras retiradas de la producción con vistas a la obtencióndemateriasprimas ‐ Reglamento(CE)No92/2005delacomisiónde19deenerode2005 porelqueseaplicaelReglamento(CE)no1774/2002delParlamento Europeo y del Consejo en lo que se refiere a los métodos de eliminaciónoalautilizacióndesubproductosanimalesysemodifica su anexo VI en lo concerniente a la transformación en biogás y la transformacióndelasgrasasextraídas. ‐ DirectivaEuropea2003/54/CE 1.2.2Legislaciónnacional ‐ 30/06/2010‐ Plan de Acción Nacional de Energías Renovables de España (PANER) 2011‐2020. La Directiva de 2009/28/CE del ParlamentoEuropeoydelConsejo,de23deabrilde2009,relativaal fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, establece la necesidad de que cada Estado miembro elabore y notifiquealaComisiónEuropea(CE),amástardarel30dejuniode 2010, un Plan de Acción Nacional de Energías Renovables (PANER) para el periodo 2011‐2020, con vistas al cumplimiento de los objetivosvinculantesquefijalaDirectiva. ‐ Ley22/2011,de28dejulio,deresiduosysueloscontaminados. ‐ Resolucion de 21 de diciembre de 2012, de la Direccion General de Politica Energética y Minas, por la que se modifica el protocolo de 5 detallePD‐01“Medición,CalidadyOdorizacióndeGas”delasnormas degestiontecnicadelsistemagasista. ‐ Ley 16/2002, de 1 de julio, de prevención y control integrados de la contaminación. ‐ Orden MAM/304/2002, de 8 de febrero, por la que se publican las operaciones de valorización y eliminación de residuos y la lista europea de residuos. (BOE nº 43 de 19/02/2002). Corrección de errores de la Orden MAM/304/2002, de 8 de febrero, por la que se publican las operaciones de valorización y eliminación y la lista europeaderesiduos(BOEnº61,12/03/02). ‐ OrdenITC/3801/2008,de26dediciembre,porlaque serevisanlas tarifaseléctricasapartirde1deenerode2009. ‐ Orden ITC/3353/2010, de 28 de diciembre, por la que se establecen los peajes de acceso a partir de 1 de enero de 2011 y las tarifas y primasdelasinstalacionesdelrégimenespecial. ‐ Real Decreto‐ley 1/2012, de 27 de enero, por el que se procede a la suspensióndelosprocedimientosdepreasignaciónderetribuciónya lasupresióndelosincentivoseconómicosparanuevasinstalaciones de producción deenergíaeléctrica a partir de cogeneración, fuentes deenergíarenovablesyresiduos. ‐ OrdenITC/3519/2009,de28dediciembre,porlaqueserevisanlos peajesdeaccesoapartirde1deenerode2010ylastarifasyprimas de las instalaciones de Régimen Especial. Ministerio de Industria TurismoyComercio. ‐ Ley26/2007,de23deoctubre,deResponsabilidadMedioambiental ‐ Seconsideranactividadesliberalizadas:Comercialización,Generación e intercambios internacionales. Se mantienen como actividades reguladaeltransporteydistribución. ‐ Real Decreto‐ley 9/2013, de 12 de julio, por el que se adoptan medidas urgentes para garantizar la estabilidad financiera del sistemaeléctrico. ‐ Ley24/2013,de26dediciembre,delSectorEléctrico. ‐ OrdenIET/221//2013,de14defebrero,porlaqueseestablecenlos peajesdeaccesoapartirde1enerode2013ylastarifasyprimasde lasinstalacionesdelregimenespecial. 6 ‐ RealDecreto‐Ley2/2013,de1defebrero,demedidasurgentesenel sistemaelecticoyenelsectorfinanciero. 1.2.3Legislaciónautonómica ‐ Ley13/2007,de27dediciembre,demodificacióndelaLey1/1995, de 8 de marzo, de protección del medio ambiente de la Región de Murcia, y de la Ley 10/2006, de 21 de diciembre, de Energías RenovablesyAhorroyEficienciaEnergéticadelaRegióndeMurcia, paralaadopcióndemedidasurgentesenmateriademedioambiente. ‐ RealDecreto1823/2009,de27denoviembre,porelqueseregulala concesión directa de una subvención a las comunidades autónomas paralaejecuciónurgentedeactuacionesparaelcumplimientodela legislación de vertederos, incluyendo la clausura de vertederos ilegales y la captación de biogás en vertederos, y otras actuaciones complementarias. 1.3Objetivo Elobjetivobuscadohasidovalorarlaviabilidadtécnicayeconómicadela digestión anaerobia de los restos vegetales de industrias de transformados, evaluandolaproduccióndebiogásdeestosrestos. Con esto se pretende mejorar el rendimiento energético y la calidad del biogásproducido,yaquelosrestosvegetalestienenunacapacidadenergéticamuy superioraloslodosdedepuradorauotroselementos. Los subproductos procedentes de industrias de transformados vegetales sonrestosconungranpotencialdevalorización.Lascaracterísticasdeestosrestos loshacenmuyadecuadosparasuaprovechamientoenergético. El aprovechamiento de los restos como potencial energético es una salida muy viable para la gran cantidad de subproductos que se generan en Murcia. En estaregiónsegenerangrancantidadderestosconaltopotencialenergéticoyesta tecnología de valorización puede conseguir la obtención de un beneficio para las empresasqueluegoredundeenlosconsumidores. 2.Digestiónanaerobia 2.1Definición 7 La digestión anaerobia es un proceso microbiológico y bioquímico muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar, como porlacantidaddegrupodebacteriasinvolucradasenellas.Dehecho,muchasde estasreaccionesocurrendeformasimultánea. Elprocesodedegradacióndelamateriaorgánicasedivideencuatroetapas: a)Hidrólisis. b)Etapafermentativaoacidogénica. c)Etapaacetogénica. d)Etapametanogénica. La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, hidratos de carbono y lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismos acidogénicos o fermentativos. Como resultado se producen compuestos solubles más sencillos (aminoácidos, azucares y ácidos grasos de cadena larga) que son fermentados por las bacterias acidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrogeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios. Los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y dióxidodecarbonomediantelaaccióndelasbacteriasacetogénicas.Porúltimo,las bacterias metanogénicas producen metano (CH4) a partir del ácido acético, H2 y CO2. Las bacterias responsables de este proceso son anaeróbicas estrictas. Se distinguen dos tipos de microorganismos, los que degradan el ácido acético a metano y dióxido de carbono (bacterias metanogénicas acetoclásticas) y los que reducen el dióxido de carbono con hidrógeno a metano y agua (bacterias metanogénicashidrogenófilas). EnlaFigura1semuestraesquemáticamentelasdistintasfasesdelproceso de digestión anaerobia, las bacterias que intervienen en cada una de ellas y los productosintermediosgenerados. 8 Figura 1.‐ Esquema de reacciones de digestión anaerobia de materiales poliméricos. (Fuente: AdaptadodePavlostathis,S.G.,Giraldo‐Gómez,E.1991) Como se observa, el metano no es el único gas que se produce en la degradación de la materia orgánica en condiciones anaerobias, se trata de una mezcla de gases conocida como biogás. Está compuesto por un 60% de metano (CH4), un 38% de dióxido de carbono (CO2) aproximadamente y trazas de otros gases(Tabla2).Lacomposiciónoriquezadelbiogásdependedelsustratodigerido ydelfuncionamientodelproceso. Tabla2.‐Composiciónquímicadelbiogás. Compuesto Metano(CH4) DióxidodeCarbono(CO2) Hidrogeno(H2) Nitrógeno(N2) Oxigeno(O2) ÁcidoSulfhídrico(H2S) Concentración(%) 50‐70 30‐50 1‐10 <3 <0.1 0–8000ppm En principio, el biogás puede ser utilizado en cualquier tipo de equipo comercial para uso de gas natural, por ejemplo en aplicaciones como: cogeneración, quemadores, estufas, infrarrojos, iluminación, motores, generación deelectricidad,calor,potenciamecánica… 9 Otro producto final, a parte del biogás es el denominado digerido, que se puede decir que es la mezcla del lodo ya digerido y la biomasa microbiana producida. Durante el proceso anaerobio parte de la materia orgánica se transformaenbiogás,porloqueelcontenidoenmateriaorgánicaesmenorqueel de la alimentación. Se trata, además, de un producto más mineralizado y estabilizado que el influente, con lo que normalmente aumenta el contenido de nitrógenoamoniacalydisminuyeelnitrógenoorgánico. 2.2Influenciadelosparámetrosambientalesyoperacionales Para que pueda desarrollarse el proceso de digestión anaerobia se deben mantener unas condiciones ambientales y operacionales adecuadas, para ello se controlan diversos parámetros. Entre los más importantes caben destacar los siguientes: nutrientes, temperatura, pH, contenido en sólidos, tiempo de residencia,presenciadecompuestosinhibidoresdelprocesoyagitación. 1. Temperatura Amedidaqueaumentalatemperatura,aumentalavelocidaddecrecimiento delosmicroorganismosyseaceleraelprocesodedigestióndandolugaramayores producciones de biogás. La temperatura de operación en el digestor, está considerada uno de los principales parámetros de diseño, ya que variaciones bruscas de temperatura en el mismo, pueden provocar desestabilización en el proceso. Sedistinguendosrangosfundamentalmente,elrangomesófilo(entre25y 45ºC)ytermófilo(entre45y65ºC).Elrangomesófiloeselmásutilizadoapesar de que cada vez más se está utilizando también el termófilo para conseguir una mayor velocidad del proceso y una mejor eliminación de organismos patógenos. Sinembargo,elrangotermófilosuelesermásinestableacualquiercambioenlas condicionesdeoperaciónypresentaademásmayoresproblemasdeinhibicióndel procesoporlasensibilidadaalgunoscompuestos,comoelamoniaco. 2. pH Es uno de los parámetros de control más habituales debido a que en cada fasedelprocesolosmicroorganismospresentanmáximaactividadenunintervalo de pH diferente. Así, el intervalo de pH óptimo de los microorganismos debe mantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones entre 6,5 y 7,5. Su valor en el digestor no solo determina la producción de biogás sino también su composición. 10 3. Alcalinidad Laalcalinidadesunamedidadelacapacidadtampóndelmedio.Puedeser proporcionada por un amplio rango de sustancias, siendo por tanto una medida inespecífica. En el rango de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico que controla la alcalinidad es el dióxido de carbono‐bicarbonato. Para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación es recomendable una alcalinidad superiora1,5g/lCaCO3. La relación de alcalinidad se define como la relación entre la alcalinidad debidaalosácidosgrasosvolátiles(AGV)yladebidaalbicarbonato(alcalinidad), recomendándosenosobrepasarunvalorde0,3‐0,4paraevitarlaacidificacióndel reactor 4. Potencialredox Losvaloresrecomendableshandeserinferioresa‐350Mv 5. Elcontenidoennutrientes Unadelasventajasinherentesalprocesodedigestiónanaerobiaessubaja necesidad de nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad de crecimiento.Elcarbonoyelnitrógenosonlasfuentesprincipalesdealimentode las bacterias formadoras de metano. Por tanto, la relación Carbono/Nitrógeno (C/N) tiene una gran importancia para el proceso fermentativo recomendándose un ratio 20‐30 como el óptimo. El proceso necesita, además de una fuente de carbono y energía, la presencia de una serie de nutrientes minerales como nitrógeno,azufre,fósforo,potasio,calcio,magnesio,etc. 6. Lapresenciadetóxicoseinhibidores Las sustancias inhibidoras son compuestos que bien están presentes en el residuo antes de su digestión o bien se forman durante el proceso fermentativo anaerobio. Estas sustancias reducen el rendimiento de la digestión e incluso puedenllegaracausarladesestabilizacióncompletadelproceso. Existen una gran cantidad de sustancias que pueden inhibir la digestión anaeróbica.Entreellos,cabedestacareloxígeno,aunquesuefectoinhibidornoes permanente, ya que en la flora bacteriana existen microorganismos que irán consumiendoeloxígenoquepuedatenerelmedio.Asimismo,silabiomasaesrica ennitrógeno,sepuedeproducirunexcesodeamoniacoqueinhibeelproceso. 11 Otros inhibidores son los metales pesados, que actúan sobre los microorganismos metanogénicos. Además, algunas sustancias orgánicas, como antibióticos y detergentes en determinadas concentraciones, pueden inhibir el proceso.Porúltimo,unaconcentraciónelevadadeácidosvolátilespuedeproducir unefectoinhibidor. EnlaTabla3serepresentanlosvaloresdeconcentracióninhibidoradelos inhibidoresmáshabituales.Estosvaloressonorientativos,yaquelasbacteriasse puedenadaptarconeltiempoalascondicionesmásdesfavorables. Tabla3.‐Valoresdelasconcentracionesdeinhibidorescomunes(GTZGmbh,1999). INHIBIDORES CONCENTRADORINHIBIDORA(mg/ml) SULFURO(comoazufre) Cobre(Cu) Cromo(Cr) Cinc(Zn) Níquel(Ni) CN Sodio(Na) Calcio(Ca) Magnesio(mg) 200 10‐250 200‐2000 350‐1000 100‐1000 2 8000 8000 3000 7. Agitación Haydiferentesmotivosparamantenerungradodeagitaciónadecuadoenel medio de digestión: mezclado y homogeneización del substrato, distribución uniforme de calor para mantener la temperatura homogénea, favorecer la transferencia de gases y evitar la formación de espumas o la sedimentación. La agitación puede ser mecánica o neumática a través del burbujeo de biogás recirculadoalapresiónadecuada.Enningúncasodebeserviolenta,yaquepodría destruirlosagregadosdebacterias. Enfuncióndelatipologíadereactordebetransferirsealsistemaelnivelde energíanecesarioparafavorecerlatransferenciadesubstratoacadapoblacióno agregados de bacterias, así como homogeneizar para mantener concentraciones mediasbajasdeinhibidores. 8. Tiempoderetenciónhidráulico(TRH) Es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el tiempomediodepermanenciadelinfluenteenelreactor,sometidoalaacciónde 12 losmicroorganismosparaalcanzarlosnivelesdeenergíay/oreduccióndelacarga contaminantequesehayanprefijado: EnlaFigura2seindicalatendenciageneraldelosíndicesdeeliminaciónde materia orgánica (expresada en forma de sólidos volátiles, SV) y de producción específica de gas, por unidad de volumen de reactor, en función del tiempo de retención. Figura 2.‐ Eliminación de sólidos volátiles, SV (%) y producción volumétrica de gas Pv (m 3 3 biogás/m dig·día)paraunreactoranaerobiocontinuodemezclacompleta,enfunción deltiempoderetenciónhidráulico.Fuente:IDAE. Este parámetro está íntimamente ligado con el tipo de substrato y la temperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y, consecuentemente, serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumendematerial. 9. Cargaorgánicavolumétrica(COV). La velocidad de carga orgánica, OLR en inglés. Es la cantidad de materia orgánicaintroducidaporunidaddevolumenytiempo.Valoresbajosimplicanbaja concentraciónenelinfluentey/oelevadotiempoderetención.Elincrementoenla OLRimplicaunareducciónenlaproduccióndegasporunidaddemateriaorgánica 13 introducida (ver Figura 3), debiendo encontrar un técnico/económicoparacadainstalaciónyresiduoatratar. valor óptimo 17 Figura 3.‐ Producción de gas por unidad de carga en función de la velocidad de carga orgánica (OLR),paralosdatosdelaFigura5.Fuente:IDAE. 2.3Tecnologíasdedigestiónanaerobia 2.3.1Digestoresdiscontinuos También llamados sistemas de “primera generación”. La característica principal de este grupo de fermentadores es, como su propio nombre indica, la carga discontinua, la cual se efectúa de una vez y se inocula con biomasa microbiana de la digestión precedente para favorecer el arranque de la fermentación. Estos digestores se han diseñado preferentemente para tratar residuos orgánicos con alto contenido en sólidos y, por tanto, los periodos de retención hidráulica son bastante prolongados. Dentro de este sistema se encuentran los digestores de tipofamiliar deChina y dela India usados desde la antigüedad. Uno de los problemas que presenta esta tecnología, es la producción discontinuadebiogásy,conobjetodeeliminarenloposibleesteinconveniente,las instalacionessehanproyectadodividiendolacapacidadtotaldedigestiónentreso másfermentadores,loscualesfuncionandeunamaneraescalonada,parasolapar 14 las curvas de producción de biogás y obtener una curva integral de producción uniformedecombustible. ActualmenteestetipodereactoressontípicoseneltratamientodeFORSU (FracciónOrgánicadeResiduosSólidosUrbanos). 2.3.2.Digestorescontinuos Estos nuevos tipos de digestores de “segunda generación”, presentan en común la particularidad de obtener un flujo continuo de biomasa activa en su interior.Enestegruposeincluyeunaampliagamadedigestoresdesarrolladoscon objeto de alcanzar una mejora en la producción energética. Las principales tecnologíasdeestetipoexistentesenelmercadoson: a) Mezcla completa (Figura 4).‐ Constituyen la tecnología más clásica para el tratamiento de todo tipo de residuos orgánicos semi‐sólidos. Su característica principal es que la biomasa se elimina periódicamente a medida que lo hace el residuo orgánico digerido. Esta mecánica de funcionamiento no permite una alta concentración de bacterias en el interior del digestor y, por tanto, la producción de biogás por unidad de volumendeldigestoresreducida. Figura4.‐Esquemadedigestordemezclacompleta(I.‐Influente;E.‐Efluente,G.‐Biogás). Fuente: MonografíaINIA. b) Flujo‐pistón(Figura5).‐Sebasaneneldesplazamientohorizontalatravés de una sección longitudinal, del sustrato a digerir, mezclándose mínimamenteenestesentido,pueslasdistintasseccionestienenestadosde fermentación diferentes. Son aptos para el tratamiento de residuos con elevadamateriaensuspensión. 15 Figura5.‐Digestorflujo–pistón.Fuente:IDEA c) Contactoorecicladodelodos(Figura6).‐Unodelosproblemasimportantes quesepresentanenlosdigestoreshastaahoramencionadosesel“arrastre” de microorganismos por el efluente desde el interior del digestor. La pérdidadebiomasabacterianainfluyenegativamenteenelrendimientode ladigestión. En los digestores de contacto se procede a realizar una decantación de la biomasa arrastrada por el efluente, para introducirlos de nuevo en el interior del digestor, con lo que se consigue una mayor población microbianaactiva,queposibilitaunadisminucióndeltiempoderetención. Figura6.‐Esquemadeunsistemadetratamientoanaerobiodecontacto(I.‐Influente;E.‐Efluente, G.‐Biogás).Fuente:MonografíaINIA 2.3.3Digestoresdetercerageneración En este grupo se incluye una generación de digestores que se han desarrolladoenlosúltimosañosyquetienencomoobjetivocomún,aumentarla concentración de la biomasa activa para aumentar el rendimiento energético por unidad de volumen del digestor. Sin embargo, este tipo de digestores, por su 16 configuración,seutilizanprincipalmenteparalíquidos.Muchosdeellosnoserían aplicablespararesiduossólidos. a) Filtroanaerobio La disminución del arrastre se logra al introducir dentro del digestor un lecho o soporte encargado de que sobre él se fijen los microorganismos. Los soportes más utilizados actualmente son de tipo plástico (poliuretano y PVC) o silicatos(vermiculita,bentonitaysepiolita). Los filtros anaerobios permiten altas sobrecargas sin disminución apreciable en su eficacia. El inconveniente es que no toleran apenas sólidos en suspensiónquecolmatanlamatriz,siendosóloadecuadospararesiduossolublesy bastantediluidos.Lafigura7muestraunesquemadeestetipodedigestor. Figura7.‐Esquemadelsistemadefiltroanaerobio(I.‐Influente;E.‐Efluente,G.‐Biogás).Fuente: MonografíaINIA: b) Lechodelodos(sistemaUASB) Enestesistemaelincrementodelapoblaciónbacterianadentrodeldigestor se basa en proporcionar a los lodos las características físico‐químicas más adecuadasparafavorecerlafloculaciónycoagulacióndelosmismossinnecesidad deintervencióndeningúntipodesoporte. Eldigestortieneunlechodelodofloculadoogranuladoenelfondo,previsto paraquepermitaelmovimientoascendentedelinfluenteasutravésyactúecomo filtro de la biomasa. La agitación se produce, durante la ascensión del biogás a travésdetodalamasadeldigestoralliberarseelgasdelosflóculos. 17 c) Películafija Sistemaparecidoalfiltroanaerobio,peroenestecasoelmaterialinerteestá constituido por placas paralelas fijas y en el que el flujo es descendente. De esta forma se previenen los peligros de colmatación y de formación de vías preferencialesquesepresentanenlosfiltrosascendentes.Puedetrabajarconaltas cargas,tantohidráulicascomodeconcentracióndesólidosyresiduosdiluidos. d) Películafijasobresoportelibre Esta tecnología tiene una mecánica de funcionamiento similar a la del "Reactordepelículafija",ylaúnicadiferenciaesqueelsoportedePVC,alcualse fijan las bacterias, está totalmente libre en el interior del digestor y por tanto permitesumovimiento,evitandodeestaformalosriesgosdeentupimientoy/ola formacióndevíaspreferenciales. e) Lechosfluidizadosoexpandidos Elprocedimientoqueseutilizaenestesistemaestáenfocadoamaximizarla población microbiana en el digestor, maximizando para ello la superficie de adherencia de la biomasa al soporte. Para lograrlo, se introduce un material en partículas muy pequeñas, inerte y móvil (arena o alúmina) que se mantienen en lechofluidizadoyconunaexpansiónrelativamentepequeñaconobjetodelograr una buena uniformidad en la distribución del efluente, que se mezcla con la alimentación. Sehabladelechosexpandidoscuandolaexpansióndellechoesde10‐35%, mientrasquecuandoserecuperael35%sehabladelechofluidizado.Laeficacia demostrada por este tipo de reactor, es bastante superior a cualquier otro tipo hastaahoradesarrollado,conlaparticularidaddepresentarunagranestabilidad frenteacambios,inclusobruscos,desusparámetrosdeoperación.Noobstante,la aplicación de esta tecnología a nivel industrial es actualmente más problemática queenelrestodelossistemas. 3.Usodelbiogásyderivados Como ya se ha señalado, el biogás es un gas combustible que puede aprovecharse energéticamente en motores de cogeneración, calderas, turbinas, pudiendo por tanto generar electricidad, calor o ser utilizados como 18 biocarburantes.Asímismo,tambiénpuedeserinyectadoelbiogásdepuradoenla reddegas. Cuando la concentración de sulfuro de hidrógeno en el biogás supera las 200ppm,debesersometidoaunprocesopreviodelavadoantesdeserutilizaos como combustibles. Ello se produce fundamentalmente cuando se utilizan estiércoles y purines en el proceso de digestión y por tanto se deberán tener en cuenta los correspondientes costes de pretratamiento a la hora de efectuar los estudioseconómicosderentabilidaddelasinstalaciones. El aprovechamiento energético más habitual del biogás es en el motor de cogeneración,medianteelcualseobtienenunosrendimientosenenergíaeléctrica deentreel35yel40%yenenergíatérmicadeentreel30yel40%. La energía eléctrica puede entregarse a la red eléctrica, recibiéndose a cambiounaremuneracióneconómica. Para el caso del biogás agroindustrial, una alta proporción de la energía térmica producida (entre el 40% y el 80%) se autoconsume para alcanzar y mantener la temperatura mesófila o termófila del proceso de digestión. El excedente térmico puede destinarse a distintos usos (calefacción, agua caliente sanitaria,secado,invernaderos,produccióndefrío,etc.). Sinembargo,elusodebiogásenmicroturbinasypilasdecombustibleestá pocoextendido.Mientrasqueexistenvehículosutilitariosdebiogásderivadosde proyectosexperimentalesqueseestánllevandoacaboenSuecia. 3.1Aplicacionesdelbiogás El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentesusos: a. Cocinas de biogás: La adaptación de las cocinas para el consumo de biogásesmuysencillaydebajocosto,siendounaalternativaatractivapara la masificación en nuestro país. El biogás empleado para cocción de alimentosnoproducealteracionesencuantoaolorysabordelosalimentos terminados. Unadelasdesventajasenestaaplicacióneslarápidacorrosióndelasollas debidoalácidosulfúricoqueelbiogásproduce,peroestaadversidadpuede ser contrarrestada con filtros metálicos o con filtros orgánicos que absorbanesteácido. 19 b.Pilasdecombustible:Enpilasdecombustible,previarealizacióndeuna limpiezadeH2Syotroscontaminantesdelasmembranas. c. Aditivo para gas natural: El biogás se puede purificar y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de transporte de gas natural. d. Para síntesis de otros compuestos: Uso como material base para la síntesisdeproductosdeelevadovalorañadidocomoeselmetanoloelgas naturallicuado. e. Combustible de automoción: El biogás, además de metano tiene otra serie de compuestos que se comportan como impurezas: agua, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles como hidrocarburos halogenados, siloxanos, etc. Por tanto, es necesaria la limpiezadelcombustible,dependiendodelusofinal. f. En hornos, deshidratadores, secadores de granos: Para estos casos solo se requiere que tengan sistemas de combustión a gas, existen gran cantidaddeequiposfabricadosparatrabajarconbiogás,sinembargoexiste unaventajaalpoderconpequeñasmodificacionesadaptarcasilamayoría de equipos que trabajan con GLP u otros gases a biogás, lo cual amplia enormementelagamadeusodelbiogás. g. Motores de combustión interna: Los motores con ignición por chispa pueden funcionar solamente con biogás mientras que los motores diesel requieren algunas modificaciones para permitirles que funcionen principalmenteconbiogássuplementadoconcombustibleDiesel. Aúnnosetieneunvehículoconmotordecombustióninternaquefuncione congasmetanogeneradoapartirdedesechosorgánicos,ennuestropaísno sehainvestigadoestaposibilidadporlafaltadeapoyogubernamentalylos altos costos que esta representa, siendo una hipótesis altamente factible paracrearvehículoshíbridosconbiogásoasuvezvehículosquefuncionen 100%conbiogás. h. Equipos de cogeneración: Los equipos de cogeneración sirven para aprovechar la energía mecánica de un motor de combustión interna que producemovimientorotacionalytransformarloenotrotipodeenergías,en lageneracióndeenergíaeléctricaseaprovechaelmovimientodelcigüeñal del motor de combustión interna para mover un generador eléctrico, 20 tambiénsepuedeaprovecharestemovimientorotacionalparaaccionaruna bombaparasuccióndeaguaentreotrasvariasaplicaciones. i.Produccióndehidrogeno:Laproduccióndehidrógenoestalvezunode losaspectosmásimportantesafuturodelusodelbiogás,puesyaexistenlos vehículosahidrógeno,yunadelasfuentesmásampliasdeproducciónde hidrogeno será el biogás, con un tratamiento previo del biogás para alcanzaraltasconcentracionesdemetano. j. Otros usos: Además de generar energía en la Tierra, el metano podría utilizarse incluso fuera del planeta, como combustible para las naves espaciales.DosempresasquetrabajanparalaNASA,AlliantTechsystemsy XCOR Aerospace, están probando un sistema de propulsión con este gas, que presenta diversas ventajas frente al combustible de los cohetes actuales,elhidrógeno. Se trata también de un gas apreciado como combustible y para producir diversosgasesysustanciasdeusoindustrial,comoelclorurodehidrógeno, amoníaco, acetileno y formaldehído. Asimismo, es uno de los principales componentes de la atmósfera de algunos planetas delSistema Solar, como Saturno,UranoyNeptuno. Una situación ideal sería implantar un pequeño sistema de cogeneración, quepermitiríaunahorroenaguacalienteyelectricidadenépocasfrías,juntocon laconexiónalaredparalaventaeléctrica.Enlosmesesdeverano,ventaalared eléctricaoventadebiogásparasuembotelladoapresión. Generalmente, los costes asociados a instalaciones de gestión de residuos orgánicos mediante digestión anaerobia son elevados y la productividad es muy baja en términos de la energía contenida en el biogás respecto a la cantidad de residuotratado. Tabla4.‐Usosdelbiogásvs.otrasenergíasalternativas USOS Generacióndeelectricidad Coccióndealimentos Activacióndebombas Motoresdecombustióninterna Calentamientodeagua SOLAR EÓLICO HIDRÁULICO BIOGÁS X X X X X X X X X X X X X 21 4.Caracterizacióndesubproductosvegetales Todos los subproductos vegetales susceptibles de ser empleados en la formación de biogás han sido analizados para conocer sus características físico‐ químicas,nutricionales,etc. Una de las características principales que tienen los subproductos de la industriadetransformadosvegetalesdelaRegióndeMurciaeselaltocontenido en materia orgánica. Los restos vegetales que se producen la región tienen una gran cantidad de agua y esto unido a la gran cantidad de materia orgánica que poseen, los hacen muy putrescibles. Se puede afirmar que los restos poseen una altabiodegradabilidad. Como ya se ha comentado, las industrias del sector de transformados vegetalesgeneranunagrancantidadderestosvegetales,perotambiéndelodosy otrosresiduosorgánicosalprocesarsusmateriasprimas,quealigualqueloslodos estánexentosdesustanciastóxicas.EnlaTabla5sepuedeobservarelporcentaje querepresentanfrentealacantidadtotaldemateriaprimaprocesada,siendoen todocasosuperioraun10%ypudiendoalcanzarel65%.Sehadedecirque,enla actualidad,eldestinoprincipaldeestosrestosvegetalesessuusoenalimentación animal,queaporta,enlamayoríadecasos,beneficioseconómicosalaempresapor dicha venta y por tanto se valoriza cubriendo las necesidades de animales, pero habríaqueevaluarsuutilizaciónenprocesosdebiometanización. Tabla5.‐Porcentajesderestosgeneradosenfuncióndelamateriaprimaprocesada MateriaPrima Tipoderestos %restos total MateriaPrima Tipoderestos %restos total Tomate Piel,pepita, podridos 15 Borraja Hojas 28 Pimiento piquillo Pimiento morrón Espárrago Alcachofa Corazones,piel 53 Cardo Penca,hoja, corazón 65 Corazones,pieles 50‐60 Acelga Pencas,hojas 48 Pieles,trozos Brácteas,tallos 51 60‐65 Hojassecas Pieles,huesos 13 22‐28 Judíaverde Puntas 28 Pieles,huesos 10‐25 Champiñón Corteraíz,destrío 21 Espinacas Melocotón Ciruela, albaricoque Naranja, mandarina Puerro Hojas,raíces 47 Naranjazumo Brotesdeajo Partesblancas 17 Pera Manzanaconcent. Piel,corteza, semillas Piel,corteza, semillas Piel,pecíolos, corazón Piel,pecíolos, pepita 40‐45 60‐65 42‐45 10‐15 Fuente:CNTA–CTC 22 Los restos vegetales tienen una capacidad energética muy superior a los lodos de depuradora por lo que incorporarlos conjuntamente conestos se puede mejorar el rendimiento energético y la calidad del biogás producido, además de que los lodos y restos vegetales se generan de forma simultánea mientras la empresa esté procesando materia prima y por tanto se pueden gestionar ambos residuos al mismo tiempo. De hecho, hay experiencias que demuestran la viabilidad económica de aplicación de la digestión anaerobia, tanto de sólo lodos procedentes de la depuración de aguas residuales urbanas como de mezclas de residuosvegetales. 4.1Potencialesyrendimientosdelbiogás El biogás es un gas combustible cuya composición depende fundamentalmentedeltipodesustratoutilizadoydigeridoenelproceso,ysualta concentración en metano, de elevada capacidad calorífica (5.750 kcal / m3), le confierecaracterísticascombustiblesidealesparasuaprovechamientoenergético en motores de cogeneración, calderas, turbinas,… pudiendo por tanto generar electricidad,caloroserutilizadoscomobiocarburantes. La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo o subproducto determinados depende de su potencial (producción máxima), del tiempo de retención, de la velocidad de carga orgánica, de la temperatura de operación,delapresenciadeinhibidores,etc. Como se ha explicado con anterioridad, la riqueza del biogás depende del material digerido y del funcionamiento del proceso. En la Tabla 6 se muestran valoresmediosdecomposicióndelbiogásenfuncióndelsubstratoutilizado. Tabla6.‐Componentesdelbiogásenfuncióndelsubstratoutilizado(Coombs,1990). Componente Residuos Lodosde Residuos Gasde agrícolas depuradora industriales vertedero Metano 50‐80% 50‐80% 45‐65% 51‐70% Dióxidode carbono Agua Hidrógeno Sulfurode hidrógeno Amoniaco Monóxidode carbono Nitrógeno Oxígeno Compuestos orgánicos 30‐50% 20‐50% 30‐50% 34‐55% Saturado 0‐2% 100‐700ppm Saturado 0‐5% 0‐1% Saturado 0‐2% 0‐8% Saturado 0‐1% 0.5‐100ppm Trazas 0‐1% Trazas 0‐1% Trazas 0‐1% Trazas Trazas 0‐1% 0‐1% Trazas 0‐3% 0‐1% Trazas 0‐1 % 0‐1% Trazas 0‐20% 0‐5% 5ppm* *terpenos,esteres,.. 23 Laproduccióndebiogásparacadatipodesubstratoesvariableenfunción de su carga orgánica y de la biodegradabilidad de la misma (ver Tabla 7). Los restos vegetales posees una gran capacidad de biodegradabilidad lo que los hace engeneral,residuospotencialmentemuybuenosparalaobtencióndebiogás. No obstante, existen opciones que permiten mejorar la producción de biogás de estos residuos: mezcla con residuos de mayor producción potencial (codigestión), pretratamiento para mejorar la degradabilidad del substrato, o aumento de la temperatura para mejorar la velocidad de crecimiento de los microorganismosylaeficienciadelafasehidrolítica. Tabla7.‐Produccióndebiogásenfuncióndelsubstratoutilizado(Coombs,1990). Tipoderesiduo Contenidoorgánico Sólidos Producciónde volátiles(%) biogás(m3/t) Purinesdecerdo Hidratosdecarbono, 10–20 3–5 lípidosyproteínas Fangosresiduales Hidratosdecarbono, 3– 4 17–22 lípidosyproteínas Fangosresiduales Hidratosdecarbono, 15– 20 85–110 concentrados lípidosyproteínas FORSUseparadaen Hidratosdecarbono, 20– 30 150‐240 origen lípidosyproteínas De manera aproximada, se puede constatar que el gas natural tiene un contenido en CH4 del 100%. Por lo tanto, se podría decir que 1 m3 de biogás equivalealaenergíade0,65m3degasnatural(suponiendoqueelbiogástieneuna riquezamediaenmetanodel65%).Porotraparte,lacantidaddeCH4necesaria paraobtener10kWhdeenergíatotalesde1m3demetanoaproximadamente.Si además, el rendimiento eléctrico de un motor es del 40 –50%, se puede concluir que1m3debiogáspuedellegaraproducir2,9kWhdeenergíaeléctricarenovable. Atravésdelosdatosrecogidosdenuestraexperienciaasícomodelosdatos de otros autores corroboran el alto potencial energético de lo subproductos del sectordetransformadosvegetales.Acontinuaciónsemuestralafigura8dondese puede observar el alto potencial energético de algunos restos vegetales así como sudiferenciafrenteaotroscompuestos. 24 Figura8.‐Produccióndebiogássegúnmateriafrescaalimentada Como se observa en la gráfica superior los restos vegetales tienen un potencialenergéticobastantealto.Elvalormedioesde175Nm3Biogás/tonelada materia fresca aunque en otras experiencias se ha comprobado que este valor puedeincrementarsehastaalcanzarlos200‐250Nm3Biogás/toneladademateria fresca. Enbaseaestoscriterioslaequivalenciaenergéticadelbiogásrespectode otrasfuentesdeenergíaseresumeenlafigura9. Figura9.‐Equivalenciasdebiogásconotrasfuentesdeenergía.Fuente:CIEMAT/CTC 25 4.1.1Propiedadesdelbiogás Las propiedades como poder calorífico, índice de Wobbe, velocidad de ignición,requerimientosdeaire/gasparacombustión,etc.,todasestadependende la calidad de biogás obtenido, principalmente de la proporción de metano contenido y grado de purificación que se le haga, sin embargo anotamos a continuaciónunosvalorespromedioenunbiogásnopurificado: a.Supodercalorífico Elpodercaloríficodeungaslopodemosdefinircomolacantidaddeenergía liberada por un combustible cuando se queme estequiométricamente y los productos de combustión salgan a igual condición de temperatura y presión a la que entran los reactivos, para el caso del GLP, Gas Natural o Biogás que nos concierne es necesario diferenciar entre poder calorífico superior (PCS) y poder caloríficoinferior(PCI),debidoalaformacióndeaguaenlacombustióndeestos, donde en uno se considera que el agua de los humos sale en estado líquido aprovechando su entalpía de vaporización, y en el otro en estado gaseoso respectivamente, el poder calorífico es indispensable para calcular la potencia térmicadecualquierequipoquefuncionecongas;otrasdefinicionesmássimples lodefinencomolacantidaddecalorquepuedeentregarungasensucombustión, o la capacidad de ceder calor de un combustible cuando está ardiendo, o la cantidad de calor que entrega un kilogramo o un metro cúbico de gas o combustiblealoxidarseenformacompleta,etc. b.Índicedewobbe Es la relación entre el poder calorífico del gas y la raíz cuadrada de la densidadrelativadeéste,yseexpresacomúnmenteenKwh/m3estándaronormal degas.Paraello,generalmentesetomaelpodercaloríficosuperior,perotambién puedesercalculadorespectoalinferior,estapropiedadesindispensablecuandose requiereconocerlapotenciaqueseutilizaenunsistemadecombustión,también es un parámetro fundamental en la teoría de intercambiabilidad de gases, pues éstosdebentenerelmismovalorparaqueseconservelapotenciaenelsistemasin modificarsugeometría,entoncesdebemoscalcularelíndicedeWobbedelbiogás queproducimosparasabersisepuedeintercambiarapropiadamenteosaberque modificacionessedebendeefectuarenelsistemadecombustiónsisonfactibles. c.Temperaturaderocío Lacombustióndehidrocarburos(CxHy)ehidrógenoproducevapor,elcual seencuentracomovaporenlosproductosdecombustión.Latemperaturaalacual se inicia la condensación del vapor de agua en los productos de combustión se 26 denomina temperatura de rocío, esta resulta importante en el estudio de la recuperación de la entalpía de vaporización del agua en los productos de combustiónresultantesalquemaruncombustibleespecífico. d.Límitesdeinflamabilidad Corresponden a las proporciones de la mezcla combustible ‐ oxidante en porcentaje por volumen de gas en la mezcla, para las cuales la reacción de combustiónpuedeiniciarseyautopropagarse.Elintervalodeinflamabilidadestá acotados por el LII límite inferior de inflamabilidad y el LIS límite superior de inflamabilidad(figura10). Figura10.‐Límitesdeinflamabilidad Acontinuación,sepuedeverenlaTabla8laspropiedadesdecombustión delmetano. Tabla8.‐Propiedadesdecombustióndelmetano Pesomolecular 16.042Kg/kmol Volumenestequiométicodeaire 9.52 m3aire/m3gas Podercaloríficosuperior(PCS) 10.49 Kwh/m3 Podercaloríficoinferior(PCI) 9.43 Kwh/m3 Índicedewobbesuperior 14.09 Kwh/m3 Índicedewobeeinferior 12.67 Kwh/m3 Temperaturaderocío 59.3 ºC Finalmente, en la Figura 11 se aporta un ejemplo de los parámetros analizados a cada uno de los subproductos de la industria de transformados vegetales. 27 Figura11.‐FichatécnicaderestosdeAlcachofa.Fuente:proyectoLIFE+AGROWASTE 28 5.Descripcióndelprocesodeobtencióndelbiogás La digestión anaeróbica consiste en la descomposición de material biodegradable en ausencia de oxígeno para dar como resultado dos productos principales: biogás (compuesto mayoritariamente por metano) y el lodo estabilizado,conocidocomodigerido. Además de esto hay que tener en cuenta la escasa rentabilidad de los procesosdedigestiónanaerobiapresentesenestecontexto.Estatecnologíautiliza reactores(digestores)cerradosdondesecontrolanlosparámetrosparafavorecer elprocesodefermentaciónanaeróbica,unprocesomuyconocidoyaquetambién se produce de un modo natural y espontáneo en diversos ámbitos, como por ejemploenpantanos,enyacimientossubterráneosoinclusoenelestómagodelos animales. 5.1ProcesoProductivo ElprocesoparalaproduccióndebiogássedetallaenlaFigura12,enellase pueden ver las distintas etapas que tienen lugar en una planta de digestión anaerobia: pretratamiento y depósito para la alimentación; digestor donde tiene lugar el proceso biológico; gasómetro para recoger el biogás producido y otro depósitoparaeldigerido(efluente). Figura12.‐Esquemadefuncionamientodelprocesodebiogás 29 5.1.1Alimentación:Pretratamientoydepósito Laalimentacióndelprocesosellevaacaboconlasúnicaspremisasdeque ésta contenga material fermentable, tenga características adecuadas para el correcto funcionamiento de la planta según su diseño industrial, y tenga una composiciónyconcentraciónrelativamenteestable. Además, al tratarse de un proceso biológico, se requiere asegurar una alimentación constante que no altere el metabolismo de los microorganismos implicados,yqueporlotantonopuedaafectarelrendimientodelaplanta. Mediante el pretratamiento de la alimentación, adecuando el tamaño de partícula,facilitandolahidrólisisosuministrandomaterialomezclasdemateriales potencialmenteproductoresdebiogás,ydepósitosdealmacenamientoseiniciael procesoyseevitaproblemasposteriores. La principal vía de producción de metano es la correspondiente a la transformación del ácido acético, con alrededor del 70% del metano producido. Esteesunprocesolentoyconstituyelaetapalimitantedelprocesodedegradación anaeróbica. 5.2Codigestión El término co‐digestión se utiliza para expresar la digestión anaerobia conjuntadedosomássustratosdediferenteorigen.Laventajaprincipalradicaen el aprovechamiento de la sinergia de las mezclas, compensando las carencias de cadaunodelossustratosporseparado.Laco‐digestiónderesiduosorgánicosde diferente origen ha resultado una metodología exitosa tanto en régimen termofílicocomomesofílico. La co‐digestión consiste en el tratamiento conjunto de residuos orgánicos diferentesconelobjetivode: Aprovechar la complementariedad de las composiciones para permitir perfilesdeprocesomáseficaces. Compartirinstalacionesdetratamiento. Unificarmetodologíasdegestión. Amortiguarlasvariacionestemporalesencomposiciónyproducciónde cadaresiduoporseparado. 30 Reducircostesdeinversiónyexplotación. Existensubproductosbiodegradables,dediferentesorígenes,quetienenun bajo contenido de materia orgánica; en estos casos, la co‐digestión se presenta comounametodologíaexitosaaescalamundial,basadoenundiagramacomoelde lafigura13. Figura13.‐Diagramadeflujodeunaplantadebiogásagroindustrial En la Tabla 9 se indican las características relativas para la co‐digestión. Flechas de sentidos diferentes indican un posible interés en la mezcla, al compensarse la carencia relativa de uno de los dos residuos. La alcalinidad de lodos de planta depuradora presenta tal variabilidad que es difícil su caracterizaciónrelativa. Tabla 9.‐ Caracterización relativa para la co‐digestión de diferentes residuos orgánicos. FuenteGIRO 31 Finalmente se muestra (Figura 14) una vista del digestor con una de las mezclasquesehanprobado. Figura 14.‐ Digestor experimental utilizado para diferentes mezclas de restos vegetales en el proyectoLIFE+AGROWASTE 6.Estudioviabilidadeconómica Teniendo en cuenta los presupuestos que se han recibido de distintas ingenieríasysepuedeafirmar,deunaformaresumida,queunaplantade250kW tieneaproximadamenteuncostede1300000€yunade500kWlotienedecerca de2000000€,sepuededecirqueseaplicalaeconomíadeescala,dehecho,plantas de menor potencia instalada no son habituales por la baja rentabilidad de las mismas,ymássisetieneencuentaqueunmotordecogeneraciónde50kWtiene uncostedecasi100000€,porloquelainversióninicialseríaproporcionalmente elevada,ypuedeconsiderarsedelordende500000€paraunaplantade70kW. Acontinuaciónseresumenlosdatoseconómicosparalainstalacióndeuna planta de biogás de 500 kW alimentada con 11000 t/año de restos vegetales únicamente aunque utiliza pequeñas cantidades de lodos de depuradora como acondicionante. 32 En cuanto a costes de gestión, en primer lugar se ha de decir que el coste actualmediodelosrestosvegetalesesde12€/taunqueenmuchoscasoselcoste esnulotansoloseríanecesariolaretiradadelosrestosvegetalesdelasindustrias. Mientras,porsuparteeldigestatoqueseproduceenlabiometanizaciónpuedeno tener coste alguno si se utiliza por ejemplo como abono agrícola ya que es un materialestabilizadoyenriquecidoennutrientes,. A continuación vamos a estudiar la viabilidad de instalar una planta de biogás en una empresa que podemos encontrarnos en el sector, en concreto se presentanlosdatosyresultadoscorrespondientesaunainstalacióntípicaalaque se alimentan 11000 t/año. La digestión anaerobia que trabaja solo con restos vegetales y utiliza lodos de depuración únicamente como acondicionante ha demostrado que genera un muy significativo incremento de la producción de biogás y por tanto un mayor beneficio, llegando a alcanzar valores medios de producciónentornoalas200‐250m3/t.aunquecomodemuestranotrosautoresy experiencias estos ratios son menores y alcanzan producciones de biogás inferioresa200m3/t Asípues,apesardesaberqueenocasionesseobtieneunbeneficiodirecto por la venta del subproducto para alimentación animal y que la producción de biogásesligeramenteinferioralosdatosmásfavorablesnospondremosenelpeor de los escenarios quees contemplar que efectivamenteel empresario obtieneun beneficiodelsubproductoporlaventadeesteyquelaproduccióndebiogásesta dentro del intervalo normal de producción. Estas consideraciones se establecen paraasegurarlarentabilidaddeproyecto. 6.1Datosdepartida Paraunaplantade500kW: Sehasupuestounaproduccióndiariaininterrumpidaalolargodelañocon una ratio de biogás dentro de la horquilla de datos bibliográficos aunque por la parteinferior. Porsupartelosrendimientostantomotorcomotérmicosehanestimadoen valores medios de dentro de su intervalo de acción, el rendimiento del motor puedeestarentornoal50‐55%yeltérmicoalgomenor40‐50%porloquesehan tomadovaloresmediosparaelestudioeconómico. 33 DATOSDEPARTIDA UNIDAD Materiaprimanecesaria 11000 Horastrabajoanual 8760 RatioBiogás/Restosvegetales 175 RendimientodelMotor 50 RendimientoTérmico 45 t/año h m3/t % % Otrosdatosyconversionesquesehantenidoencuentaparalaevaluación económicadelaimplantacióndeunsistemadedigestiónanaerobiahansido: Según los informes aportados por diferentes empresas y según la experiencia en el sector, se ha estimado la vida útil de una planta de biogás. Ademássetomadounvalormedioparaelcasodelpodercaloríficodelbiogásya queestepuedevariardesde18000hasta23000KJ/Nm3. Porúltimocomoporcentajeinterésdelpréstamoparasolicitareldinerose hatomadounvalormedioquepuedeofrecerunaentidadbancariahoyendía. OTROSPARÁMETROS VIDAÚTILDEUNAPLANTADEBIOGÁS INTERÉSDELPRÉSTAMOAPEDIR PODERCALORÍFICODELBIOGÁS CONVERSIÓNDEENERGÍA TASADESCUENTOAPLICADAPARAVAN VALOR UNIDAD 12 AÑOS 5 % 20000(18000‐23000) KJ/Nm3 4,18 Kcal/KJ 6 % Tambiénsehandetenerencuentaelpreciodecadaunodeloselementos que repercuten en el precio final del producto. Todos estos precios son precios realesdemercadoadíadehoy. PRECIOS Precioderestosvegetales Preciocalor Preciotransportemateriaprima Precioelectricidad VALOR 12 0.035‐0.045(0.037) 4 0,14 UNIDAD €/t €/kWh €/t €/kWh Con los datos expuestos anteriormente se obtienen los resultados de producción anual tanto en biogás como en electricidad generada por la planta diseñada. Además con estos valores se pueden obtener ratios para los cálculos económicosposteriores.Losdatosobtenidossereflejanenlasiguientetabla: 34 ProducciónanualdeBiogás 1950000 m3/año ProducciónanualdeElectricidad 10694444,44 kWh/año RatioproducciónEléctrica/Restosvegetales 0,97 kWh/Kg RatioproducciónEléctrica/Biogás 5,56 kWh/m3 RatioEnergía/Biogás 4784,69 Kcal/m3 6.2Equipos La planta de digestión anaerobia propuesta para la obtención del biogás estáformadaporloselementosquesedescribenacontinuación: EQUIPOSNECESARIOSPARALAOBTENCIÓNBIOGÁSEN COSTE(€) PLANTADEDIGESTIÓNANAEROBIA ÁREADERECEPCIONALMENTACIONYSISTEMADE HIGIENIZACIÓN DIGESTOR EQUIPOPARATRATAMIENTODELGAS EQUIPOPARAAPROVECHAMIENTODECALOR SISTEMADEALMACENAMIENTODELGAS SITEMADEVALVULOMETRÍA OTROSELEMENTOSYPUESTAENMARCHA 2.000.000 6.3Estudioeconómico Una vez conocido el coste que van a tener todos los equipos que se van a utilizar en la planta, el coste que tiene la materia prima, así como su traslado,… podemosdeterminarlosgastosquesevanatenerenesteproyecto. También se conoce la cantidad de biogás que se produce y su potencial energético. De esta forma se puede calcular el ahorro anual que se obtendría sustituyendoelusodeuncombustiblecualquieraporlaenergíaqueproporciona lacombustióndelbiogás. Con todos estos datos se podrá determinar el tiempo que se tarda en recuperar la inversión inicial y si es un proyecto viable o no viable y en caso de serlosiesalargoocortoplazo. A continuación se describen todos los gastos derivados del proceso de digestiónanaerobia. 35 COSTESDEINVERSIÓN CANTIDAD(EUROS) DURANTE DESPUÉS PRÉSTAMO PRÉSTAMO 132.000 132.000 44.000 44.000 120.000 120.000 MATERIAPRIMA TRANSPORTEDEMATERIAPRIMA EXPLOTACIÓN PRÉSTAMOTOTAL* 2.663.684 0 COSTESEQUIPOSEINSTALACIÓN 2000000 0 663684 0 INTERESES COSTESTOTALESANUALES 562.368€ 296.000€ COSTE POR TONELADA 51.12€/T 26.91€/T ALIMENTADA *Arepartiren10años. Para un correctoestudio del tiempo amortización de la inversión se va a calcularelprecioanualdeloscostes,asícomoeldelosingresosgeneradosdela produccióndeenergíaelecticaytérmica.Paraestoutilizamoslosdatosdepartida anteriores: Plantadedigestiónanaerobiade500kW: Gastos: Comogastosfijossetendránlosgastosenmateriaprima,transportedela mismaycostesdeexplotación.Porsuparteseentiendecomogastosvariableslos pagosderivadosdelacontratacióndeunpréstamoa10añosparalacompradelos equiposnecesarios. GASTOS GASTOS AÑO GASTOSFIJOS(€) VARIABLES(€) TOTALES(€) 1 296000,0 266368,4 562368,4 2 296000,0 266368,4 562368,4 3 296000,0 266368,4 562368,4 4 296000,0 266368,4 562368,4 5 296000,0 266368,4 562368,4 6 296000,0 266368,4 562368,4 7 296000,0 266368,4 562368,4 8 296000,0 266368,4 562368,4 9 296000,0 266368,4 562368,4 10 296000,0 266368,4 562368,4 11 296000,0 0 296000,0 12 296000,0 0 296000,0 36 Ingresos: Los ingresos de la planta de digestión anaerobia son los derivados de la venta de la electricidad generada así como del aprovechamiento de calor que se desprendeenelproceso. Para poder calcular la electricidad generada se ha de tener en cuenta el rendimiento del motor. El rendimiento del motor es un parámetro muy significativo e influye de gran manera en la rentabilidad del proyecto. Como a lo largo de todo el proyecto se ha intentado tomar un valor que se acerque a la realidad pero que esté en la parte inferior del intervalo. En concreto se ha estimado que el rendimiento del motor puede estar en torno al 50‐55%. Para el cálculodelaenergíaeléctricaproducidasehatomadoelcasomasdesfavorable,es decir,un52%derendimiento. Enelcasodelrendimientoenergéticosehaestimadounpocomenor.Entre un40‐50%.Enestecasosehatomadoelvalormedio45%. Elpreciodelaelectricidadydelcalortambiénsonestimados.Setomanlos valoresdescritosenlosdatosdepartidadelapartado5.1. ENERGÍA ELECTRICA GENERADA (Kwh/AÑO) 5347222,2 AÑO TODOS INGRESOSPOR ENERGIA ELECTRICA(€) 748611,1 ENERGIA ELETRICAPOR CALOR (Kwh/AÑO) 4812500,0 INGRESOSPOR ENERGIA TERMICA(€) 178062,5 AÑO INGRESOSTOTALES TODOS 926673,6 Porlotantotendríamosquelaamortizaciónseríalasiguiente. 37 AÑO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 GASTOS(€) 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 562368,4 296000,0 296000,0 INGRESOS(€) 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 926673,6 FLUJODECAJA AMPORTIZACIÓN (€) (€) 364305,2 ‐2320000,3 364305,2 ‐1995770,0 364305,2 ‐1689892,3 364305,2 ‐1401328,5 364305,2 ‐1129098,5 364305,2 ‐872277,7 364305,2 ‐629994,0 364305,2 ‐401424,4 364305,2 ‐185792,7 364305,2 17633,4 630673,6 349864,4 630673,6 663289,8 Con los datos obtenidos en la tabla anterior y con los datos de partida podemos calcular el tiempo de amortización de la inversión así como de otros parámetroscomoelVANyelTIRquenosayudaranaverlarentabilidaddeeste proyecto. PARÁMETRO VALOR TIEMPODEAMORTIZACIONDELAINVERSION 10AÑOS VAN(VARIACIÓNANUALNETA)* 663290€ TIR(TASAINTERNADERETORNO)* 10,0% *Estosvaloresestáncalculadosparaunperiodode12años Conlosdatosobtenidosutilizandogasnaturalcomocombustiblesepuede afirmarqueelproyectoesviableconunaamortizacióndelpréstamoen10años. 7.Conclusiones Ladigestiónanaerobiaesunaenergíarenovableylimpiaconreducciónde emisionesdegasesdeefectoinvernadero. Debido a la gran cantidad de restos vegetales existentes en la Región de Murcia se puede afirmar que en esta región existe un enorme potencial biodegradablequepuedeservalorizado. El digerido obtenido puede ser utilizado como biofertilizante con un tratamientoadecuado. 38 Aparte de los restos vegetales procedentes de las industrias de agrotransformadosvegetalesexistesotroselementoscomoloslodosquese puedenutilizarcomoacondicionanteoinclusocomoconstituyenteparauna mejormezcla.Elusodeestosestáaumentandoenlosúltimosaños. Para que el proyecto sea viable hay que definir correctamente todos los parámetrosinvolucradosenladigestiónanaerobia. Sepuedenutilizarco‐sustratosparaaumentarelrendimientoenergéticoy portantolarentabilidaddelasinstalacionesatravésdelaco‐digestión. El rendimiento del motor eléctrico y el rendimiento térmico son fundamentalesparalarentabilidaddelproyecto. Cuantomayorsealapotenciainstaladamásrentableseráelproyecto. Una relación superior a 200 m3 biogás/tMF acorta los tiempos de amortización. Elporcentajedemetanocontenidoenelbiogásinfluyedirectamenteenla eficienciadelmotordecombustióninternayporlotantoenlageneración deenergíaeléctrica. Paraelaprovechamientodelbiogássehareducidoel%deH2S. La tecnología del biogás y la construcción de plantas de biogás es totalmente factible en nuestro país, con la masificación de este tipo de tecnología se puede obtener beneficios económicos y ambientales que favorecenalcomúndelasociedad,conlacreacióndefuentesdeempleoy reducción de la contaminación respectivamente, para lograr esta masificaciónsedeberíacrearleyesqueincentivenaoptarporestetipode tecnología. El biogás es un combustible alternativo renovable cuya fuente de producción es inagotable, lo cual lo convierte en un biocombustible altamente viable en la aplicación de motores de combustión interna para diversosfines El biogás como combustible eficaz para su masificación necesita purificaciónparallegaracontenidosdemetanodeporlomenosun90%,lo que nos permite tener un poder calorífico mayor y como consecuencia un 39 mejor rendimiento de los equipos en los que se suministra biogás como combustible. 7.1Ventajasdelprocesoanaeróbico Eltiempoderetenciónnospermitetenerunamezclamáshomogénea. Reducción de la materia orgánica degradable y manteniendo las concentraciones de nutrientes, lo cual permite tener la misma riqueza de nutrientes. Balanceenergéticopositivoyproductornetodeenergíarenovable,permite eltratamientodemezclasconotrosresiduosparaoptimizarlaproducción energética. Reduccióndelacantidaddelodosagestionar. Produccióndeenergíaquepuedeservirparaelfuncionamientodelapropia planta y parte para su comercialización, con el consiguiente beneficio económico. Reduccióndelconsumodecombustiblesfósiles. Reducción de la emisión de metano evitando el deterioro de la capa de ozono. Aprovecharlacomplementariedaddelascomposicionesdecadaunodelos sustratosparamejorarelprocesoyportantogenerarmayorproducciónde biogás,sepuedemejorarlarelaciónC/N. Compartirinstalacionesdetratamiento. Unificarmetodologíasdegestión. Amortiguar las variaciones temporales en composición y producción de cadaresiduoporseparado. Reducircostesdeinversiónydeexplotación. 40