ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UNA PLANTA DE BIOGÁS

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