Curso de Operacion y Mantenimiento de Biogas

FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE BIOGÁS

CURSO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO  DE UNA PLANTA DE BIOGÁS

20 de Octubre de 2010

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INTRODUCCIÓN Biogás El biogás es un gas compuesto básicamente por metano (CH4) entre un 55% ‐ 70%, dióxido de carbono (CO2) y pequeñas proporciones de otros gases. Se  produce por la fermentación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxigeno). Tiene características similares al gas natural. Real Decreto 661/2007 El  RD  661/2007  por  el  que  se  regula  la  actividad  de  producción  de  energía  eléctrica  en  régimen  especial  define  dentro  de  su  ámbito  de  aplicación  el  epígrafe  b.7.2  a  Instalaciones  que  empleen  como  combustible  principal  el  biogás  generado  en  digestores  empleando  alguno  de  los  siguientes  residuos:  residuos biodegradables industriales, lodos de depuradora de aguas urbanas o industriales, residuos sólidos urbanos, residuos ganaderos, agrícolas y otros  para lo cuales se aplique el proceso de digestión anaerobia, tanto individualmente como en co‐digestión. Planta de biogás Una  planta  de  biogás  es  una  instalación  donde  se  mezclan  los  purines con materia orgánica  y se realiza lo que se conoce con  el  nombre  de  co‐digestión  anaeróbica.  La  co‐digestión  se  basa  en mezclar diferentes sustratos para que se compensen entre si  y  se  obtenga  una  producción  de  biogás  óptima  y  una  biomasa  digerida que es un buen fertilizante para aplicar en los campos. En la instalación se produce de forma acelerada el ciclo natural  de descomposición. Se reciben materias orgánicas, deyecciones  orgánicas  un  70%  y  subproductos  agrícolas  y/o  residuos  industriales un 30%, que se mezclan y son conducidos hacia los  digestores.  Dentro  de  estos  grandes  recipientes  cerrados,  sin  aire del exterior y con condiciones óptimas de temperatura, es  donde  las  bacterias  actúan.  De  aquí se  obtiene  biogás  y  un  subproducto que es un buen bio‐fertilizante para aplicar en los  campos.  El  biogás  se  utiliza  como  único  combustible  en  unos  equipos de cogeneración que transforman el biogás en energía  eléctrica y térmica de origen renovable. 20 de Octubre de 2010

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INTRODUCCIÓN Componentes principales de una Planta de Biogás. Podemos diferenciar varias partes o procesos  en una planta de Biogás: •Almacenamiento y Acondicionamiento de los sustratos. •Producción de Biogás. •Acondicionamiento del Biogás. •Aprovechamiento Energético del Biogás. •Digestato.

BIOGÁS DIGESTATO Utilizado como ferti lizante o para el compostaje. Reduce Si gnificat ivamente el uso de fertilizantes industriales en la agricultura.

ALMACENAMIENTO BIOGÁS El biogás es almacenado en la campana del digestor.

ALMACENAMIENTO  DIGESTATO BIOGÁS

UNIDAD DE CICLO COMBINADO El biogás es quemado para producir electricidad y calor.

MOTOR

GENERADOR

CULTIVO ENERGÉTICO

ELECTRICIDAD

ESTIÉRCOL Y/O PURÍN

SISTEMA DE CALEFACCIÓN  DIGESTOR

DEPÓSITO MEZCLADOR En él se mezcla la biomasa para alimentar al digestor.

En este tanque, en ausencia de oxígeno, la biomasa sufre un proceso de digestión por parte de los microo rganis mos anaerobios, durante el cual se produce metano y dióxido de carbono: el biogás.

Parte del calo r producido durante la combustión del biogás es utilizado para mantener l a temperatura ópti ma en el digestor.

COGENERACIÓN Aprovechado  en secadero  de digestato destinado a  uso agrícola.

RESIDUOS AGRO‐INDUSTRIALES

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ALMACENAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SUSTRATOS. Tipos de Sustratos. La producción de biogás depende directamente del tipo de sustratos con que se alimenta al digestor. La procedencia de los mismos puede ser muy variada: •Sustratos de origen animal: purín, estiércol, gallinaza, …. •Sustratos de origen vegetal: maíz, centeno, sorgo, … •Residuos procedentes de la Industria Agroalimentaria: restos de matadero, grasas,  melaza,…

Almacenamiento sustratos de origen vegetal. Silos. Los sistemas de almacenamiento sirven para equilibrar variaciones entre la demanda y la producción de biomasa.  La forma y tamaño de los silos depende  del  tipo  de  biomasa  y  del  flujo  de  aprovechamiento.  Los  silos  son  usados  para  este  tipo  de  planta  son  generalmente  de  hormigón  aunque  también  se  pueden utilizar otros de plástico cuando el volumen a almacenar no es excesivo y se dispone de suficiente superficie. Los sustratos vegetales se cosechan con maquinaria especializada para su posterior almacenamiento en los silos, han de picarse con un tamaño de entre 6 y  10 mm para que su silaje sea óptimo y se conserven sus propiedades para la producción de biogás.

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ALMACENAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SUSTRATOS. Almacenamiento de sustratos líquidos.  Purín. Uno de los principales sustratos a utilizar en las plantas de Biogás, es el purín. El purín se traslada mediante un camión cisterna a la plata de Biogás y se  descarga en un depósito de almacenamiento, éste puede ser de hormigón o de acero. También puede ir soterrado o a nivel de terreno.  Generalmente son  depósitos cerrados para evitar la pérdida de valor energético del purín así como las molestias debidas a los malos olores.  Generalmente  están  dotados  de  agitadores  para  mantener  la  homogeneidad  del  sustrato  y  evitar  la  acumulación  de  sólidos  en  el  parte  inferior  del  depósito. El purín es introducido en el sistema de alimentación mediante una bomba sumergible.

Otros. El tipo de depósito a utilizar para otros sustratos líquidos será mediante tanques de acero, ya que, generalmente, el volumen de almacenamiento no será excesivo y son más sencillos y baratos de instalar que los depósitos de hormigón.

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ALMACENAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SUSTRATOS. Tratamientos. Higienización. En  el caso de que se aprovechen desechos de mataderos, restaurantes o mercados y de  acuerdo a la normativa vigente se debe higienizar la biomasa antes de su alimentación al  digestor. A través de este tratamiento se eliminan bacterias, parásitos y virus. Se reduce  el riesgo de contaminación y transmisión de enfermedades. La higienización se realiza calentando los sustratos a una temperatura de 70 ºC durante  una hora. El proceso se lleva a cabo en tanques de acero y/o hormigón. Después de la higienización  hay  que  reducir  la  temperatura  del  sustrato  hasta  la  temperatura de  proceso  antes  de  introducirlo al digestor. La energía térmica usada durante el proceso de higienización procederá de la unidad de  cogeneración de la propia planta.

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PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Sistema de alimentación. El sistema ideal de alimentación para una digestión adecuada ha de ser continuo. Hoy  en  día  debido  a  los  sistema  de  control  de  las  plantas  esto  se  realiza de  manera  automática y muy exacta para que la mezcla sea la más adecuada para la producción  de biogás. Generalmente tenemos un silo más pequeño, con piso móvil, desde son introducidos  los  sustratos  sólidos  (silajes,  residuos  sólidos)  hasta  el  alimentador  y  otras  conducciones para la alimentación de los sustrato líquidos (purín, glicerina, sueros…).  Los  sistemas  de  alimentación  más  modernos  pesan  cada  sustrato  por  separado  de  manera que la mezcla siempre contiene el porcentaje exacto de cada uno. Hay otro tipo de instalaciones que permiten una mayor homogenización de la mezcla  como  son  los  agitadores  internos  de  alimentador,  colocar  una  bomba  con  cuchillas  para  evitar  que  se  introduzcan  partículas  de  tamaño  grande  en  el  digestor,  tamices  para eliminar piedras y otros materiales que podrían dañar las instalaciones, etc…

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PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Digestor. La  posibilidad  de  configuración  de  una  planta  de  biogás  son  variadas  puede  tener  uno  o  varios  digestores, estos pueden ser de mezcla seca o húmeda, horizontales, de mezcla continua. El diseño  final dependerá del tipo de sustratos a utilizar  y de la potencia para la que se diseñe la Planta. 

Tipos de digestores. Los  digestores se clasifican por el modo de operación, llenado y vaciado. La clasificación general los define en digestores de régimen estacionario, régimen  semi continuo, horizontales, y de régimen continuo.  En función de la húmedas del proceso los tenemos de mezcla húmeda (hasta 15% de contenido de  MS) o seca con un contenido de MS superior (hasta un 25%).

Una de las variaciones fundamentales en cuanto al diseño de la planta consiste en realizar la digestión en una o dos etapas, basado en el hecho de que los  distintos grupos de bacterias que llevan a cabo el proceso requieren diferentes condiciones de pH y tiempo de retención Esto supone la construcción de  uno o dos depósitos, en el primero se realiza una parte de la  digestión anaerobia (hidrólisis y acidogénesis) y  en  el  segundo  digestor se   lleva a  cabo  la  acetogénesis y la metanogénesis.. 20 de Octubre de 2010

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PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Principales Componentes de un digestor.  Para que el digestor se construya de manera eficiente y no surjan problemas durante la operación (fugas de biogás, filtraciones de sustratos, etc..) hay que  realizar un diseño adecuado y confiar la construcción a empresas especializadas. Los  tanques  para  digestores  se  construyen  sobre  o  bajo    tierra.  El  suelo  y  paredes  de  los  digestores  agroindustriales  son  de  hormigón.  La  cubierta,  generalmente es de membrana EPDM. La alimentación de los digestores suele realizarse por medio de una bomba sumergible. Para realizar la descarga del  la mezcla ya digerida o la recirculación de la misma para estabilizar los niveles de humedad del proceso se realiza mediante rebose, se instala una tubería en  la parte superior del digestor que conectará este con el tanque de almacenamiento de digestato y/o el de recirculación. 

La cubierta del digestor suele utiliza como almacenamiento del biogás generado durante el proceso aunque también puede utilizarse un gasómetro. 

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PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Agitadores. A  través de la agitación se logra una  mejor  distribución  de  la  temperatura, de los nutrientes, la  eliminación  de  las  burbujas  de  biogás  y  una  mezcla  del  sustrato  fresco  con  la  población  bacteriana  existente  en  el  digestor.  Además  se  evita  la  formación  de  costras  sobre  la  superficie  de  la  biomasa  y  la  formación de “espacios muertos” sin actividad biológica.  Hay varios tipos de agitadores, tipo “Paddelgitant”, con mezcla en el eje horizontal, cuyo motor y engranaje estarán instalados en el exterior del tanque  o  mediante agitadores de motor sumergible, regulables en altura y dirección.

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PRODUCCIÓN DE BIOGÁS. Sistema de Calefacción. Los  digestores  llevarán  incorporado  un  sistema  de  aislamiento  de  poliuretano  (o  similar)  de  4  cm  de  espesor  para  retener  la  mayor  cantidad  de  calor  posible. Así mismo en el interior de la pared de hormigón se distribuirán una serie de tubos de polietileno que conformarán el sistema de calefacción.  El agua caliente que circulará por el interior del sistema de calefacción proviene del agua de refrigeración de la camisa del motor y de los gases de escape,  produciendo agua caliente por intercambio de calor en un cambiador de placas.  El circuito primario de enfriamiento de la camisa del motor es cerrado, con  recirculación, para evitar la contaminación de tipo térmico y evitar un gasto innecesario de agua además de energía. 

Otras instalaciones.

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ACONDICIONAMIENTO DE BIOGÁS Debido  a  su  alto  contenido  de  humedad  y  otros  gases  el  biogás  ha  de  tratarse  y  acondicionarse  antes  de  su  aprovechamiento  en las  unidades  de  cogeneración. A continuación se indican las características del gas que deben acondicionarse: •Reducción y/o eliminación del H2S y trazas de otros gases, purificación. •Reducción de humedad. •Reducción de CO2 •Corrección, calibración y control de presión. Reducción de Humedad. Cuando  el  biogás  sale  de  los  biodigestores  está saturado  al  100%  con  humedad.  Este  problema  se  incremente  durante  el  verano  debido  a  las  altas  temperaturas. Entre los factores que influyen el contenido de humedad se encuentran: el tipo de biomasa y % de disolución.  Junto  al  vapor  de  agua  en  la  corriente  de  biogás  viajan  partículas  sólidas  que  no  reaccionan  o  que  se  mantienen  inertes  durante  el  proceso  de  biogasificación, ambos elementos son perjudiciales para el aprovechamiento del biogás, por lo cual, se hace necesaria una reducción de éstos hasta valores  adecuados para el uso del biogás como material energético. Las tuberías de captación se instalarán de tal manera que los condensados fluyan de regreso al digestor o hacia los puntos de descarga de condensados. La  pendiente mínima de instalación será del 5%. Se instalará una unidad de condensación antes del aprovechamiento del biogás en la unidad de cogeneración. Si se enfría el biogás a temperaturas de entre  0 y 5 ºC se condensa la mayor parte de la humedad. Este tipo de soluciones combinadas con otras técnicas para la reducción de H2S dan excelentes resultados y se obtiene un biogás de excelente calidad. Los motores a biogás para la generación eléctrica tiene establecidos como límite máximo de contenido de humedad un rango comprendido entre el 70 y el  80% HR dependiendo del fabricante del motor y del contenido de partículas extrañas.

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ACONDICIONAMIENTO DE BIOGÁS Reducción de H2S El biogás está compuesto mayoritariamente por gas metano (CH4) y CO2 en proporciones de 55‐65 % a 40‐45 % aproximadamente y trazas de otros gases  como el Sulfuro de Hidrógeno (H2S). El contenido de H2S es de entre 0,1 y un 1%.  A pesar del reducido porcentaje  es necesario reducirlo debido a las  siguientes razones: •Toxicidad del H2S. •Corrosión de metales por presencia de H2S y CO2. •En la combustión se puede formar SO2, que es altamente corrosivo. •Disminución del poder calorífico del gas. •Favorece la formación de hidratos. El  método  más habitual y  sencillo para la desulfuración del biogás  es  la  inyección  de  pequeños  volúmenes  de  oxígeno  en  el  interior  del  digestor.  Es  un  proceso que se ha desarrollado de manera efectiva en los últimos 10 años y aplicado con notable éxito en la purificación de biogás en biodigestores en toda  Europa, pero sobre todo en Alemania.  Las bacterias oxidantes sulfobacter se transforman el H2S en azufre elemental y ácido sulfhídrico y agua a través del suministro de oxígenos. Durante este  tratamiento se obtiene polvo amarillo de azufre que se deposita sobre la superficie de la biomasa, en las paredes interiores del digestor, etc. Este polvo de  azufre puede ser utilizado como fertilizante.  El suministro de oxígeno se realiza mediante compresores. Si la dosificación del oxígeno es la adecuada se puede obtener una reducción de H2S de hasta el  95%. La cantidad de oxígeno que se suministra al digestor es tan baja que no hay problemas en el interior del mismo.

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ACONDICIONAMIENTO DE BIOGÁS Reducción de CO2 Cuando se requiera un biogás de mayor calidad y poder calorífico (para su inyección a la red de distribución general) se puede reducir el contenido de CO2.  Este tratamiento está especialmente indicado para las grandes plantas de biogás donde el gasto en el sistema de purificación  está justificado. El método más simple y eficiente para la eliminación del dióxido de carbono e su absorción en agua de cal. Este método requiere una constante vigilancia  debido a que el agua de cal se agota y es necesario reponerla frecuentemente. Pueden utilizarse otras soluciones químicas aunque la más económica es la  de agua de cal. Otro método es utilizar otro elemento fuertemente alcalino como medio de absorción de estos gases, como por ejemplo lo efluentes de cultivos de micro  algas. Se inyecta el biogás a contracorriente en estas aguas de manera que el agua que resulta de esta reacción contiene carbonato de hidrógeno. Tratamiento mediante filtros. El tratamiento biológico de gases contaminados se ha establecido como alternativa a los sistemas convencionales de tratamiento de gases, especialmente  cuando los compuestos contaminantes se encuentran en una concentración baja y el flujo a tratar es elevado. El principal componente de un biofiltro es el  medio filtrante  donde  los  compuestos  no  deseados del biogás son  adsorbidos para    poder  ser  degradados  posteriormente  por  microorganismos  que  se  forman en el medio filtrante. El biogás es introducido al lecho filtrante por medio de un soplador. El filtro consiste en un tanque relleno de un medio filtrante (tierras, virutas de madera,  turba, piedra volcánica, una mezcla de varios, …) acondicionado con un material abultante (partículas de poliestireno, piedras, etc…) cuya función es dar  soporte y, en algunos casos, como fuente de nutrientes a los microorganismos. 

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APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS El biogás tiene un alto poder energético, de aproximadamente 6 kWh/m3. Este valor depende del contenido de gas metano. El biogás puede ser utilizado  como combustible para la generación de energía eléctrica y para la generación de calor. Una vez conocida la composición del biogás es posible determinar el Poder Calorífico Inferior (PCI) del mismo. Este dato es necesario para el cálculo de la  potencia de la instalación.  Los usos más comunes del biogás son: •Combustión directa para la producción de calor. •Motores de combustión interna con aprovechamiento de la potencia mecánica •Motores para la generación de electricidad con y sin recuperación de calor (cogeneración). •Turbinas de gas o vapor con aprovechamiento de la potencia eléctrica con o sin recuperación del calor. •Vehículos motorizados. •Enganche a la red de gas natural (en España todavía no es posible). •Producción de sustancias químicas. Dependiendo  del  tipo  de  quipo,  el  fabricante  requerirá otros  datos  a  mayores  de  la  PCI  tales  como  la  altitud  sobre  el  nivel  del  mar,  la  temperatura  ambiente,  fluctuaciones  permitidas  por  el  sistema  de  control  de  caudal,  composición  del  biogás  suministrado,  condensación  de  agua  en  las  tuberías  y  equipos, presencia de partículas abrasivas en suspensión, etc… Principios de la combustión. El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio abanico de equipos descomponiéndose, principalmente, en CO2 y H2O.  El  requerimiento  de  aire  mínimo  sería  del  21%  pero  esta  cifra  debe  ser  aumentada  para  lograr  una  buena  combustión.  La  relación  aire‐gas  puede  ser  ajustada aumentando la presión del aire, incrementado la apertura de la válvula  dosificadora de  gas (el  biogás  requiere  de  una apertura de  2 a  3  veces  mayor utilizada por el metano puro) y modificando la geometría del paso de aire desde el exterior. Debido al contenido de CO2 el biogás una velocidad de propagación de la llama lenta, 43 cm/s y por lo tanto la llama tiene a escaparse de los quemadores.  La presión par aun correcto uso del biogás ha de oscilar entre los 7 y los 20 mbar. Ha de tenerse especial cuidado con este aspecto debido a que han de  calcularse las pérdidas de presión de salida del gasómetro.

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APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS Aprovechamiento del Biogás en unidades de cogeneración. Para la generación de energía eléctrica se utiliza el biogás como combustible para los generadores. El calor resultante de la combustión y del enfriamiento  de la camisa del motor, puede utilizarse para calentar el agua para la calefacción del digestor o para cualquier uso industrial o agroindustrial que requiera  energía calorífica. Las principales características que ha de tener un motor de biogás que genere energía eléctrica son las siguientes:  •Una vida útil operando a plena carga. •Excelente grado mecánico de eficiencia.  •Operación y mantenimiento sencillos. •Rápida disponibilidad de repuestos. •Bajo nivel de ruido y emisiones de gases contaminantes. •Enfriamiento por agua para que esta sea aprovechada con otros fines. •Que pueda operar con biogás con un contenido alto de humedad y trazas de otros gases, a parte del metano. •Que no contenga metales corrosibles.

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APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS Recuperación del calor. La recuperación de parte del calor de combustión procede del agua de refrigeración de la camisa del motor y de los gases de escape, produciendo agua  caliente  por  intercambio  de  calor  en  un  cambiador  dual.  La  temperatura  de  salida  es  de  entre  70‐90  ºC.  Esta  energía  térmica  puede  destinarse  a  la  calefacción de los digestores, al sistema de higienización si procede, a sistemas de calefacción en edificios residenciales o públicos, como aporte térmico a  procesos industriales que lo requieran y estén en las proximidades. Inyección a la red. El biogás producido en este tipo de plantas tiene una composición similar al que circula por la red de distribución general. Habría que someter al biogás a  un proceso de purificación y  enriquecimiento para igualar las  características  del  gas natural pero  es una  tecnología que  existe y  que ha demostrado su  viabilidad  en  otros  países,  como  Suecia.  La  inyección  de  biometano  en  la  red  de  gas  natural  permite  rebajar  los  costes  de  transporte  de  esta  energía  renovable y reducir la dependencia energética del exterior.  Utilización en el transporte. El uso del biogás como combustible en el transporte es similar, tecnológicamente hablando, al del gas natural. Es necesario eliminar todos los compuestos  distintos del metano hasta convertirlo en un gas asimilable al gas natural. Una vez transformado, las posibilidades de uso son iguales: •Comprimido. •Licuado. 

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INSTALACIONES DE EVACUACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. La energía producida en la unidad de cogeneración ha de ser transformada y acondicionada para su inyección a la red.  Las plantas que producen energía  eléctrica para inyección a red cuentan con un Centro de Transformación o  una  Subestación Elevadora,  cuando la planta  es  de  grandes dimensiones y la  potencia a evacuar justifica la inversión.

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DIGESTATO Como  subproducto  de  la  digestión anaerobia  se  obtiene  dos productos aprovechables:  el  biogás  y  el  digestato.  El  residuo  orgánico  que  se  descarga  del  biodigestor obtenido en los procesos de digestión anaerobia es un lodo de consistencia fluida, con un contenido de MS de entre el 7 y el 8%, con excelentes  propiedades fertilizantes que está constituido por la fracción orgánica que no se ha digerido y por el material orgánico agotado. El digestato obtenido tiene menos olor que los sustratos de partida (purín, estiércol,…) y puede aplicarse directamente al campo en forma líquida en las  cantidades recomendadas. En el proceso de biodigestión se mejora la capacidad fertilizantes, se conservan los nutrientes (Nitrógeno, Fósforo, Potasio….). Características del digestato: •Composición homogénea. Facilita la separación de fases. •Se mantiene la concentración de nutrientes (NPK) de la alimentación. •Mayor grado de mineralización, que se traduce en mayor disponibilidad para el cultivo. •Reducción de olores. •Reducción de patógenos, larvas, semillas malas hierbas…. Almacenamiento. Existen varias posibilidades de almacenar el digestato producido durante la digestión anaerobia:  •Depósitos abiertos de hormigón. •Depósitos cerrados de hormigón, similares a los digestores. •Lagunas de almacenamiento, que pueden ser abiertas o cerradas.

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DIGESTATO. Tratamientos. Separación Sólido Líquido. Mediante una prensa de tornillo sin fin si separa la fracción sólida de la líquida del digestato. Se obtiene una fracción sólida con un contenido de materia  seca del 25% lo que hace su transporte y manejo muy fácil y por otro una fracción líquida con un contenido de MS del 3% pudiéndose esta última tratarse  para eliminar los contaminantes y verterlos a la red de saneamiento o a cauce previa autorización.

Secado de digestato. Uno  de  los  procesos  de  mejora  del  digestato  es  el  aprovechamiento de la energía térmica del motor para el  secado del mismo. El porcentaje de humedad con el que  sale  del  digestor  es  muy  elevado,  aproximadamente,  el  8%  de  Materia  Seca,  por  lo  que  para  su  transporte  y  manejo como abono agrícola se hace aconsejable reducir  dicha humedad.

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OTRAS INSTALACIONES. A parte de las ya citadas tenemos otras instalaciones que forman parte de la planta de biogás, como la unidad de control, la antorcha para emergencias, las  conducciones, etc…. También puede haber variaciones con respecto al sistema de alimentación , al almacenamiento. En las siguientes imágenes se muestran ejemplos de ello.

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