Planta De Biogás

Máster Oficial Universitario en Energías Renovables

Trabajo T10_12E

Planteamiento

Una empresa con actividades diversificadas, tiene entre sus áreas de negocio el aprovechamiento de la biomasa para fines energéticos. Tiene constancia de la existencia de potencial suficiente en una determinada zona como para ubicar en ella una central de generación eléctrica.

Tras el correspondiente trabajo de campo, llega a la conclusión de que la producción anual de diferentes tipos de residuos de biomasa en un radio de máximo 25 km de la ubicación posible de la central, hace viable el proyecto. La distribución de los residuos de biomasa, así como el ratio de generación de biogás de cada uno de ellos y su contenido en metano, viene reflejado en la tabla siguiente.

Tipos de residuos Cantidad (t/año) Generación (m3/t) CH4 (%)

Purín de cerdo 45.000 20 60

Maíz ensilado 18.000 180 59

Puerros 25.000 80 58

Zanahorias 12.000 80 58

Residuos de matadero 10.900 130 59

Lodos de EDAR 4.000 100 65

Grasas 2.500 130 65

Glicerina 8.000 265 65

Sangre 4.000 100 59

Para realizar el trabajo, se debe de considerar que la distribución mensual de entrada de los residuos en planta es homogénea en todos los meses del año. Con los datos anteriores se pide:

1. Cuantificar la cantidad de biogás mensual y anual que se generaría, así como el contenido en metano aproximado que contendría dicho biogás (con dos dígitos).

2. Calcular la electricidad mensual y anual que se generaría suponiendo que todo el biogás es introducido en motores, los cuales tienen un rendimiento de transformación del 40% y un funcionamiento anual de 8.000 horas.

3. ¿Cuál sería la potencia a instalar, teniendo en cuenta las premisas anteriores?

4. ¿Qué cantidad de emisiones de dióxido de carbono se evitan con la electricidad generada a partir de los residuos biomásicos considerados?

DATOS: PCI del metano = 9.000 Kcal/m3.

Considerar el factor de emisión del mix de generación del año 2011, publicado por UNESA en su página web.

Índice

1. Introducción

2. Comentarios sobre las plantas de biogás

3. Cálculo de la cantidad de biogás generado y de su contenido en metano

4. Cálculo de la electricidad generada

5. Cálculo de la potencia eléctrica a instalar

6. Cálculo de las emisiones de dióxido de carbono evitadas

7. Esquema de principio de la planta

8. Algunas conclusiones

1. Introducción

El trabajo consiste en la realización de un diseño y calculo básicos de una planta de producción de biogás mediante el proceso de digestión anaerobia de diversos tipos de residuos.

Para redactar el trabajo seguiremos básicamente el esquema y los datos contenidos en el enunciado del mismo. Es decir:

a) En primer lugar calcularemos la cantidad de biogás mensual y anual que se generaría, así como el porcentaje en metano aproximado que contendría dicho biogás (con dos dígitos; nosotros entendemos que los dos dígitos se refieren sólo al dato de contenido en metano).

b) A continuación, determinaremos la electricidad mensual y anual que se podría producir suponiendo que todo el biogás generado es introducido en motores, los cuales tienen un rendimiento de transformación del 40% y un funcionamiento anual de 8.000 horas.

c) El paso siguiente será la determinación de la potencia a instalar, teniendo en cuenta las premisas anteriores.

d) El enunciado pide también que se calcule la cantidad de emisiones de dióxido de carbono que se evitarían con la electricidad generada a partir de los residuos biomásicos considerados.

e) Y, finalmente, para concluir el trabajo, y aunque no es exigido por el enunciado, dibujaremos un esquema de principio de la planta, y expondremos algunas conclusiones a modo de resumen.

2. Comentarios sobre las plantas de biogás

Como se dice en la página 184 del libro “Otras formas de energía. Vol. II - La biomasa”, “La fermentación anaeróbica (o anaerobia, adjetivo que utilizaremos preferentemente en este trabajo) o digestión anaeróbica es aquel proceso en el que se produce la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno, gracias a la acción de una serie de microorganismos (bacterias), generando un gas combustible denominado “gas de vertedero” o “biogás”, dependiendo de si la reacción se produce en un vertedero controlado y sellado o en digestores de manera forzada (biometanización para el caso de la fracción orgánica de los RSU), respectivamente, así como otra serie de compuestos donde están presentes los compuestos minerales.

El proceso de digestión anaeróbica se puede llevar a cabo con diferentes tipos de biomasas, como son los residuos agrícolas y ganaderos, los lodos de EDAR, los residuos industriales orgánicos, así como la fracción orgánica de los RSU. En aquella instalación en la que participan conjuntamente en el proceso dos tipos (o más) de biomasas se denomina ‘codigestión’”.

Como complemento al texto anterior extraído del libro citado diremos que la digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en un producto gaseoso, llamado “biogás” (metano, dióxido de carbono, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, etc.), y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, etc.) y compuestos de difícil degradación, y que constituyen un producto ligeramente básico (pH ≈ 7,5) al que se le atribuyen una serie de propiedades fertilizantes, pues actúa mejorando parte de las características físicas del suelo (aumenta la retención de la humedad y la cantidad de infiltración de agua).

El biogás contiene un alto porcentaje en metano (entre 50-70%), por lo que es susceptible de un aprovechamiento energético mediante su combustión en motores, turbinas o calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible, aunque también puede tener otros usos. Su otro componente principal es el dióxido de carbono (30-50 %).

Por su parte, la composición del digestato sufrirá importantes variaciones dependiendo del tipo de materia orgánica que es degradada en el proceso de digestión anaerobia, aunque en términos medios podemos decir que se encuentra constituido por aproximadamente un 85% de materia orgánica, un 2,5-3 % de nitrógeno y que presenta un porcentaje normalmente inferior al 2 % de fósforo y potasio.

El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados.

La digestión anaerobia, conforme a lo indicado al principio de este punto, puede aplicarse, entre otros, a los siguientes tipos de biomasa residual (utilizamos básicamente la clasificación de las páginas 39 a 93 del libro “Otras formas de energía. Vol. II - La biomasa”):

a) Residuos agrarios.

a) 1. Residuos agrícolas. En nuestro caso correspondería al maíz ensilado, los puerros y las zanahorias.

a) 2. Residuos ganaderos. En nuestro caso sólo tenemos el purín de cerdo.

b) Residuos industriales.

b) 1. Residuos de industrias agrícolas. En nuestro caso podría ser la glicerina (entendemos que se trata de glicerina no alimentaria), considerada como subproducto de la producción de biodiésel a partir de aceites vegetales usados.

b) 2. Residuos de industrias ganaderas. En nuestro caso incluirían los residuos de matadero, las grasas (que también son un residuo típico de matadero) y la sangre.

c) Residuos antropogénicos.

c) 1. Lodos de depuradora. En nuestro caso son los lodos de EDAR (Estación Depuradora de Aguas Residuales).

c) 2. Residuos sólidos urbanos (RSU) o residuos municipales. Se entiende que es la fracción orgánica de estos residuos, que no aplican en el caso de estudio.

Estos residuos se pueden tratar de forma independiente o conjunta, mediante lo que se ha dado en llamar “codigestión”, como decíamos al principio.

Los beneficios principales asociados a la digestión anaerobia son: i) reducción significativa de malos olores; ii) mineralización, por ejemplo, de los purines, que pasan de ser un abono orgánico a ser un biofertilizante de características similares a los abonos químicos; iii) producción de energía renovable si el biogás se aprovecha energéticamente y sustituye a una fuente de energía fósil; y, iv) reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la reducción de emisiones incontroladas de metano y de óxido nitroso, y reducción del dióxido de carbono ahorrado por sustitución de energía fósil (lo dicho en iii)). Más adelante, en el punto 8., se expondrán más detalladamente las ventajas de este proceso.

La digestión anaerobia se puede llevar a cabo, como ya se ha dicho, con uno o más tipos de residuos, con las únicas premisas de que: i) sean básicamente

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