Bioenergia de residus i subproductes orgànics biodegradables

Xavier Flotats

Índex� Processos i productes

� La digestió anaeròbia i producció de biogàs

� Potencials energètics genèrics

� Avantatges

� Les tecnologies

� Els recursos a Catalunya

� Costos de producció

� Models de gestió. Biorefineries?

� Preguntes

� Innovacions?

� Potencials?

� Acceptació per la població?

� A qui beneficia i perjudica?

� Obstacles?

Processos i productes

Procés Productes Ús energètic Matèria primera

Digestió anaeròbia (DA)

Biogàs:CH4 (55-70%), CO2 (30-45%), traces de H2S

CalorElectricitatCarburant

Residus i subproductes orgànics biodegradables(dejeccions ramaderes, fracció orgànica de residus municipals, fangs residuals, res. orgànics industrials, cultius energètics, aigües residuals alta càrrega)

DA + depuració biogàs

Biometà (CH4) Injecció xarxa gas nat.Carburant

- Bio fotolisis - Fermentació fosca

Biohidrogen (H2) CarburantProducció de CH4

Aigua-alguesSucresProducte intermedi de la DA

Transeste-rificació

Biodiesel Carburant Olis, greixos, cultius oleaginoses

Fermentació alcohòlica

Bioetanol Carburant Sucres, materials cel·lulòsics, ligno-cel·lulòsics

Fases de la digestió anaeròbia

� 1 kg de DQO biodegradable es transforma en 0,35 Nm3 de CH4

� Innovacions: � Pretractaments per millorar la desintegració i hidròlisi; � Nous reactors i operacions per evitar inhibició per lípids i AGCL;� Nous desenvolupaments per evitar inhibició per NH3

Potencials de producció de biogàs

Tipus Sòlids

Volàtils (%)

Producció de biogàs (m3/tona)

Residus escorxador (Intestins+continguts)

15-20 50-70

Fangs de flotació 13-18 90-130

Terres filtrants d’olis, amb bentonita 40-45 350-450

Olis de peix 80-85 350-600

Xerigot 7-10 40-55

Xerigot concentrat 18-22 100-130

Farines de carn 70-75 300-350

Melmelades 50 300

Oli soja/margarines 90 800-1000

Residus de begudes alcohòliques 40 240

Fangs de depuradores 3-4 17-22

Fracció orgànica de residus municipals 20-40 100-250

Purins de porc 2-6 10-20

Fems de bestiar boví 7-10 20-30

Ensitjat de Blat de moro 130 – 220 m3/tona

Avantatges del procés

� Eliminació/reducció de males olors

� Eliminació de llavors de males herbes i larves i ous d’insectes

� Reducció de la mida de partícula i viscositat. Major infiltració en aplicació al sòl i reducció emissions de NH3

� Estabilització de la matèria orgànica (MO). Reducció significativa de la MO fàcilment biodegradable

� Reducció significativa d’emissions de gasos d’efecte hivernacle

� La DA facilita l’operació de processos de recuperació de nutrients

� Producció d’energia renovable

Producció de sulfat amònic per stripping/absorcióDe purins frescos De purins digerits

Bonmatí i Flotats (2003). Waste Management 23, 261-272.

Poeschl et al. (2010). Renewable and Sustainable Energy Reviews 14: 1782–1797

L’efecte sobre els gasos d’efecte hivernacle.Exemple: Potencial de producció de CH4 de purins

� La reducció del potencial de producció de biogàs després d’uns mesos de magatzem és degut a emissió natural de CH4 a l’atmosfera (efecte hivernacle 25 vegades superior al CO2). També és així durant el magatzem de molts altres subproductes orgànics.

� També hi ha emissions d’amoníac a l’atmosfera i d’altres compostos volàtils.

� La gran innovació és no perdre aquest potencial, d’energia i de nitrogen, amb avantatges sanitaris i de producció animal. Canvis en el disseny de granges.

96,1

347,5

67,7

557,5

0

100

200

300

400

500

600

purines frescos purines envejecidos bajo slat

L m

etan

o/kg

SV

Potencial de producción máxima, condiciones normales

Potencial máximo si pre-tratamiento térmico 80ºC, 3h

Amb 3,4% SV:

18,1 m3 biogàs/m3

29,1 m3 biogàs/m3

5,0 m3 biogàs/m3

3,5 m3 biogàs/m3

Font: Bonmatí, A., Flotats, X., Mateu. L., Campos, E. (2001). Water Science and Technology, 44(4), 109-116.

La importància de la recuperació de nutrients

� Fertilitzants nitrogenats. Producció mitjançant Fertilitzants nitrogenats. Producció mitjançant Fertilitzants nitrogenats. Producció mitjançant Fertilitzants nitrogenats. Producció mitjançant el procés Haberel procés Haberel procés Haberel procés Haber----Bosch: Bosch: Bosch: Bosch:

NNNN2222 + H+ H+ H+ H2222 ���� 2NH2NH2NH2NH3333

40404040----45 MJ/kg NH45 MJ/kg NH45 MJ/kg NH45 MJ/kg NH3333 ���� Làmpada de 60W @ 208 h Làmpada de 60W @ 208 h Làmpada de 60W @ 208 h Làmpada de 60W @ 208 h

Cost dels fertilitzants nitrogenats molt lligat al cost de Cost dels fertilitzants nitrogenats molt lligat al cost de Cost dels fertilitzants nitrogenats molt lligat al cost de Cost dels fertilitzants nitrogenats molt lligat al cost de l’energial’energial’energial’energia

� Fòsfor: Reserves mundials limitades, i molt localitzades (¿problema geo-estratègic en futur proper?)

http://ing.dk/artikel/89792-overset-fosfor-mangel-truer-fremtidens-foedevareproduktion

Mescla completa

Capacitat relativa: 1

Reactor contacto

Capacitat relativa: 5

Biomassa retinguda

Capacitat relativa: 25

Llit expandit

Capacitat relativa: 75

Càrregues fins 3,5 kg DQO/m 3·día

Càrregues fins 15-40 kg DQO/m 3·día

Afluente Efluente

Biogás

Des

gasi

ficad

or

Decantador

Biogás

Afluente

Efluente

Lecho delodos

Biogás

Afluente

Efluente

Relleno

Biogás

Afluente

Efluente

Capacitat relativa: 10

Lech

o ex

pand

ido

Biogás

Afluente

Efluente

Les tecnologies de digestió anaeròbia

Biogás

Afluente

Efluente

Flux pistó

Capacitat relativa: 2-3

UASB

Instal·lacions de producció de biogàs

Biogas a Europa

Distribució de la producció estimada d’energia primària de biogàs (ktep) a Europa el 2011, per a les tres fonts: dipòsits, fangs i altres (residus, codigestió, cultius)

Alemanya lidera també la pràctica d’injecció de biometà a la xarxa de gas natural, amb 130 instal·lacions, amb una capacitat de 70.000 Nm3/h(equivalent a 154 GWhe)

Referència

Flotats i Casañé (2001)

Flotats (2007)

Pascual et al. (2011)

Vilamajó i Flotats (2011)

Àmbit d’estudi Catalunya

DGE-GC Espanya

IDAE Espanya

IDAE Catalunya PFC-UPC

Disponible 361,9 263,5 243,1 Dejeccions ramaderes Accessible 141,8 197,6 201,8

Disponible 94,5 190,2 270,0 Residus municipals Accessible 68,2 154,0 42,0

Disponible 26,2 34,9 34,9 Fangs de depuració Accessible 20,7 26,2 26,2

Disponible 17,2 43,7 50,4 118,1 Residus orgànics Ind. Accessible 43,7 28,3 24,6 Potencial disponible 499,7 532,3 598,4 Potencial accessible 230,7 421,5 298,3 Horitzó de realització (any) 2010 2030 2020 -

Els recursos i potencial a Catalunya

Estudis sobre prospectiva de la producció de biogàs a Catalunya. Estimació del potencial energètic dels recursos i de la seva realització (ktep) en l’horitzó de l’any que s’indica.

L’evolució de la producció a Catalunya

0

10

20

30

40

50

1990 1995 2000 2005 2010Any

Pro

ducc

ió d

e bi

ogàs

(kte

p/an

y)

Font: ICAEN (2013)

Potencial prod. energia (TEP/any) per dig. ana.

Total

5000 - 10000

10001 - 15000

15001 - 20000

20001 - 25000

> 25000

< 5000

Potencial prod. energia (TEP/any)

per dig. ana. Total

1001 - 2000

2001 - 3000

3001 - 4000

4001 - 5000

> 5000

0

1 - 1000

Distribució comarcal i municipal del potencial estimat de producció de biogàs a Catalunya (Flotats i Casañé, 2001)

Els recursos i potencial a Catalunya

Revisió per residus industrials orgànics (2011)

Potencial disponibleCatalunya:118.069 tep/any

33,2% d’incertesa

Potencial accessibleCatalunya:24.600 tep/any

32,4% d’incertesa

Vilamajó, C., Flotats, X. (2011). Avaluació energètica de residus industrials biodegradables a Catalunya. TECA (Revista de Tecnologia i Ciència dels Aliments), 13(2), 3-10. DOI: http://dx.doi.org/10.2436/20.2005.01.53.

Amb els residus industrials orgànics accessibles i el seus potencials energètics, tan sols el 10% dels purins de porc poden codigerir-se en condicions rendibles segons el RD 661/2007. Després d’aquest RD, molt menys. CAL ANAR ALS CULTIUS ENERGÈTICS?

Inversió en plantes de biogàs. Economia d’escala

Font: Flotats i Sarquella (2008). Producció de biogàs per codigestió anaeròbia (www.icaen.net)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Potència elèctrica (kW)

In

ve

rsió

(€

/k

We

)

Font:

Variació de la inversió a Alemanya: el efecte de la demanda?

� Amb el RD 661/2007: rendibilitat econòmica si produccions > 30-35 m3

biogàs/tona.

� A preus de mercat: rendibilitat econòmica si produccions > 50 m3

biogàs/tona

� Alternativa: plantes centralitzades? ... Però augment dels costos de gestió i de rebuig de la població?

La mida òptima d’una planta centralitzada depèn de factors locals

� Baixa densitat i intensitat de granges i productors de subproductes orgànics en una zona geogràfica (cal recòrrer llargues distàncies )

• Cost de transport puja � mida òptima de planta baixa

� Alta densitat i intensitat de granges i altres productors a la zona• Cost de transport baixa � mida òptima puja(però dificultats de localització de la planta – necessari posicionament de la administració)

� Subvencions i “feed-in-tariff “ per la producció de biogàs� costos nets d’operació baixen � mida òptima de la planta baixa

€/ton

Tones/any

Planta centralitzada

Costos totals de gestió i tractament

Cost mig de transport

Costos operacionals i financers

Planifiquem o improvisem?

14 anys després, hi ha 6 plantes centralitzades de tractament de purins amb cogeneració prop del final de la seva vida útil, i sense alternativa planificada. El Pla d’Energia de Catalunya de 2001 contemplava la necessitat que totes incorporessin la producció de biogàs; 3 de 6 ho fan.

Plantes centralitzades:Plantes de biogàs o biorefineries?

� Els residus i subproductes orgànics són molt més que un recurs energètic

� Són font de nutrients (N, P, K) i micro-nutrients� Són matèria primera per la producció de nous productes (creixement

de microorganismes, producció de biopolímers, ….)� Una planta de tractament de residus i subproductes ha de fer més

que tractar:• Ha de processar per obtenir productes de qualitat amb valor en el mercat• Ha de produir energia en la forma per adequada (injecció a la xarxa de gas natural, per ser

consumida allí on sigui més eficient)• Ha de donar servei a la àrea geogràfica d’influència i al país

� Hem de canviar de nomenclatura. Canviar tona de residu tractat per:• Tona de petroli substituït • Tona de fertilitzant mineral estalviat• Tona de CO2 emesa evitada• .....

� Implica un canvi en la visió del negoci de la gesti ó de residus� No aprofitar el seu potencial perjudica a tothom

Cap on anem?Cap a on hauríem d’anar?

� El Parlament Europeu exhorta als països membres a incrementar el suport a les plantes de biogàs i a la Comissió Europea a preparar una Directiva al respecte.

� Exhorta a modificar la legislació per superar barreres actuals.

� Indica que tan sols amb dejeccions ramaderes a Europa ja es podrien obtenir 19,8 Mtep

� Desitja que el biogàs pugui cobrir el 20% de l’oferta d’energia renovable a l’any 2020

ràcies per la seva atenció