Aprovechamiento energético del biogás y tecnologías de obtención de biometano “upgrading”

M. Piedad Martínez

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Biometano: gas natural renovable

Ventajas

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Gas producido a partir de materia orgánica (residuos agrícolas, industriales, urbanos, etc)

Gas verde generado a partir de recursos renovables

Características similares al gas natural

Valorización energética de la biomasa

Reducción dependencia energética exterior

Desarrollo economía local

Cumplimiento objetivos UE

Utilización infraestructuras existentes

Vector energético de calidad

Almacenamiento excedentes energías renovables

Definición

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Líneas tecnológicas tradicionales de transformación de biogás en energía

Biogas

R. Agroganaderos, fracción biodegradable RSU, et c

R. Agroganaderos, fracción biodegradable RSU, et c

Digestión AnaerobiaDigestión Anaerobia

Combustión directa

Combustión directa MotoresMotores

BiometanoCaldera de

gasCaldera de

gas

Ciclo combinado existente

Ciclo combinado existente

Estación GNV

Estación GNV

RED

Vector energético calidad Flexible Sostenible Se transporta a los puntos de consumo

en infraestructuras existentes

Nuevas líneas tecnológicas: Transformación de biogas a Biometano

PCI, MJ/Nm3

Biogás (50-60% CH4): 17,7-21,3 Biometano (95% CH4): 33,6

Biogás

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Cadena de biomasa a biometano

CADENA DEBIOMASA ABIOMETANO

Reducción de las emisiones

Amento recursos renovables

- 20%+20%20% Mejora en la eficiencia energética.

Contexto:Objetivos UE2020

Hoja ruta UE. 2050

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Bio-SNG:: Synthetic natural gas orsubstitute natural gas

BiometanoUpgradingDigestión Anaerobía

Biogás

Gasificación Biometano(Bio-SNG)

Metanación, upgrading

Biosyngas

CO2Residuos ganaderos,

domésticos…o

Biomasa lignocelulósica

(madera)

Gas renovable inyectadoa la red de gas natural

Uso directo enproducción energética

Uso directo enindustria/estaciones de servicio

Biometano(Bio-SNG)Metanación

H2

Energía Renovable no gestionable

Power to Gas

Tecnologías: biometano 1G y 2G

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Potencial

Año 2013

Producción en UE: 156.000 GWh . 10,2 % más que 2012

Producción en España: 3.000 GWh. Puesto N.7 en UE

Año 2020. Potencial disponible en España. 20.000 GWh :

Biogás

Potencial de biogas disponible  en  Españaktep/año

FORSU+VERT.+EDAR GANADERIA RESTO AGROINDUSTRIAL‐ (no ganadería)

Fuente:Situación y potencial de generación de Biogas. IDAE

Fuentes:EuroObserver

Biometano 1G: biometano de digestión anaerobia

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Biometano 1G: Upgrading biogás

Distintas tecnologías disponibles:Lavado con agua (PWS), Absorción química, Membranas, Pressure Swing Adsorption (PSA), ….

Upgrading: Proceso de eliminación del CO2 y contaminantes (H2S, siloxanos…)presentes en el biogás

UPGRADINGSeparación

CH4 50-60 %CO2: 40-50%H2S: hasta 4000 ppmSiloxanos 0-20 mg/m3

Otros: Nitrógeno, oxígeno, amonio, etc

Inyección a Red de Gas

Natural

Biometano

CH4 ≥ 95% CO2 ≤ 2 %H2S + COS ≤ 15 mg/m3Siloxanos ≤ 10 mg/m3Resto parámetros según normativa

TECNOLOGIAS ABSORCION FISICA ABSORCION QUIMICA LAVADO CON AGUA (PWS) MEMBRANAS PRESSURE SWING ASORPTION (PSA) CRIOGÉNICA

CO2

BiogásDigestión anaerobia

Más de 350 plantas en Europa.

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Tecnología upgrading: PWS

CH4 > 95% Aire+CO2

Desabsorción de CO2 del agua

Variación de la solubilidad del CO2 en H2O con la temperatura

Fuente: SGC

Relleno

Fuente: SGC. Malmberg Water

Absorción de CO2

CO2 disuelto en H2O

Lavado con agua (PWS)

Principio de separación: Diferente solubilidad del CO2 y CH4 en el agua La solubilidad del CO2 en el agua aumenta al bajar la temperatura y al

elevar la presión. El lavado separa SH2 presente en el biogás El O2 y N2 se mantienen fundamentalmente en la corriente de biogás

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Tecnología upgrading: Membranas

Membranas

Principio de separación: Circulación del biogás a presión a través de membranasde polímeros, más permeables al CO2 que al CH4.

El N2 se mantiene fundamentalmente en la corriente de biogás, el O2 se reduceparcialmente

Mayor consumo eléctrico

Carbón activo

CH4 > 95%

CO2

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Tecnología upgrading: Absorción Química

Principio de separación: absorción química del CO2 en la disolución de amina (MEA,MDEA, DEA..)

El O2 y N2 se mantienen fundamentalmente en la corriente de biogás Mayor consumo térmico, necesario en la regeneración Posibilidad de aprovechamiento del excedente de calor en usos industriales

Desabsorción

CO2CH4 > 95%

Amina .H2O+ CO2 Amina-H+ + HCO3- + calor

Absorción química CO2en Amina

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Tecnología upgrading: PSA

PSA

Principio de separación: Circulación del biogás a presión través de depósitos de carbónmolecular, donde se adsorbe el CO2. Se lleva a cabo a presión.

El O2 y N2 se adsorben parcialmente Una vez saturado, el carbón molecular se regenera (despresurización y desadsorción del

CO2). El proceso se lleva a cabo mediante ciclos de entorno 1-2 min. Mayor consumo eléctrico

Carbón activo

CH4 > 95%

CO2

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Biometano 1G: Upgrading biogás

PSA Lavado con agua (PWS)

Absorción química(aminas)

Membrana (2-3 etapas)

Demanda de electricidad (kWh/Nm³BG) (1) 0,16-0,3 0,2-0,3 0,06-0,17 0,2-0,35

Demanda de calor (kWh/Nm³BG)No No 0,4-0,8 No

Pérdidas de CH4 % 1-2 ~1 ~0,1 0,5-1

Presión de operación, bar 1-10 4-10 0,05-4 7-20

Temperatura operación, ºC - - 106-160 -

Separación de N2 y O2 Parcialmente No No Parcialmente (O2)

Necesidad de H20 No Sí Sí No

Separación de H2S Externo Si Externo Externo

La disponibilidad de todas las tecnologías es del 95-98%Alcanzan concentraciones de CH4 en el gas de salida del 96-98%

Comparación general de tecnologías

Fuentes SGC; AIE, Fraunhofer IWES,Otros

(1) Presión salida gas > 4 barg

En evolución : - Optimización según diferentes fuentes de biogas y uso final- Reducción de costes de inversión y de O&M, principalmente en plantas

de pequeño tamaño- Integración con otros procesos- Mejora de propiedades de materiales. Prestaciones

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Biometano 1G: Upgrading biogás

Instalación PSA. 500 m3/h biogás. Carbotech

Instalación Absorción con aminas. Purac

Instalación membranas. 500 m3/h biogás. Bilfinger

Instalación PWS. Okobit. 300 m3/h biogas

Instalaciones

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Licuefacción del Biometano

Limitaciones licuefacción BiometanoLimitación de compuestos a la entrada unidad de licuefacciónAgua ppm 0,5H2S ppm 3,5 CO2 ppm 50-125Temperaturas de Condensación (ºC)CH4 ºC -161CO2 ºC -78.5N2 ºC -196

Licuefacción del biometano: mediante enfriamiento hasta temperaturas inferiores a -150ºC (mediante ciclos de N2 o similar)

A temperaturas tan bajas la solubilidad de algunos compuestos en el biometano es muy baja, por lo que su concentración debe ser reducida previamente a niveles inferiores a los requeridos para inyección a red.

Ventajas del LBG

Mayor eficiencia en el transporte y mayor alcance geográfico

Nuevos mercados: Camiones, barcos

Planta de Lidköping (Suecia) Características planta de Lidköping

Sistema Ciclo Brayton inverso con Nitrógeno

Demanda eléctrica máx 1.12 kWh/Nm3 CH4

Capacidad 765 Nm3/h

Presión/Temperatura LBG 1.5 bar(a) / -163ºC

Presión almacenamiento 4-5 bar(a)

Calidad LBG Según legislación Sueca (Gas vehicular)

Inversión (2012) 83.6 MSEK (9,4M€*) (Incluye sistema intermedio de pulido)

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Biometano 1G: Upgrading biogás

Más de 350 plantas en operación en EuropaImportante aumento del grado de implantación a partir de 2008.

El país con mayor grado de implantación es Alemania, seguido de Suecia y EEUU

Las plantas utilizan biogás de diferentes fuentes y para distintas aplicaciones: inyección a red, vehicular..

Evolución implantación instalaciones upgrading

Fuente. IEA Bioenergy.

Austria; 14 Dinamarca; 6

Finlandia; 9

Francia; 8

Alemania; 178

Hungría; 2Italia; 5Luxemburgo; 3

Holanda; 21

España; 1

Suecia; 59

Suiza; 24

UK; 37

USA; 50

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Biometano 1G: Upgrading biogás

367 instalaciones en Europa en 2014 con una capacidad total de upgrading de 199,204 Nm3/h debiogas. Fuente: EBA. Biogas&Biomethane Report 2015

Evolución

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Biometano 1G: Upgrading biogás

Los costes de upgrading varían entre 15-20 Eur/MWh biometano, en plantas de~ 500 -1000 Nm3/h biogas tratado

Los costes de inyección, varían en función de presión de inyección, y distancia. Valores habituales en red de distribución, oscilan entre 2-3 Eur/MWh biometano

Fuente: AIE. Biomethane. Status and Factors Affecting Market Development and Trade. 2014

Costes de producción

Fuente: SGC

Elevados costes específicos de inversión en tamaños inferiores a 500-700 Nm3/h

Costes de producción de biometano, desglosados por componentes

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Integración Upgrading +P2G

Metanación

Biogás:CH4: 55- 60%CO2: 40-45%

CO2

CH4

Gas NaturalSintético

Upgrading

Electrolizadores

H2

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O ∆HR = -165 kJ/mol

Equilibrio entre oferta y demanda electricidad

Integración de energías renovables en la red

Es una forma de almacenar excedente de electricidad producida de fuentes renovables

En fase de demostración

Rendimiento P2G~ 56 % aprox.

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Integración Upgrading +P2G

Ejemplo: AUDI PLANT. Welte, Emsland

Primera planta piloto de demostración.

Inyecta el biometano a la red. Año de .p.e.m: 2013

Utiliza el CO2 procedente del biogas generado en la digestión anaerobia de residuos agro-ganaderos

Capacidad:3x2 MW de electrolizadores. 330 Nm3/h de BioSNG aprox.

AUDI-PLANTFuente: CO2 Utilization Summit. AUDI presentation Bremen 2014

Normativa: calidad de biometano

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Normativa. Calidad del biometano

Legislación Española: Resolución de 21 de diciembre de 2012, de la Dirección General de Política Energética y Minas, por la que se modifica el protocolo de detalle PD-01 «Medición, Calidad y Odorización de Gas» de las normas de gestión técnica del sistema gasistaEstablece las especificaciones parámetros de calidad del gas en los puntos de entrada del Sistema Gasista:

Actualmente está en proceso de aprobación la norma Europea donde figuran las especificaciones que debe cumplir el biometano para poder ser inyectado en la red de gas natural (prEN 16723-1) y/o usado como combustible para vehículos (prEN 16723-2)

Esta presentación es propiedad de Gas Natural Fenosa. Tanto su contenido temático como diseño gráfico es para uso exclusivo de su personal.

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Muchas gracias