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El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano usando
Tecnología de Microalgas
Raúl Muñoz (mutora @iq.uva.es)Instituto de Procesos Sostenibles
Valladolid University
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The biogas upgrading market
(IEA Bioenergy 2018)
Today….
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Physical/Chemical CO2 removal Technologies
(Bauer et al. 2013)
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Physical/Chemical CO2 removal Technologies
0.4-0.51 kWh Nm-3
0.55 kWh Nm-3
(Bauer et al. 2013)
Energy demand: 3-12 % energy content of Biogas
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Technology Niche
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Photosynthetic Biogas Upgrading
Microalgae recycling
Upgraded biogas
Raw biogas
Nutrient solution HRAP Sedimentation
tank
Ab
sorp
tio
n
colu
mn
▪ Photosynthetic fixation of CO2 as algalbiomass→ Valorization
CO2 + H2O + Light→ O2 + microalgae
▪ Free nutrient source: Digestate
▪ Simultaneous removal of H2S
▪ [CH4] > 95 %
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Photosynthetic Biogas Upgrading
CH4 > 95 %, CO2 < 1 %, N2 < 3%, O2< 0.5 %
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Photosynthetic Biogas Upgrading
Microalgae recycling
Upgraded biogas
Raw biogas
Nutrient solution HRAP Sedimentation
tank
Ab
sorp
tio
n
colu
mn
LG
Key operational parameter: Recycling Liquid/Biogas ratio
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Photosynthetic Biogas Upgrading
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Photosynthetic Biogas Upgrading
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Photosynthetic Biogas Upgrading
LG
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Photosynthetic Biogas Upgrading
CO2 content (%) in the upgraded biogas with the control system(green) and without control system (blue) under biogas flow rateperturbation (red)
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Photosynthetic Biogas Upgrading
Microalgae recycling
Upgraded biogas
Raw biogas
Nutrient solution HRAP Sedimentation
tank
Ab
sorp
tio
n
colu
mn
▪ The high pH value→ High H2S masstransfer
▪ RE-H2S > 99 %
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N = 600-4000 mg/LP = 100-500 mg/L
[Microalgae]=7-50 g/L
Digestate
Low PhotosyntheticEfficiency↓↓
Photosynthetic Biogas Upgrading & Nutrient Recovery
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Photosynthetic Biogas Upgrading & Nutrient Recovery
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Removal Recovery as Algal Biomass
Biomass productivity (g m-2 d-1)Biomass productivity (g m-2 d-1)
Tota
l Nit
roge
nR
emo
val(
%)
Tota
l Ph
osp
ho
rou
sR
emo
val(
%)
Photosynthetic Biogas Upgrading & Nutrient Recovery
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Technology Scale-up
120 L
180 L
32 m2
Wastewater Treatment Plants
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Preliminary Sustainability Analysis
REFERENCE FLOW RATE: 300 Nm3/h
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Preliminary Sustainability Analysis
Activated Carbon + Water Scrubber Photosynthetic Biogas UpgradingVersus
Table S1. Investment costs of a ACF-WS for the upgrading of 300 Nm3 h-1 of biogas
Cost Units Total cost (€) References
Land 100 € m-2 10 000 INE, 2015
Activated
carbon filter 129 € (Nm3/h)-1
treated biogas 38 766 Xiao et al. (2008)
Water scrubber 3500 € (Nm3/h)-1treated biogas 1 050 000
SGC Rapport
2013:270
Table S2. Investment costs of the HRAP-AC for the upgrading of 300 Nm3 h-1 of biogas Cost Units Total costs (€) References
Land 10 127 € ha-1 188 712 MAGRAMA, 2014
HRAP
construction 26 616 € ha-1 356 382
Craggs et al., 2012;
Lundiquist et al., 2010
Paddlewheel
stations 35 400 € ha-1 474 006 Craggs et al., 2012;
Screw press 86 000 € unit-1 86 000 HUBER Technology,
Germany
Solar dryer 325 000 € unit-1 650 000 HUBER Technology,
Germany
AC 3 980 € unit-1 51 745 Delf Grupo España S.L.
Gas diffusers 250 € (10 units)-1 3 250 Xylem Inc.
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Preliminary Sustainability Analysis
HRAP-AC ACF-WS0.0
0.2
0.4
100
200
300
400
500
600
700
b)
HRAP-AC ACF-WS0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
En
ergy
(KW
-h (
Nm
3)-1
treate
d b
iogas)
La
nd
(m2 (
Nm
3/h
)-1
treate
d b
iogas)
a)
HRAP-AC ACF-WS0.0
0.2
0.4
100
200
300
400
500
600
700
b)
HRAP-AC ACF-WS0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
En
ergy
(KW
-h (
Nm
3)-1
treate
d b
iogas)
La
nd
(m2 (
Nm
3/h
)-1
treate
d b
iogas)
a)
Land Requirements Energy Consumption
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Preliminary Sustainability AnalysisHRAP-AC ACF-WS
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
a)
b)
I
nv
estm
ent
cost
(€ (
Nm
3/h
)-1
trea
ted
bio
ga
s)
HRAP-AC ACF-WS0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
O
per
ati
ng
co
sts
(€ (
Nm
3)-1
trea
ted
bio
ga
s)
Investment costs associated to theproduction of dry algal fertilizer
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Take home Message
Biogas Upgrading market dominated by physical/chemicalTechnologies→ High Operating Cost & Environmental Impact
✓ Algal-Bacterial Processes have shown a similar CO2 and H2Sremovals & high robustness but at:
▪ Lower operating costs and environmental impacts▪ No need for previous removal of particles/H2O/siloxanes▪ Tested at pilot scale▪ Use of residual nutrients from digestate
✓ Photosynthetic upgrading allows for a simultaneous H2S & CO2
removal and Nutrient Recovery from Digestates as algal-biofertilizer
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University of Valladolid
Institute of Sustainable Processes
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http://www.ips.uva.es/
Muñoz R*, Meier L., Diaz I, Jeison D (2015) A critical review on the state-of-the-art ofphysical/chemical and biological technologies for an integral biogas upgrading. Reviews inEnvironmental Science and Bio/Technology