APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS

Francisco García Herruzo

APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS

Marco legal sobre vertederos. Situación en la UE-27

Generación del biogás en vertederos

Captación del biogás producido en vertederosCaptación del biogás producido en vertederos

Valorización del biogás: Producción de energía eléctrica

Directiva 1999/31/CE:Normativa europea sobre vertederos

Decisión 2003/33/CE:Criterios y procedimientos de admisión de residuos en los vertederos

Real Decreto 1481/2001 y RD 1304/2009Regula la eliminación de residuos en vertederosRegula la apertura, explotación y cierre de vertederos

MARCO LEGAL DEL VERTIDO DE RESIDUOS

Regula la apertura, explotación y cierre de vertederosSe establecen los criterios de admisión de residuos

Anexo I (punto 4): Control de gases1. Se tomarán las medidas adecuadas para controlar laacumulación y emisión de gases de vertedero.2. En todos los vertederos que reciban residuos biodegradables serecogerán los gases de vertedero, se tratarán y se aprovecharán.Si el gas recogido no puede aprovecharse para producir energía,se deberá quemar.3. La recogida, tratamiento y aprovechamiento de los gases sellevará a cabo de forma tal que se reduzca al mínimo el daño odeterioro del medio ambiente y el riesgo para la salud humana.

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

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Países

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Incineración

Compost+Reciclaje

Vertedero

VERTEDERO CONTROLADO O RELLENO SANITARIO ANAEROBIO

Vertido de RSU controlado: Sistema habitual de eliminación (58%)

•Fuente emisora de contaminantes atmosféricos (CH4, CO2 y trazas de COV)

•Fuente de contaminación de aguas subterráneas (lixiviados)

•Pérdida significativa de material reciclable y/o valorizable (≈80%)

Impacto ambiental y riesgos del biogás

• Incendio y explosión : Mezclado con aire en proporciones del 7-15%

Situación de riesgo en puntos distantes de vertedero (migración)

•Toxicidad : Asfixia por metano y CO2 (espacios cerrados)

• Malos olores

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

• Efecto invernadero : 21 veces superior al CO2

Extracción y valorización del biogás por combustión Combustible renovable (sustitución de combustibles fósiles)

Componente Residuos

agrícolas

Lodos

depuradora

Vertedero

Metano 50-80% 50-80 % 40-70%

Dióxido de carbono 30-50% 20-50 % 35-55 %

Agua Saturado Saturado Saturado

Hidrógeno 0-2% 0-5 % 0-1%

Sulfuro de hidrógeno 100-700 ppm 0-1 % 5-100 ppm

CARACTERÍSTICAS Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

COMPONENTES DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTIL IZADO

Sulfuro de hidrógeno 100-700 ppm 0-1 % 5-100 ppm

Nitrógeno 0-1% 0-3% 0-20%

Oxígeno 0-1 % 0-1% 0-5%

Otros (COVs, NH3…) Trazas Trazas Trazas

Tipo de residuoTipo de residuoTipo de residuoTipo de residuo Sólidos volátiles (%)Sólidos volátiles (%)Sólidos volátiles (%)Sólidos volátiles (%) Producción biogás (mProducción biogás (mProducción biogás (mProducción biogás (m3333/t)/t)/t)/t)

Purines de cerdo 3-5% 10-20

Fangos residuales 3-4 % 15-25FORSU separada en origen 20-30% 150-240

PRODUCCIÓN DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL SUSTRATO UTILI ZADO

PROCESO DE FORMACIÓN DEL BIOGÁS

Compuestos orgánicos complejos(Carbohidratos, lípidos,

proteínas)

Hidrólisis

Acidogénesis

Acetato

Acidos grasos volátiles

AcetogénesisCompuestos orgánicos simples

(Azúcares, aminoácidos ,

péptidos, ácidos grasos)

NH3, H2CO2

H2 + CO2

CH4 + CO2

Metanogénesis

30%

70%

Relación de nutrientes• C/N:20/1-30/1• N/P: 1/5-1/7

Temperatura :• Psicrofílica(<30ºC)• Mesofílica:30-45 ºC• Termofílica>40ºC

pH: 6,5-7,5Inhibidores :NH3, metales pesados,….

Fase inicial I: Aeróbica. Fase inmediata al vertido. Formación creciente de CO2. Predominael N2 y disminuye el O 2. Temperaturas:35-40ºC.

Fase de transición II: Aeróbica con desarrollo de condiciones anaeróbicas. Actú anlos organismos facultativos con producción de ácidos orgán icos. Reducciónsignificativa del pH (liberación de metales y generación de CO2). Se produce latransición a condiciones anaeróbicas, reduciéndose los su lfatos a H 2S y nitratos a N 2.

Fase ácida III: Anaeróbica. Se produce la formación de ácidos de fermentac ión y sealcanza la mayor concentración de CO 2.

Fase metanogénica IV: Registra la mayor producción de metano (40-60%).Se estimaque tiene una duración de 2 años.

FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS

Fase de maduración V: La materia orgánica apenas es biodegradable. Claradisminución en la producción de gases en el vertedero. Durac ión entre 10 y 30 años.

Duración:

Fases I y II: Semanas - 2 o más años

Fases III y IV: 4-7 años

Fase V: Décadas o más de un siglo

Condicionantes: Características del residuo, condiciones climáticas (tem peratura),operaciones de relleno (compactación y tamaño de las celdas ) y edad del relleno

Características del biogás variables en el tiempo

FASES DEL PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS

I = Fase inicial (O2↓) (CO2↑)II = Fase de Transición (CO2↑))III = Fase ácida ((CO2max)IV = Fase metanogénica (CH4↑)V = Fase de maduración (CH4↓)

Producción teórica de biogás

Producción real de biogás

Clausura del vertedero

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS

Etapa de funcionamiento Etapa de clausura

Potencial de biogás generado1 t de RSU ≈ 80-130 Nm3. (200 Nm3 max). Tasa de recuperación: 40-70%

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

CaHbOcNd+ (4a-b-2c+3d)/4 H2O→ (4a+b-2c-3d)/8 CH4+ (4a-b+2c+3d)/8 CO2+ d NH31 t de C biodegradable<> 1868 Nm 3 de biogás

Estequiometría del biogás potencial:

� Antigüedad del vertedero: Producción óptima: 3-5 años

� Cantidad de residuos depositada y composición

� Profundidad: 12-30 m

� Superficie:15-55 has

� Temperatura promedio anual: 15-35ºC

� Precipitación anual: 200-1000 mm

PARÁMETROS ASOCIADOS A LA GENERACIÓN DE BIOGÁS

Factores limitantes en la captura del biogás generado

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN VERTEDEROS CONTROLADOS

• Pérdidas de biogás a la atmósfera a través de la superficie o de la migraciónlatera l

• Pérdidas de pre-clausura (descomposición de material orgánico en condicionesaeróbicas)

• Descomposición anaeróbica incompleta de la capa próxima a la superficie porintrusión de aire debido a la extracción del biogás

• Otras pérdidas : Lavado de carbono orgánico a través de los lixiviados…...

Factores limitantes en la captura del biogás generado

Medidas directas y continuas en el sistema de captación del vertedero(mínimo 1 semana)

CONTROL DEL BIOGÁS: ESQUEMA BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO

1.- Pozos de captación 5.- Motogeneradores2.- Colector principal 6.- Subestación y línea eléctrica3.- Central de aspiración (soplantes) 7.- Balsa de lixiviados4.- Antorcha

POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS

D: 300-500 mmProfundidad:15-25 m

PEAD negro • DN 300• DN 180 L. principales

ELEMENTOSPozos, línea principal y secundariasSeparadores de condensados Central de aspiración (soplantes):

Presión aspiración: -100 mbarPresión de impulsión:+150 mbar

Estación de regulación y acondicionamientoConjunto de generación eléctricaAntorcha: 1000-3000 Nm3/h. T>1000 ºC

Profundidad:15-25 m

Barrena helicoidal

• DN 180 L. principales• DN 90 conexiónVálvulas manuales

POZOS DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS

• Elementos de captación y conducción

OTRAS CONSIDERACIONES DE LA CAPTACIÓN

Desgasificación pasiva venteo de los pozos a la atmósfera• Garantizar la ausencia de emisiones difusas y disminución de impactos• Peligro de realización simultánea de tareas de vertido y explotación de biogás

Pozo de captación con desgasificación pasiva

• Elementos de captación y conducción antes de la entrada en funcionamiento

• Implementación de elementos a medida que avance la explotación del vertedero

• Primeras fases, clausura y postclausura:No deben plantearse sistemas devalorización, sólo combustión en antorcha

CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN

Radio de influencia de los pozos: 25-30 mProfundidad: 15-25 m • Margen superficial: No desgasifica• Margen profundo: Presencia de lixiviados o suelo natural. Depresión de la soplante

CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN

Captación de biogás. Centro Ambiental Los Ruices (Málaga)

CONTROL DEL BIOGÁS: DISPOSICIÓN DE POZOS DE EXTRACCIÓN

Captación de biogás. Centro Ambiental de Valsequillo (Antequera)

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS

• Directiva 2001/77/CE: El biogás es una fuente de energía renovable para la generación de electricidad

• Directiva 2003/30/CE: El biogás es un biocarburante para su uso en el transporte

Generación de energía eléctrica

VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DEL BIOGÁS

Generación de energía eléctrica• En motogeneradores (opción mayoritaria)• En turbinas de biogás (microturbinas)

Depuración y utilización directa como combustible• Combustible en calderas de biogás• Inyección a la red de gas natural (biometano)• Combustible en hornos industriales• Combustible para automoción• Combustible en pilas de combustible (CH4→H2)

EQUIVALENCIA ENERGÉTICA DEL BIOGÁS RESPECTO DE OTRAS FUENTES DE ENERGÍA. Fuente: CIEMAT

0,7 L de fuelóleo1 m3 de biogás

(70%CH4+30%CO2)

1,2 L de alcoholcombustible 0,8 L de gasolina

1,5 kg de madera0,7 L de fuelóleo (70%CH4+30%CO2)6.000 kcal

0,7 m3 de gas natural

6,8 kWh

1,5 kg de madera

0,3 kg de carbón

PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS

Sustancia Efectos

H2S CorrosiónToxicidad

Agua Formación de condensadosFormación de soluciones ácidas

CO2 Reducción del poder calorífico

NH3 Formación de óxidos de nitrógeno

SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN EL BIOGÁS Y SUS EFECTOS

Analizador portátil de biogás

NH3 Formación de óxidos de nitrógeno

Partículas Obturaciones

Siloxanos Detonación y abrasión del motor de combustión

Aprovechamiento del biogás en función de su grado d e depuración

Biogás

CombustiónProducción de electricidadIntegración en la red de gas naturalCombustible para vehículosCombustible para pilas de combustible

−−−−

+

de biogás

VALORES LÍMITE DEL BIOGÁS RECOMENDADOS EN MOTORES

Parámetro Valor límite Observaciones

PCI (kcal/Nm3) 4.075-5.500 Disminuir CO2

Humedad <80% Separador de condensados

Tª rocío gas húmedo >15ºC Calefacción del biogás

Oxígeno <1% Corregir entrada de aire

Hidrógeno <12%

PRETRATAMIENTOS DEL BIOGÁS

Hidrógeno <12%

C4+ HC superiores <2%

H2S <800 ppm Adsorción en sales férricas

Silicio y siloxanos <4 mg/Nm3 Filtración por carbón activo

NH3 <33 ppm

Partículas (1-5 µ) <5 mg/Nm3 Filtración

Tecnología en desarrolloBiofiltros : Filtro percolador con bacterias y oxígenoH2S: (Genus thiobacillus). Eficiencias de eliminación>95%

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTORES

Motores de combustión interna•Gasolina (ciclo Otto) : Motores de encendido provocado (MEP)•Gasóleo (Diesel): Motores de encendido por compresión (MEC)

Propiedades del biogás como combustible

•Octanaje 100-110 ⇒ motores de alta relación volumétrica de compresión, •Baja velocidad de encendido •Poco lubricante y detonante•Alto contenido en humedad •Bajo poder calorífico inferior (PCI) :

Modificaciones de motores Motores MEP : •Carburador sustituido por cámara de mezcla aire/gas enriquecida •Arranque del motor con nafta y funcionamiento posterior con 100 % biogás

Motores MEC : •Alta resistencia del metano a la autoignición ⇒ temperatura y presión insuficientes. •Inyección de fuel (5-20%) para detonar la mezcla aire-gas comprimida •Uso general de un sistema mixto de biogás y diesel con paso regulado de uno a otro.

Motor MEC

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES

MOTOR ACOPLADO A GENERADOR ELÉCTRICOMotor de combustión interna y ciclo Otto•Rendimiento eléctrico: 35 –38 %••Rendimiento eléctrico + térmico: 45 –80 %

Ventajas• Gran gama comercial de equipos. • Instalaciones modulares y transportables• Facilidad de vertido de energía a la red eléctrica• Facilidad de vertido de energía a la red eléctrica• Posibilidad de aprovechamiento térmico

Gases de escape a 500ºCAgua caliente a 90ºC

Inconvenientes• Biogás > 40 % de CH4• Muy crítico con la presencia de elementos corrosivos (pretratamientos)• Alto grado de mantenimiento

Motor de combustión interna de 6 cilindros en línea

Generador de tipo sincrono de 60 kW. Velocidad: 1500-1800 rpm

Potencia: 750-1050 kWe/unidad

Biogás: Concentraciones promedio 60%

Consumos de biogás: 250-500 Nm3/h

Umbral de aprovechamiento del motogenerador:

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES

ELEMENTOS AUXILIARES

Generador sincrono/dm6000h/d24·/hm250trabajodeh24 33 N=⇒

Sistema de refrigeración del motor• Circuito de alta temperatura para refrigerar bloque y camisas • Circuito de baja temperatura para refrigerar aceite e intercooler.

Sistema de evacuación de gases de combustión con silencioso de escape Chimenea vertical de evacuación exterior de gases de escape

ELEMENTOS AUXILIARES

Transformación de la energía eléctrica de baja tensión a media tensión (20-30 kV)Interna:(20%): Alimentación eléctrica de las instalaciones del centro Externa (80%) El excedente es entregado a la red general de distribución.

EMPLEO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA PRODUCIDA

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES

Motogeneradores del Centro Ambiental de Valsequillo (Antequera)

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MOTOGENERADORES

España 2011 : •40 vertederos con plantas degeneración de energía eléctrica•100 MW de potencia instalada

Antorcha y motogeneradores del CAM Los Ruices (Málaga)

•Interruptor principal •Lámpara de señalización

(alarma general) • Interruptor marcha/paro

(soplante y antorcha)•Autómata de ignición •Panel de servicio•Regulación automática de temperatura de combustión

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN. CONTROL

CUADRO DE MANDO

• Funcionamiento completamente automático o manual de la instalación• Medida de los componentes más representativos del biogás (CH4, O2, CO2 y H2S) y

de sus condiciones físicas: presión, temperatura y caudal• Mantiene las condiciones de funcionamiento (cantidad y composición del biogás)• Controla el accionamiento de los elementos que regulan el flujo de gas • Controla el funcionamiento de elementos auxiliares y sistemas de protección

temperatura de combustión•Desconexión por sobrecalentamiento del quemador

SALA DE CONTROL CENTRAL

Turbina de gas de tamaño muy reducido.Menores exigencias en el contenido en H2S y concentración de CH4 <35%Mantenimiento más reducido que en motogeneradoresPotencia eléctrica con biogás:30 a 75 kW.Rendimiento eléctrico 15-30 %Vertederos pequeños y vertederos al principio y final de su vida útil

Funcionamiento• Aire aspirado y comprimido hasta la cámara de combustión. • Inyección del biogás en la cámara• Expansión de gases calientes en la microturbina

TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN: MICROTURBINAS

Vertedero de Lopez Canyon, California, 50 microturbinasde de 30 kW

COSTES DE PUESTA EN MARCHA. Ente Vasco de la Energía (EVE)

Datos constructivos :Plazos:• Periodo de Construcción (meses): 12• Vida útil (años): 25

Requisitos Emplazamiento• Conexión a la red eléctrica• Superficie requerida (m2): 1.500

Datos económicos: Inversión

Planta de 2 x 650 kWe: 1.450 €/kW

Gastos de mantenimiento: 12 €/MWh

Seguros y otros: 30.000 €/año

VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

• Superficie requerida (m2): 1.500 Seguros y otros: 30.000 €/año

DISTRIBUCIÓN DE LA INVERSIÓN

Ingeniería, dirección de obras y otros 7%

Edificio de instalaciones 12%

Central de extracción de biogás 32%

Equipos de generación eléctrica 32%

Acometida a red eléctrica 17%

RD 661/2007: Producción de energía eléctrica en Rég imen EspecialGrupo b.7, subgrupo b.7.1:”Instalaciones con combustible principal el biogás de vertederos”.

Tratamiento económico de la producción ,Sujeta a las tarifas correspondientes al subgrupo a.1.3: Tarifas, y primas para instalaciones

de la categoría a): cogeneración u otras a partir de energías residuales.Los primeros 15 años

• Tarifa regulada : 7,9920 c€/kWh• Prima de referencia: 3,7784 c€/kWh

A partir de entonces

PRODUCCIÓN Y VENTA DE ELECTRICIDAD

VALORIZACIÓN DEL BIOGÁS. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

A partir de entonces• Tarifa regulada : 6,5100 c€/kWh• Prima de referencia: 0,0000

Actualización de tarifas desde RD 661/2007: Orden IE T/3586/2011Los primeros 15 años:

• Tarifa regulada : 9,1341 c€/kWh• Prima de referencia: 5,0249 c€/kWh

A partir de entonces• Tarifa regulada : 7,4403 c€/kWh• Prima de referencia: 0,0000 c€/kWh

GRACIAS POR SU ATENCIÓNGRACIAS POR SU ATENCIÓN