CURSO INTRODUCCIÓN A LA GESTIÓN DE VERTEDEROS Complejo Medioambiental de la Costa del Sol Casares-Málaga (16-17 de Junio de 2010) Biogás de Vertederos Nely Carreras
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CURSO
INTRODUCCIÓN A LA GESTIÓN DE
VERTEDEROS Complejo Medioambiental de la Costa del Sol
Casares-Málaga(16-17 de Junio de 2010)
Biogás de Vertederos
Nely Carreras
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
BIOGÁS DE VERTEDERO
1. INTRODUCCIÓN
2. VERTEDERO CONTROLADO
3. LA DIGESTIÓN ANAEROBIA O BIOMETANIZACIÓN
4. BIOGÁS DE VERTEDERO1. Etapas de formación2. Composición3. Evolución histórica4. Impacto medioambiental5. Problemas potenciales y soluciones6. Diseño e infraestructura de control y extracción del biogás de vertedero7. Opciones para el tratamiento y la valorización del biogás8. Estudios de viabilidad9. Evolución del aprovechamiento del biogás en los vertederos españoles10. Consideraciones sobre el Biogás
5. VERTEDERO BIORREACTOR6. CASO PRÁCTICO
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BIOGÁS DE VERTEDERO
BIOMASA
GasificaciónCombustión Pirólisis Extracción FermentaciónAlcohólica
Digestión Anaerobia
Gas caliente
Gas PobreGas Síntesis
HidrocarburosChar
GasesAceites Etanol Metano
PROCESOS TERMOQUÍMICOS PROCESOS FISICO-QUÍMICOS PROCESOS BIOQUÍMICOS
Electricidad Combustibles diversos Biodiesel Etanol Metano
VaporCalor
Electricidad
RESIDUOS
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
¿QUÉ ES EL BIOGÁS?
El biogás es un gas producido por bacterias durante el proceso de biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas (sin aire).
Este proceso puede ocurrir de manera forzada en digestores anaeróbios o de manera natural en vertederos controlados de residuos sólidos urbanos (RSU).
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Representación esquemática de la generación y utilización del biogás
Digestores anaerobios
Vertedero controlado
Fertilizante
Productos
Residuos
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
COMPOSICIÓN MEDIA DE LOS RU EN ESPAÑ A
Componente
Media Ponderada
sobre Total Nacional
Materia Orgánica 44,0
Papel y Cartón 21,0
Plástico 10,6
Vidrio 7,0
Metales férricos 3,4
Metales no férricos 0,7
Madera 1,0
Otros 12,3
TOTAL 100,0
Se estima que el 26% del total son envases .Fuente: II Plan Nacional de Residuos Urbanos. MMA. 2007.
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TRATAMIENTO APLICADOS A LOS RSU
Es el conjunto de operaciones encaminadas a la eliminación de los desechos y residuos o al aprovechamiento de los recursos contenidos en ellos.
- Vertedero Controlado- Incineración- Compostaje- Reciclado
Tratamiento:
Métodos de tratamiento más utilizados:
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Generación anual y tratamiento aplicado a los RU en los países constituyentes de la UE
Fuente: EUROSTAT 2010
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Evolución de la generación de residuos urbanos en España
Fuente: OSE a partir de datos de MARM de 2009
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EVOLUCIÓN DE LA GENERACIÓN DE RESIDUOS URBANOS EN EUROPA
Fuente: OSE a partir de datos de MARM para España y de Eurostat para la UE (2009)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Gestión de RU per capita destinados a incineración y vertederos en la UE-27
Fuente: MARM 2008.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Vertedero Incineración Reciclado Otros
Residuos domésticos
Residuos comerciales
Residuos de construcción
Otros residuos industriales
Residuos controlados
Distribución de los distintos tratamientos dados a los residuos en países desarrollados
Fuente: Williams, P.T. 1998
Más utilizado: Vertedero ð Bajo coste, disponibilidad, aplicaci ón a grandes cantidades de residuos
TRATAMIENTO DE RESIDUOS
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EVOLUCIÓN DE SISTEMAS DE GESTIÓN DE RESIDUOS URBANOS EN ESPAÑA
Fuente: MMA, 2006
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Fuente: Ministerio de Medio Ambiente, 2006.
EVOLUCIÓN DE SISTEMAS DE GESTIÓN DE RESIDUOS URBANOS EN ESPAÑA
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EVOLUCIÓN DE SISTEMAS DE GESTIÓN DE RESIDUOS URBANOS EN ESPAÑA
Fuente: MARM (2009)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EVOLUCIÓN DE SISTEMAS DE GESTIÓN DE RESIDUOS URBANOS EN ESPAÑA
Fuente: Elaboración propia
8,42%7,79%4,75%Recogida selectiva
6,20%
0,05%
5,93%
0,07%
5,31%
0,034%
IncineraciónCon recuperación de energíaSin recuperación de energía
28,14%27,39%58,77%Compostaje
53,29%55,51%12,82%Vertido controlado
3,90%3,51%18,01%Vertido Incontrolado
200420021999
AÑOSISTEMAS DE GESTIÓN DE
RU
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Fuente: Ministerio de Medio Ambiente, 2006.
(*) Diferencia entre residuos generados, los recogidos selectivamente, los tratados y los eliminados
SISTEMAS DE ELIMINACIÓN Y TRATAMIENTO DE RU EN ESPAÑA (2004)
SISTEMA DE TRATAMIENTO
t/año
Porcentaje
Nº de Centros
Vertido Incontrolado (*)
836.443
3,90
-
Vertido Controlado 11.427.951 53,29 187 Compostaje 6.034.603 28,14 65 Incineración con recuperación de energía
1.328.784
6,20
9
sin recuperación de energía 10.051 0,05 1 Recogida selectiva 1.806.873 8,42 -
Total 21.444.705 100,00 262
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Gestión de los residuos urbanos en España (2007)
Fuente: MARM 2008.
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VERTEDERO CONTROLADO
VENTAJAS
- Procedimiento relativamente económico para tratar controladamente los residuos
- Su inversión es baja- Técnicas de tratamiento y mantenimiento sencillas- Convierte un terreno árido en un terreno rico en materia
orgánica
INCONVENIENTES
- Necesita mucho terreno- Producción de gases:
. Malos olores
. Explosiones
. Incendios- Producción de lixiviados: Líquido muy contaminante
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IMPERMEABILIZACIÓN
MASA DE RU
LÁMINA DE POLIETILENO (E=1,5 mm)
BARRERA GEOLÓGICA
DRENAJE DE LIXIVIADOS (GRAVAS E=0,50 m)
REGULARIZACIÓN DEL TERRENO
GEOTEXTIL DE POLIESTER (300grs/m2)
GEOTEXTIL DE POLIESTER (500grs/m2)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ESQUEMA DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN DE LIXIVIADOS
Drenajes transversales
Drenaje longitudinal
Drenaje longitudinal
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DREN DEL FONDO DEL VASO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
- DESCARGA
- EXTENDIDO
- COMPACTACIÓN
- CUBRICIÓN CON TIERRA O MATERIALES APROPIADOS
OPERACIONES QUE SE REALIZAN EN UN VERTEDERO CONTROLADO
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SELLADO
COBERTURA TIERRAE = 1 m
CAPA DRENANTE (GRAVA 40/200) E = 0,5 m
CAPA IMPERMEABLEE = 0,25 m
MASA DE RU
CAPA DRENANTE (GRAVA 40/200) E = 0,25 m
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
LEYENDA:
1: Extracción de tierras para: - Reperfilado del fondo- Cubrición diaria- Sellado de regeneración
2: pozo de extracción de lixiviados3: Extendido y compactación de RU
DIAGRAMA DE PROCESO I
A PLANTA DE TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS
1
3
2
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DIAGRAMA DE PROCESO II
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
SECCIÓN DE UN VERTEDERO
GRAVA para drenaje de aguas subterráneas con tubería40 cm
50 cm
50 cm
50 cm
ARCILLA impermeabilizante (bentonita)
Geotextil
Conjunto Geotextil-Polietileno-Geotextil
Conjunto Geotextil-Polietileno-GeotextilGRAVA DREN de seguridad,de aguas limpias con tubería
GRAVA DREN LIXIVIADOS contubería porosa para su recogida
7 a 8 mCapa de residuos compactados y capas de arena de cubrición
30 cm
30 cm
20 cm
1 m
Conjunto Geotextil-Polietileno-Geotextil
Cobertura de tierra
Grava para drenaje de pluviales
Arcilla impermeabilizante
Grava para drenaje de gases
Generación de Energía
Suelo orgánico
Aguas limpias
Aguas subterráneas
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS CONTROLADOS
En función de:a) Si existe o no tratamiento previo
- Con trituración- Sin trituración
b) Grado de compactación- Baja Densidad- Densidad Media- Alta Densidad
c) La forma de vertido- Zanja- Área- Mixta- Cantera
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POZO DE CAPTACIÓN
MASA DE RESIDUOS (RU) E=3m
BARRERA DE IMPERMEABILIZACIÓNARTIFICIAL (ARCILLAS E=0,25m)
CAPA DRENANTE DE GASES(GRAVA 40/200 E=0,25m)
TIERRA CUBRICIÓN DIARIA DE 0,20m
COBERTURA TIERRA (E=1,00m)
BARRERA DE IMPERMEABILIZACIÓN ARTIFICIAL
CAPA DE DRENAJE PARA AGUAS PLUVIALES (GRAVA 40/200 E=0,50m)
COBERTURA TIERRA (E=1 m)TUBERÍA DE DRENAJE DE AGUAS PLUVIALES
BARRERA GEOLÓGICA
BARRERA DE IMPER. ART.CAPA DE DRENAJE
DE LIXIVIADOS
POZO DE RGULACIÓNDE LIXIVIADOS TUBERÍA DE DRENAJE
POZO DE RECOGIDA DE LIXIVIADOS
CAPA DE MONITOREO
TUBERÍA DE DRENAJE DE LIXIVIADOS
A RED LIXIVIADOS
TUBERÍA DE DRENAJE DE AGUAS PLUVIALES
BARRERA GEOLÓGICA ARTIFICIAL
BARRERA DE IMPERMEABILIZACIÓN ARTIFICIAL
CAPA DE DRENAJE DE LIXIVIADOS
EXPLANACIÓN DEL TERRENO NATURAL
BERMA PERIMETRAL
VIAL DE ACCESO
4%4%2
1
CAPA DE DRENAJE PARA AGUAS PLUVIALES (GRAVA 40/200 E=0,25m)
CAPA DE DRENAJE PARA AGUAS PLUVIALES (GRAVA 40/200 E=0,50m) 1
4%
1
2
PENDIENTE MIN 2%
CELDA DE VERTIDO: SECCIÓN LONGITUDINAL AL DREN DEL FONDO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
- Tanto la generación de biogás en digestores anaerobios como la extracción y utilización del biogás generado en los vertederos de RSU son procesos de interés en el área de la producción energética.
- Además en ambas situaciones se produce una mejora medioambiental importante ya que, la extracción del biogás de vertedero ofrece la posibilidad de reducir las emisiones de metano y dióxido de carbono, gases que contribuyen de manera notable al efecto invernadero, y la digestión anaerobia de los residuos reduce considerablemente el poder contaminante de éstos.
- La degradación anaerobia de la materia orgánica se resume en la siguiente ecuación:
materia orgánica + nutrientes + microorganismos
↓
CH4 + CO2+ NH3 + H2S + mat.orgánica (ef.<100%)+nuevos m.o. (Y≤10%)
LA DIGESTIÓN ANAEROBIA O BIOMETANIZACIÓN
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
- La bioquímica y microbiología de los procesos anerobios es mucho más complicada que en los procesos aerobios, esto se debe a la existencia de numerosas rutas que puede utilizar una población bacteriana anaerobia para la bioconversiónde la materia orgánica.
- Las rutas y mecanismos no se conocen al detalle, pero en los últimos años se han escrito amplias líneas de estos procesos.
- El mecanismo anaerobio puede representarse como un proceso en 4 fases:
1. Fase de Hidrólisis
2. Fase de Acidogénesis3. Fase de Acetogénesis4. Fase de Metanogénesis
MECANISMO ANAEROBIO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LA MATERIA ORGÁNICA: FORMACIÓN DE BIOGÁS
Materia orgánica. Polímeros. (hidratos de carbono, proteínas, l ípidos)
Hidrólisis Vh
Materia orgánica soluble. Monómeros. (azúcares, aminoácidos, ácidos grasos)
Acidogénesis V A Ácidos orgánicos, Alcoholes, H 2, CO2 Acetogénesis Va
Ácido acético
Metanogénesis V m1 Vm2
C H4 + C O2 C H4
Donde: V h< Vm1<Va<VA<Vm 2
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos)
HidrHidróólisis lisis compuestos orgánicos simples
(azúcares, aminoácidos…) (ácidos grasos, alcoholes…)
PROCESO DEGRADATIVO DE LA D.A.
HidrHidróólisis:lisis: los compuestos orgánicos complejos (material particulado) son transformados en material disuelto más simple, por medio de enzimas producidas por bacterias fermentativas.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos)
AcidogAcidogéénesisnesis
H2 + CO2 ácido acético
compuestos orgánicos simples(azúcares, aminoácidos…) (ácidos grasos, alcoholes…)
productos intermedios(ácidos propiónico, butírico, valérico, etc)
PROCESO DEGRADATIVO DE LA D.A.
AcidogAcidogéénesisnesis:: los productos solubles son convertidos en productos intermedios y ácido acético, CO2, H2 por la acción de las bacterias fermentativas acidogénicas.
HidrHidróólisis lisis
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos)
H2 + CO2 ácido acéticoAcetogAcetogéénesisnesis
compuestos orgánicos simples(azúcares, aminoácidos…) (ácidos grasos, alcoholes…)
productos intermedios(ácidos propiónico, butírico, valérico, etc)
PROCESO DEGRADATIVO DE LA D.A.
AcetogAcetogéénesisnesis:: los productos generados en la etapa anterior son transformados en sustrato para las bacterias metanogénicas.
AcidogAcidogéénesisnesis
HidrHidróólisis lisis
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
PROCESO DEGRADATIVO DE LA D.A.
MetanogMetanogéénesisnesis:: finalmente se produce metano a partir de acetato (bacterias metanogénicas acetoclásticas) y de H2 y CO2 (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas).
MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos)
H2 + CO2 ácido acético
CH4 + CO2
compuestos orgánicos simples(azúcares, aminoácidos…) (ácidos grasos, alcoholes…)
productos intermedios(ácidos propiónico, butírico, valérico, etc)
CH4 + H2O
MetanogMetanogéénesisnesis
AcetogAcetogéénesisnesis
AcidogAcidogéénesisnesis
HidrHidróólisis lisis
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
compuestos orgánicos simples(azúcares, aminoácidos…) (ácidos grasos, alcoholes…)
H2S + CO2
PROCESO DEGRADATIVO DE LA D.A.
SulfurogSulfurogéénesisnesis:: cuando hay sulfatos las bacterias sulfato reductoras compiten por el sustrato con las demás (se genera H2S, baja la producción de CH4 y hay problemas de olores e inhibición).
MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos)
H2 + CO2 ácido acético
CH4 + CO2
productos intermedios(ácidos propiónico, butírico, valérico, etc)
CH4 + H2O
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CH4 (55% - 65%)
H2S, H2, otrs. (<5%)
CO2 (30% - 40%)
COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la concentración de metano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 –38MJ/m3 para el gas natural (Werner et al 1989).
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EVOLUCIÓN HISTORICA (I)
1667 Shirley Descubridor del “Gas de los pantanos”
1776 Volte Relación entre la descomposición de la materia orgánica y la presencia de gas
1804 Dalton Presencia de metano en el gas
1808 Davy Generó metano en el laboratorio
1884 Pasteur Cuantificó el gas producido
1890 Van Senus Relación de actividades de microorganismos
1896 El biogás obtenido de la digestión de lodos fue utilizado para el alumbrado de la calle
(Gran Bretaña)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
1908 Soehngen Demostró la formación de metano a partir de H2 y CO2
1927 Castellini Estudió las relaciones simbióticas entre los diversos microorganismos
1950 - La madurez que va adquiriendo la tecnología queda de manifiesto en los puntos:
1º Reconocimiento de los m.o. Metanogénicos como un conjunto
2º Desarrollo del diseño de diversos digestores3º Ejecución de digestores en granjas e industrias4º Comienzo de la explotación del Biogás en Vertederos
EVOLUCIÓN HISTORICA (II)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Esquema de la generación de energía a partir de RU en vertederos controlados
RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS
RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS
VERTEDEROVERTEDERO
CALORELECTRICIDAD
BIOGÁSBIOGÁS
LIXIVIADOLIXIVIADO Tratam.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
• Fase I: Aerobia (15 días)• Fase II: Anaerobia, en ausencia de CH4 (2 meses)• Fase III: Anaerobia, con formación en aumento de CH4 (2 años)• Fase IV: Anaerobia, de estabilización de CH4 ( 20-30 años)
FASES DE LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LOS RESIDUOS EN UN VERTEDERO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
• Fase I: Aerobia (15 días)• Fase II: Anaerobia, en ausencia de CH4 (2 meses)• Fase III: Anaerobia, con formación en aumento de CH4 (2 años)• Fase IV: Anaerobia, de estabilización de CH4 ( 20-30 años)
FASES DE LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LOS RESIDUOS EN UN VERTEDERO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES CONSTITUYENTES
• METANO: Incoloro inodoro e inflamable. Efecto invernadero.
• DIÓXIDO DE CARBONO: Incoloro inodoro y no inflamable. Efecto invernadero.
• NITRÓGENO Y OXÍGENO: Constituyentes del aire.
• HIDRÓGENO: Se produce en las primeras fases. Es “no tóxico” y muy ligero.
• MONÓXIDO DE CARBONO: Muy tóxico. Presente en concentraciones muy pequeñas (0,001%)
• AMONIACO: Puede encontrarse en concentraciones elevadas (30 mg/m3)
• SULFURO DE HIDRÓGENO: Muy tóxico e inflamable. Muy corrosivo.
• VOC´S: Se estima que pueden encontrarse 350 compuestos traza diferentes (hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos halogenados, alcanos,....). Pueden representar entre el 1-2% en volumen. Es importante conocerlos desde el punto de vista medioambiental.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CONVENIENCIAS DE LA EXTRACCIÓN DEL BIOGÁS
DESDE EL PUNTO DE VISTA MEDIOAMBIENTAL:
Ø Se eliminan compuestos que contribuyen al efecto invernadero Ø Se evita el escape a la atmósfera de compuestos tóxicos Ø Se eliminan posibles riesgos de explosión Ø Se evitan riesgos de incendios Ø Se eliminan posibles daños en la vegetación de la zona Ø Se evita la producción de olores desagradables
DESDE EL PUNTO DE VISTA ENERGÉTICO: Ø Puede constituir un potencial energético importante
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
INFRAESTRUCTURA DE EXTRACCIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS
• POZOS DE CAPTACIÓN
• LÍNEAS DE CONDUCCIONES
• ANTORCHA
• ESTACIÓN DE REGULACIÓN Y MEDIDA
• SISTEMA DE ELIMINACIÓN DE AGUA
• SISTEMA DE ELIMINACIÓN DE COMPUESTOS
CORROSIVOS
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DETALLE DE POZO DE CAPTACIÓN Y SELLADO EN MESETA
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
POZO DE CAPTACIÓN DE BIOGÁS
VÁLVULA TOMAMUESTRAS
CAPA DRENANTE GASESGrava 40/200 e= 0,25 m)
MATERIAL CALIBRADO
ARQUETA PREFABRICADA
LÁMINA PLÁSTICA
CABEZAL
COBERTURA TIERRA (e=1 m)TIERRA NATURAL
Capa impermeable e=0,25 m
CANALIZACIÓN SECUNDARIA A COLECTOR GENERAL
CAPA DRENANTE GASESGrava 40/200 e= 0,50 m)
SONDEO DE 450
TUBO PERFORADO DE PEAD Diámetro 110
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
SONDAS DE EVACUACIÓN Y CABEZALES DE SONDA EN UN VERTEDERO CLAUSURADO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CORTE TRANSVERSAL DE UN POZO SIN CABEZAL DE EVACUACIÓN DE BIOGÁS
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
LEYENDA:
1: COBERTURA
2: TIERRA DE CUBRICIÓN
3: RESIDUOS COMPACTADOS
4: CABEZAL DEL POZO DE EXTRACCIÓN DE BIOGÁS
5: TUBER ÍA DE CONDUCCIÓN DE BIOGÁS
6: TUBER ÍA RANURADA
7: BRIDA EMPALME DE TUBERÍAS
SECCIÓN DE VERTEDERO CON POZO DE EXTRACCIÓN DE BIOGÁS
1
2
3
4
5
6
7
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
SISTEMA DE EXTRACCIÓN GLOBAL DEL BIOGÁS EN UN VERTEDERO
Radio de acción aproximado 20-30 m
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ESQUEMA DEL PROCESO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ESTRUCTURA COMPLETA DE UNA PLANTA DE CAPTACIÓN Y VALORIZACIÓN DE BIOGÁS DE VETEDERO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EXPORTACIÓN
TRANSFORMACIÓN
GENERACIÓN
CELDA SELLADA
ALMACENAJE
TRATAMIENTO
COMBUSTIÓNEXCEDENTES
LÍNEA DESDE CELDA
POZO
ERM
ELEMENTOS PRINCIPALESDE LA PLANTA DE CAPTACIÓNY VALORIZACIÓN DE BIOGÁS
VERTIDO
PLANTA DE CAPTACIÓN Y VALORIZACIÓN DE BIOGÁS DE VETEDERO
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ESTIMACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO EN UN VERTEDERO CONTROLADO
1 Tonelada RSU (50% m.o.)------- 200 m3 metano
Aprovechamiento-------------------- 80%
1 Tonelada RSU--------------------- 5-20 m3 biogás/año
1 m3 biogás (60% metano)--------- 5.500 Kcal
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ANÁLISIS DEL BIOGÁS (I)
ANALISIS BIOGÁS
Componentes Principales Concentración (%)MetanoDióxido de carbonoOxígenoNitrógeno
Hidrocarburos halogenados Concentración (mg/m3)1,1,1 - TricloroetanoTricloroetenoTetracloroetenoDiclorobencenoCloruro de vinilo1,1 - Dicloroetenocis 1,2-Dicloroetenotrans 1,2- DicloroetenoDiclorometanoTriclorometanoTetraclorometano1,1 - Dicloroetano1,2 - Dicloroetano
Acidos Inorgánicos Concentración (mg/m3)Ácido ClorhídricoÄcido FluorhídricoÄcido Sulfhídrico
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Hitrocarburos aromáticos Concentración (mg/m3)BencenoToluenoEtilbencenom+p xilenoo-xilenoPropilbencenoTrimetilbencenoIsopropilbencenop-Cimenoa-PinenoCanfenob-Pinenod-carenoLimoneno
Mercaptanos Concentración (mg/m3)Etil mercaptanoMetilmercaptanon-Butilmercaptano
Otros ConcentraciónHumedad relativaTemperaturaPartículasAmonio (NH4+)NO2SO2
Silanos y SiloxanosAnálisis cuantitativo Concentración (mg/m3)Hexametilociclotrisiloxanos Octametilociclotetrasiloxanos Decametilociclopentasiloxanos Octametiltrisiloxano
ANÁLISIS DEL BIOGÁS (II)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
1 motor de 1063 kWe1 motor de 1063 kWe1 motor de 1415 kWe
199820002003
Mula (Murcia)
2 motores de 636 kWe1 motor de 630 kWe
19982001
Gardelegui (Álava)
1 motor de 725 kWe1997Góngora (Navarra)
2 motores de 496 kWe2 motores de 480 kWe1 motor de 480 kWe
199619992003
Meruelo (Cantabria)
2 motores de 651 kWe1 motor de 651 kWe
19951996
San Marcos (Guipúzcoa)
1 motor de 220 kWe6 motores de 740 kWe2 motores de 910 kWe1 motor de 450 kWe
1990199219992001
La Zoreda (Asturias)
2 motores de 405 kWe1 motor de 470 kWe
19921997
Artigas (Vizcaya)
POTENCIA INSTALADAAÑOVERTEDERO
GENERACIÓN DE ENERGÍA EN VERTEDEROS ESPAÑOLES (I)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
1 motor de 624 kWe1999Valladolid
2 motor de 850 kWe1999Coll Cardús (Barcelona)
1 motor de 480 kWe12 motores de 1063 kWe
19992003
Garraf (Barcelona)
1 motor de 1063 kWe1 motor de 1063 kWe
20012003
Les Valls (Barcelona)
2 motores de 1063 kWe1 motor de 1063 kWe1 motor de 1063 kWe
200120032005
Montemarta-Cónica (Sevilla)
1 motor de 475 kWe2001Sasieta (Guipúzcoa)
3 motores de 725 kWe2001Cerceda (Coruña)
4 motores de 660 kWe2000Arico (Tenerife)
1 motor de 480 kWe1998Logroño (La Rioja)
POTENCIA INSTALADAAÑOVERTEDERO
GENERACIÓN DE ENERGÍA EN VERTEDEROS ESPAÑOLES (II)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
1 motor de 1063 kWe2002Can Mata (Barcelona)
2 motores de 1065 kWe2003Basseta Blanca (Valencia)
11 motores de 1415 kWe2003Pinto (CAM)
1 motor de 1063 kWe2003Alicante
8 motores de 2124 kWe2003Valdemingómez
1 motor de 624 kWe2003Viznar (Granada)
1 motores de 1063 kWe3 motores de 1415 kWe
2005Colmenar Viejo (CAM)
1 motor de 470 kWe2005Salamanca
1 motor de 625 kWe2004Abanilla (Murcia)
1 motor de 480 kWe2004Jata (Vizcaya)
1 motor de 480 kWe2004Igorre (Vizcaya)
POTENCIA INSTALADAAÑOVERTEDERO
GENERACIÓN DE ENERGÍA EN VERTEDEROS ESPAÑOLES (III)
62
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
1 motores de 1131 kWe1 motor de 1415 kWe
2007Antequera (Málaga)
1 motor de 1131 kWe1 motor de 1415 kWe
2007Montalbán (Córdoba)
2 motores de 1063 kWe2005Málaga
1 motor de 1063 kWe2005Toledo
POTENCIA INSTALADAAÑOVERTEDERO
GENERACIÓN DE ENERGÍA EN VERTEDEROS ESPAÑOLES (IV)
63
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EVOLUCIÓN DE LA POTENCIA INSTALADA EN LOS VERTEDEROS ESPAÑOLES
020000400006000080000
100000120000
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
año
kWe
64
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EVOLUCIÓN DEL NÚMERO DE MOTORES INSTALADOS EN LOS VERTEDEROS ESPAÑOLES
020406080
100120
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
año
nº d
e m
otor
es
65
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
0,7 l de fuel-oil
1,5 Kg de madera
0,8 Kg de carbón1,2 l de alcohol
combustible 0,8 l de gasolina
6,8 kwh teóricoselectricidad
0,60 m3 degas natural
1 m3 de Biogás
70% CH4 + 30% CO2
6.000 Kcal
EQUIVALENCIAS DEL BIOGÁS CON OTROS COMBUSTIBLES
66
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS
• La utilización del biogás como fuente de energía va aumentando día a día, según se va dando mayor importancia a las energías renovables como alternativa a las fuentes tradicionales de energía de origen no renovable (petróleo, gas, carbón, etc.).
• El biogás puede utilizarse en prácticamente las mismas aplicaciones energéticas desarrolladas para el gas natural. Su utilización ha ido evolucionando a lo largo de los años. Sus primeras aplicaciones energéticas fueron en cocinas familiares y lámparas en países como China e India.
Lámpara
Potencia mecánica
MotoresCogeneración
Electricidad Calor Iluminación
QuemadoresEstufas-Infrarrojo
Biogás
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CONSUMO Y RENDIMIENTO DE ALGUNAS DE LAS APLICACIONES DEL BIOGÁS
La tabla muestra el consumo y rendimiento de los principales aparatos/equipos que utilizan biogás en países menos desarrollados.
Hasta 90%1 kW elect0,5 m/kWh
2 kW térmicos
Cogenerador
95-99%30 l/hInfrarrojo de 200 W
80-90%2 m3/hQuemador de 10 kW
25-30%0,5 m3/kWhMotor a gas
20-30%30-75 l/hNevera de 100 l
30-50%120-170 l/hLámpara de mantilla (60 W)
50-60%300-600 l/hQuemador de cocina
RendimientoConsumoAparato
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS
• En la actualidad, las aplicaciones de mayor interés son: generación de calor mediante combustión, generación de electricidad, integración en la red de gas natural, combustible para vehículos y combustible de pilas de combustible . De éstas, las más comunes son la combustión directa para la producción de calor y la generación de energía eléctrica. No obstante, existe un interés creciente por otras alternativas como son su aplicación como combustible de automoción y su integración en la red de gas natural.
Un metro cúbico de biogás en su total combustión es suficiente para:- Generar 1.25 kw/h de electricidad.- Generar 6 horas de luz equivalente a una bombilla de 60 watt.- Poner en funcionamiento un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.- Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.- Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas
69
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
APLICACIONES ACTUALES DEL BIOGÁS DE MAYOR INTERÉS
Vertedero
Digestores Anaerobios
Calor
Integración en líneas de gas natural
Combustible para vehículos
Pilas de combustible
Biogás
Electricidad y calor con motores de cogenera-ción
70
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
OBTENCIÓN DE CALOR POR COMBUSTIÓN DIRECTA
El biogás se puede utilizar en la generación de calor, a través de su combustión.
El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefactos descomponiéndose principalmente en CO2 y H2O. La combustión completa sin el exceso de aire y con oxígeno puro, puede ser representada por las siguientes ecuaciones químicas:
CH4 + 2O2 ð CO2 + 2 H2O H2S + 3/2 O2ð SO2 + H2O
71
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
OBTENCIÓN DE CALOR POR COMBUSTIÓN DIRECTA
Aplicaciones: calefacción y agua caliente , calentamiento de los digestores, incinerar o esterilizar desechos provenientes del sector médico, para el secado de forraje, y en calentadores, cocinas de gas, lámparas o quemadores-estufas, tanto de uso industrial como doméstico.
También se puede aplicar en otros aparatos, como refrigeradores domésticos o quemadores infrarrojos, comúnmente utilizados en la calefacción de ambientes en ganadería (criaderos o parideras). Recientemente, se han desarrollado equipos para el enfriamiento de leche y/u otros productos agrícolas, lo que abre un importante campo de aplicación directa y rentable del biogás.
El principal inconveniente que presenta el biogás en este caso es la necesidad de ubicar la zona de consumo de calor lo más cerca posible de la zona donde se genera, ya que debido al bajo poder calorífico del biogás, este no puede ser trasladado de forma rentable por tuberías. Por ello, lo habitual es que el calor generado por la combustión del biogás sea utilizado en las propias instalaciones productoras.
Como ejemplo en España está el horno de incineración de residuos hospitalarios ubicado en el vertedero de La Zoreda (Asturias).
72
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Estas aplicaciones son principalmente para países poco desarrollados
-Las cocinas y calentadores son fácilmente modificables, agrandando el paso del gas de los quemadores. La amplia disponibilidad de este tipo de equipos hace prometedora e interesante su utilización a gran escala. .
- Las lámparas a gas tienen una muy baja eficiencia y el ambiente donde se las utilice debe estar adecuadamente ventilado para disipar el calor que generan.
Lámpara y cocina que funcionan con biogás.
Cocinas, Calentadores y Lámparas
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
• F Las neveras domésticas constituyen un interesante campo de aplicación directa del biogás debido a que tienen un consumo parejo y distribuido a lo largo de las 24 horas del día lo cual minimiza la necesidad de almacenaje del gas. Estos equipos funcionan bajo el principio de la absorción (generalmente de ciclo amoníaco refrigerante – agua absorbente). Recientemente se han desarrollado equipos para el enfriamiento de leche y/u otros productos agrícolas lo que abre un importante campo de aplicación directa y rentable del mismo.
F Los quemadores infrarrojos comúnmente utilizados en la calefacción de ambientes (especialmente en criadores y parideras) presentan como ventaja su alta eficiencia lo cual minimiza el consumo de gas para un determinado requerimiento térmico. .
Neveras domésticas y Quemadores Infrarrojos
Estas aplicaciones son principalmente para países poco desarrollados
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD
Esta aplicación es, sin duda, el uso más interesante que tiene el biogás en la actualidad.
El biogás puede ser usado para generar electricidad de tres formas diferentes:
· Motores de combustión que van unidos a generadores de electricidad.
· Turbinas o microturbinas de gas.
· Pilas de combustible estacionarias
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD MEDIANTE MOTORES DE COMBUSTIÓN
El biogás se puede usar como combustible para motores de combustión interna, tanto de gasolina (motores de ciclo Otto) como de gasóleo (diesel), pero previamente deben ser eliminadas las impurezas que pueden afectar al rendimiento y mantenimiento de los mismos. El biogás tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110, lo que hace que sea muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión, aunque como contrapartida tiene una baja velocidad de encendido.
El rendimiento del biogás en los motores de ciclo Otto es muy adecuado, ya que sólo existe una merma de la potencia máxima de entre un 20% y un 30%, y pueden funcionar usando un 100% de biogás. Sólo para el arranque es necesario usar otros combustibles.
Con relación a los motores diesel, generalmente usan un sistema mixto de biogás y diesel, que permite aplicar distintas proporciones de ambos combustibles y el paso de uno a otro de forma rápida y fiable. Para ello, estos motores disponen de un mezclador de gases con un sistema de control, manteniendo el sistema de inyección convencional. Además de la generación de electricidad, estos motores se utilizan en otras aplicaciones (bombeo de agua, etc.).
Actualmente esta tecnología es la más empleada en España para el biogás de vertedero, existiendo en la actualidad una potencia instalada de 100MW.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD MEDIANTE TURBINAS DE GAS
FEl uso de las turbinas de gas ha aumentado considerablemente al ser menos contaminantes debido a su mejor rendimiento. Este crecimiento se ha visto favorecido por el incremento de actividad en el sector del gas y además por el crecimiento sostenido de la demanda. Una de las ventajas de las turbinas es que requieren menor tiempo de instalación que otros sistemas equivalentes, por lo que resultan muy adecuadas para proyectos de desarrollo rápido. FTiene mayor rendimiento si se utiliza en ciclos combinados. FA pesar de su buen funcionamiento, debe tenerse en cuenta la fuerte dependenciaque presentan estos sistemas a determinados parámetros como la humedad o la presión, y que condicionan tanto la potencia que la turbina es capaz de producir como su rendimiento.FVarias empresas han desarrollado turbinas de pequeña potencia, en torno a los 30 kW, específicamente para uso de biogás. Estas microturbinas se pueden utilizar en zonas residenciales o pequeñas industrias. Algunas de estas empresas son: Capstones, IR PowerWorks, Turbec (ABB/Volvo), o Elliot Energy System.FEn España, se tiene un ejemplo del uso de turbinas de gas mediante biogás generado en el Ecoparque de La Rioja
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD MEDIANTE TURBINAS DE GAS
Algunas de sus ventajas son:
• Pueden producir electricidad y calor simultáneamente (cogeneración).• Prácticamente todo el calor de proceso se puede recuperar (alto rendimiento).• Pueden operar conectados a la red eléctrica de forma continua.• Bajo nivel de contaminantes y ruidos.• Pueden trabajar en ciclo combinado (gas y vapor) aumentando su rendimiento.• Permiten el uso de combustibles de bajo poder calorífico (biogás).
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
SISTEMAS DE COGENERACIÓN
• Estos sistemas buscan la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energía contenida en el biogás.
• En estos casos la potencia mecánica provista por el eje del motor es aprovechada para generar electricidad a través de un generador. Simultáneamente y por medio de una serie de intercambiadores de calor ubicados en los sistemas de refrigeración (agua y aceite) del motor y en la salida de los gases de escape, se recupera la energía térmica liberada en la combustión interna. De este modo se logra un mejor aprovechamiento de la energía que la lograda mediante la generación convencional de electricidad, donde el calor generado en el proceso se pierde.
• Una central de cogeneración de electricidad-calor funciona con turbinas, motores de combustión o pilas de combustible , ya que cualquiera de estas tecnologías libera calor en el proceso de generación de electricidad.
• La difusión de estos sistemas estará condicionada por la rentabilidad final. Sin embargo, representa la utilización más racional del biogás ya que se obtiene una forma de energía extremadamente dúctil como la electricidad al mismo tiempo que una fuente de calor muy necesaria para la calefacción de digestores en zonas frías.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
SISTEMAS DE COGENERACIÓN
• El sistema de cogeneración se utiliza de forma habitual en las instalaciones donde se pueden producir grandes cantidades de biogás (grandes explotaciones agrarias/ganaderas, plantas de tratamiento de aguas residuales, vertederos, etc.), ya que el calor producido es reutilizado en diversas fases del proceso de generación del biogás (para el calentamiento de los digestores anaeróbicos, por ejemplo).
• Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%. Además, el procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión se libera menos CO2 y NOx, que usando fuentes de energía tradicionales (carbón o petróleo).
• En la actualidad, se está empezando a hablar de trigeneración. Es un proceso similar a la cogeneración en el que se produce frío, además de energía eléctrica y calor,típicos de la cogeneración, utilizando un único combustible, como es el biogás.
• El biogás también puede ser utilizado en plantas preparadas para la trigeneración. De hecho, ya existen empresas que han ideado equipos de trigeneración que usan específicamente el biogás como combustible (AB Energy, Deutz Power SystemsGMBH).
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
HIDRÓGENO Y PILAS COMBUSTIBLES
• La progresiva disminución de las reservas de combustibles fósiles y los problemas medioambientales asociados a su combustión obligan a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas. En este contexto, el hidrógeno surge como un nuevo "vector energético", es decir, un transportador de energía primaria hasta los lugares de consumo que ofrece, además, importantes ventajas. El hidrógeno se presenta así como uno de los mejores candidatos para ser "el combustible del futuro".
• Se puede obtener hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables como la eólica, fotovoltaica o hidráulica, mediante la electrólisis del agua, constituyendo un proceso cíclico totalmente limpio. También puede producirse a partir de la biomasa por descomposición térmica o biológica, o bien de los propios combustibles fósiles como el gas, el petróleo o el carbón.
• Las tecnologías en procesos de hidrógeno y pilas de combustible son un nuevo campo prometedor que va encaminado hacia la nueva economía llamada del hidrógeno, que se espera sea comercial en los próximos años y que requeriráun gran número de técnicos muy especializados en la materia.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
HIDRÓGENO Y PILAS COMBUSTIBLES
• Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada, ya que funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados.
• .
• .
Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible, comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidracina, y un cátodo en el que se introduce un oxidante, normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor.
Su principio de funcionamiento es inverso al de la electrólisis del agua, en la que se separa este compuesto en hidrógeno y oxígeno, mediante aporte de energía eléctrica. En el caso delas pilas de combustible, se obtiene energía eléctrica por medio de la reacción entre hidrógeno y oxígeno, generándose vapor de agua:
H2 + O2 H2O + Electricidad
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
INTEGRACIÓN EN LA RED DE GAS NATURAL
• Gracias a la posibilidad del tratamiento del biogás elevándolo a calidad de gas natural han surgido nuevas perspectivas de aprovechamiento.
El biogás, previamente depurado para que alcance los requerimientos de calidad del gas natural, se puede introducir en su red de distribución, ya que, al igual que el gas natural, está constituido
principalmente por metano, y con ello, el uso en grandes centrales eléctricas o en el sector de transportes.
• Algunos países, como Alemania o Suecia, han introducido
especificaciones de calidad para que el biogás pueda ser introducido en la línea de distribución del gas natural.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
INTEGRACIÓN EN LA RED DE GAS NATURAL
• Entre las ventajas de este uso destacan:
– la red conecta la zona de producción con las áreas de mayor densidad de población, lo que permite que el gas llegue a nuevos consumidores.
– es posible aumentar la producción en un lugar remoto y todavía utilizar el 100 % del gas.
– permite mejorar la seguridad de suministro local, factor muy importante ya que la mayor parte de los países consumen más gas natural del que producen.
F La integración del biogás en las redes de gas natural ha sido probada con cierto éxito en varios países de la UE (Suiza, Suecia, Alemania y Francia) y en los Estados Unidos.
F Desde diciembre de 2006, las primeras plantas de biogás alimentan en la red de gas natural alemana. Hasta la fecha han seguido este camino aproximadamente una docena de plantas, estando en planificación o en construcción aproximadamente otra docena.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
INTEGRACIÓN EN LA RED DE GAS NATURAL
F Según un estudio realizado, hasta el año 2030 se cree que existe un potencial de biogás disponible para alimentación de 100.000 millones de kilovatios/hora anuales, solamente en Alemania. Esta cantidad corresponde aproximadamente a un 10 % del consumo de gas natural actual en el país.
F En España, la primera experiencia la va a llevar a cabo el Ayuntamiento de Madrid con el biogás obtenido de la biometanización de la FORSU en el Parque Tecnológico de Valdemingómez.
F Proyecto Europeo LIFE BIOGRID: Biogas inyection into natural gas grid and use as vehicle fuel by upgranding it with a novel CO2 capture andstorage technology. Lugar: Tineo (Asturias) y Bilbao. Periodo: 1-1-2009 hasta 31-12-2011. Socios: Coordinador: Naturgas Energía, Asociados: Biogas Fuel Cell (ES), GasTreatmentServices BV (NL), Ingrepro BV (NL) y Urbaser (ES)
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
COMBUSTIBLE DE VEHÍCULOS
• Junto con la generación de electricidad, ésta es la aplicación con más futuro del biogás.
• El biogás puede ser usado como combustible de automoción en pilas de combustible, como se ha visto y en motores de
explosión.
• El biogás puede sustituir al gas natural en los vehículos
propulsados por este combustible, previo refinado del biogás para eliminar impurezas (CO2, SH2 , NH3, agua y partículas sólidas) y, de esta forma, elevar los niveles de metano hasta casi el 95% (IEA-
Bioenergy, 2001).
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
COMBUSTIBLE DE VEHÍCULOS
• En el año 2005, Volvo presentó un motor desarrollado específicamente para usar gas natural o biogás como combustible de automoción (principalmente para autobuses de transporte urbano).
• En España son varias las ciudades donde ya existen vehículos que utilizan biogás, sobre todo en transporte urbano. En Madrid, el biogás generado en las plantas de biometanización del Parque Tecnológico de Valdemingómez será incorporado a la red y abastecerá a 400 autobuses de la EMT.
• En Suecia, donde funciona un tren de transporte de pasajeros y los autobuses de Helsingborg funcionan con biogás.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
• El uso vehicular del biogás se ha empleado desde hace bastante tiempo. Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas:
– A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en contenedores cilíndricos de alta presión (200 a 300 bar.); este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado antes de su compresión.
– Mayor tiempo de llenado y menor autonomía de conducción
– La conversión de los motores es cara (instalación similar a la del GNC) y el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehículos.
– La falta de una adecuada red de abastecimiento y la energíainvolucrada en la compresión a gran escala de este tipo de uso.
COMBUSTIBLE DE VEHÍCULOS
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
GRADO DE REFINADO PARA LAS APLICACIONES DE MAYOR INTERÉS
Vertedero
Digestores Anaerobios
Calor
Integración en líneas de gas natural
Combustible para vehículos
Pilas de combustible
Biogás
Electricidad y calor con motores de cogenera-ción
Refinado
-
+
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
NECESIDAD DEL TRATAMIENTO DEL BIOGÁS EN FUNCIÓN DEL USO
Fuente: Weiland, 2006
Desulfuración Purificación del gas
Compresi ón Bombeo Reformado
CalderaAlmacenamiento
de Gas Odorizaci ón Pila de Combustible
Calor Electricidad Combustible Red Gas Natural
Desulfuración Purificación del gas Purificación del gas
Cogeneración
Calor Calor Electricidad
Biogás
El biogás debe ser refinado previamente en cualquiera de sus aplicaciones energéticas. En este sentido, las operaciones de depuración varían en función del uso del biogás,
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
LIMPIEZA DEL BIOGÁS
• Los requerimientos de calidad son mayores cuando se utiliza como combustible de automoción, se inyecta en las líneas de distribución del gas natural o se utilizan en pilas de combustible.
• La purificación del biogás incluye la eliminación de CO2, SH2, NH3, agua y siloxanos.
• La proporción de H2S en el biogás causa deterioros en las válvulas de admisión y de escape de determinados motores obligando a un cambio más frecuente de los aceites lubricantes. El grado de deterioro en los motores varía considerablemente y los resultados obtenidos experimentalmente suelen ser contradictorios.
• Los siloxanos, en el proceso de combustión del motor de gas, se convierten ensilicatos y cuarzo microcristalino que hacen disminuir el volumen de la cámara de combustión y contribuyen a la abrasión del motor.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CH4 (55% - 65%)
H2S, H2, otrs. (<5%)
CO2 (30% - 40%)
CONSIDERACIONES SOBRE EL BIOGÁS
Ø Previsiones y Evolución del consumo
Ø Evolución de la producción energética
Ø Consumo en España y la Unión Europea
Ø Líneas de innovación tecnológica
Ø Marco de referencia en la Unión Europea y en España
Ø Análisis del recurso
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Fuente: IDAE
Evolución del consumo de biogás y previsiones en el marco del Plan de Fomento de las Energías Renovables en términos de energía primaria
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Evolución del consumo de biogás y previsiones en el marco del Plan de Fomento de las Energías Renovables en términos de potencia instalada
Fuente: IDEA, 2005
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Ø 2003 à 52 nuevos MW
Ø 2004 à 16 nuevos MW
Ø 2005 à : 11 nuevos MW
Ø 2006 à 8 nuevos MW
A finales de 2006, se había cubierto un 20% del
objetivo de incremento del PER 2005-2010.
EVOLUCIÓN DE LA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA DEL BIOGÁS
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
POTENCIA DE BIOGÁS Y PREVISIONES (2007)
Fuente IDEA, 2007
96
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CONSUMO DE BIOGÁS EN ESPAÑA (2004)
Fuente: IDEA, 2005
TOTAL:
266.724 TEP
27.875 TEP
14.483 TEP
88.265 TEP
24.956 TEP 3.719 TEP
2.824 TEP
1.765 TEP
8.492 TEP
55.271 TEP5.910 TEP
1.523 TEP
16.783 TEP
8.456 TEP
405 TEP
4.896 TEP
1.106 TEP
TOTAL:
266.724 TEP
27.875 TEP27.875 TEP
14.483 TEP14.483 TEP
88.265 TEP88.265 TEP
24.956 TEP24.956 TEP 3.719 TEP3.719 TEP
2.824 TEP2.824 TEP
1.765 TEP1.765 TEP
8.492 TEP8.492 TEP
55.271 TEP55.271 TEP5.910 TEP5.910 TEP
1.523 TEP1.523 TEP
16.783 TEP16.783 TEP
8.456 TEP8.456 TEP
405 TEP405 TEP
4.896 TEP4.896 TEP
1.106 TEP1.106 TEP
97
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CONSUMO DE BIOGÁS EN LA UNI ÓN EUROPEA (2003)
2
18
28
42
56
62
64
76
147
154
155
257
322
685
1.151
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400
Luxemburgo
Finlandia
Irlanda
Grecia
Bélgica
Dinamarca
Austria
Portugal
Suecia
Holanda
Italia
España
Francia
Alemania
Reino Unido
KtepFuente: IDEA, 2004
98
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA PRIMARIA A PARTIR DE BIOGÁS EN LA UNIÓN EUROPEA EN 2007 (EN KTEP)
Biogás de vertedero
Otras procedencias (plantas descentralizadas de biogás agrícola, etc)
Biogás de lodo depuradora
Fuente: EurObserv'ER 2007
99
Biogás de Vertederos. Nely CarrerasFuente:Fachverband Biogas e.V .
EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS EN ALEMANIA (1992-2007)
100
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Æ LIBRO BLANCO:
ð OBJETIVO GENERAL: APORTACION DE LAS FUENTES DE ENERGIA RENOVABLES EN UN PORCENTAJE DEL 12% DE LA ENERGIA PRIMARIA DEMANDADA EN LA UNION EUROPEA EN EL AÑO 2010
ðOBJETIVO BIOGÁS: AUMENTAR EN 15 MTEP/AÑO EL CONSUMO DE BIOGÁS EN LA UNIÓN EUROPEA EN EL AÑO 2010
ESTO SIGNIFICA:
ð APROVECHAR EL 19% DEL POTENCIAL ESTIMADO DEL RECURSO EN LA UNIÓN EUROPEA
ðIMPORTANTE CONTRIBUCIÓN AL DESCENSO DE EMISIONES DE GASES DE INVERNADERO (METANO)
Æ DIRECTIVA 1999/31/CE, relativa al vertido de residuos
EL BIOGÁS: Marco de referencia en la Unión Europea
Ciudad Real - Junio -2007
101
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Anexo I:
Requisitos generales para todo clase de vertederos
Anexo II:
Procedimientos de control y vigilancia en las fases de explotación y
mantenimiento posterior
DIRECTIVA EUROPEA DE VERTEDEROS: Directiva 1999/31/CE
102
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
En lo que respecta al control de gases dice:
1. Se tomarán las medidas adecuadas para controlar la acumulación y emisión de gases de vertedero (Anexo III)
2. Los gases se recogerán, se tratarán y se utilizarán. Si no pueden utilizarse para producir energía se quemarán.
3. El apartado 2 se llevará a cabo de tal forma que reduzca al mínimo el daño o deterioro del medio ambiente y elriesgo para la salud humana
ANEXO I:
REQUISITOS GENERALES PARA TODA CLASE DE VERTEDEROS
DIRECTIVA EUROPEA DE VERTEDEROS: Directiva 1999/31/CE
103
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ANEXO III:
PROCEDIMIENTOS DE CONTROL Y VIGILANCIA EN LAS FASES DE EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO POSTERIOR
Este anexo hace referencia a los gases en el punto 3 que se expone a continuación:
3. Datos de emisión: control de aguas, lixiviados y gases
El control de los gases deberá ser representativo de cada sección del vertedero. La frecuencia de la toma de muestras y análisis figura en el Cuadro I
DIRECTIVA EUROPEA DE VERTEDEROS: Directiva 1999/31/CE
104
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DIRECTIVA EUROPEA DE VERTEDEROS: Directiva 1999/31/CE
105
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Regula la eliminación de Residuos mediante Depósito en Vertedero
Artículo 5:
a) A más tardar el 16 de julio de 2006, RU Biodegradables destinados a vertedero <75% de 1995
b) A más tardar el 16 de julio de 2009, RU Biodegradables
destinados a vertedero <50% de 1995
c) A más tardar el 16 de julio de 2016, RU Biodegradables
destinados a vertedero <35% de 1995
REAL DECRETO 1481/2001
106
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
• Deberán recogerse muestras de lixiviados y aguas superficiales, si las hay, en puntos representativos.
• El control de las aguas superficiales, si las hay, deberá llevarse a cabo en un mínimo de dos puntos, uno aguas arriba del vertedero y otro aguas abajo.
• El control de gases deberá ser representativo de cada sección del vertedero.
Frecuencia de la toma de muestras y análisis:
Fase de explotación Fase de mantenimiento posterior (1)
Volumen de los lixiviados Mensualmente (3) y (4) Cada seis meses
Composición de los lixiviados (2) Trimestralmente (3) Cada seis meses
Volumen y composición de las aguas superficiales (7) Trimestralmente(3) Cada seis meses
Emisiones potenciales de gas y presión atmosférica Mensualmente (3) y (5) Cada seis meses(6)(CH4, CO2, O2, H2S, H2, etc.)(4)
(1) La frecuencia de la toma de muestras podría adaptarse en función de la morfologías de los residuos del vertedero (en túmulo, enterrado, etc.).(2)Los parámetros que deban medirse y las sustancias que deban analizarse variarán conforme a la composición de los residuuos depositados, deberán indicarse en el documento de autorización y reflejar las caracter ísticas del lixiviado de los residuos.(3) Si la evaluación de los datos indica que mayores intervalos son igualmente efectivos, los mismos podrán adaptarse. Para los lixiviados, siempre se deberámedir la conductividad como mínimo una vez al año.(4) Estas mediciones se refieren principalmente al contenido de materia orgánica en el residuo(5) CH4, CO2, O2 periodicamente; otros gases según proceda, conforme a la composición de los residuos depositados para reflejar sus propiedades de lixiviabilidad(6) Deberá comprobarse periódicamente la eficacia del sistema de extracción de gases.(7) Sobre la base de las caracter ísticas del emplazamiento, las Comunidades Autónomas podrán determinar que dichas mediciones no son necesarias, e informarán de ello al Ministerio de Medio AmbirenteN.B.: Los controles sobre el volumen y la composición de los lixiviados se aplicarán sólo cuando tenga lugar la recogida de liviados (véase el apartado 2 del anexo I).
FASE DE EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO POSTERIOR: PROCEDIMIENTOS DE CONTROL Y VIGILANCIA DE AGUAS, LIXIVIADOS Y GASES (RD 1481/2001)
107
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Marco de referencia en España
A ESCALA NACIONAL:
ÆLEY 54/1997, DEL SECTOR ELECTRICO
ðESTABLECE: - UN REGIMEN ESPECIAL PARA LAS E. RENOVABLES (< 50 MW)
- GARANTIA DE ACCESO A LA RED
- UNA PRIMA PARA LAS E. RENOVABLES
ðREQUIERE: - UN PLAN DE FOMENTO DE LAS E. RENOVABLES.
ÆREAL DECRETO 436/2004 DE 12 DE MARZO
ðOBJETO: - PROCEDIMIENTO ADMTVO. DE INCLUSIÓN EN EL RÉGIMEN ESPECIAL
- ESTABLECE INCENTIVOS
- CONCRETA EL RÉGIMEN ECONÓMICO
ÆPLAN DE ENERGÍAS RENOVABLES EN ESPAÑA 2005-2010 (agosto de 2005)
ÆREAL DECRETO 661/2007, de 25 de mayo, por. el que se regula la actividad de producción de. energía eléctrica en régimen especial. ð Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por. el que se regula la actividad de producción de. energía eléctrica en régimen especial.
A ESCALA AUTONÓMICA:
ÆPROCEDIMIENTO ADMINISTRATIVOS PARA LA AUTORIZACIÓN DE INSTALACIONES
Ciudad Real - Junio -2007
108
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Real Decreto 661/2007: Criterios particulares Biomasa (grupo B7)
• Tarifa Regulada 2006 g 6,7 c€/kWh
Normativa. Real Decreto 661/2007. Nueva tarifa
Biogás de Digestores 9,760013,0700P <= 500 kWb.7.2
5,77749,6800P => 500 kW
3,0844
3,7784
Prima de referencia
5,3600
7,9920
Tarifa regulada
Potencia
b.7.3.
b.7.1.
Grupo
Estiércoles y Biocombustibleslíquidos
Biogás de vertedero
RETRIBUCIÓN c€/kWh
109
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
El BIOGÁS: Análisis del recurso
§ RESIDUOS GANADEROS
ü Explotaciones intensivas
ü Digestión anaerobia para alta concentración de ganado
ü Situación actual: baja utilización
§ FRACCIÓN ORGÁNICA DE LOS R.S.U.
ü En vertederos controlados de más de 200-250 t/día de capacidad
ü Desgasificación del vertedero
ü Digestión anaerobia en bioreactoresvs compostaje directo aerobio
ü Situación actual: utilización creciente
§ RES. IND. BIODEGRADABLES
ü Industria cervecera, azucarera, alcoholera, lácteos, oleícola, etc.
ü Digestión anaerobia
ü Situación actual: apreciable grado de aplicación
§ LODOS DE DEPURACIÓN DE A.R.U.
ü Interesante desde 100.000 hab-eq de nivel de vertido
ü De tratamientos primario y secundario
ü Digestión anaerobia
ü Situación actual: apreciable grado de aplicación
Fuente: IDAE, 2004
110
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
BIOGÁS: PROYECTOS EN EXPLOTACIÓN (1999-2004)
379,8150.000186.33330TOTAL
316,955.986177.43824Gas de vertederos
6,826.5391.7981Residuos Industriales
50,77.6433.8752Residuos ganaderos
5,459.8323.2223Tratamiento de aguas residuales
Cumplimiento del objetivo (%)
Objetivo del plan 2010 (tep)
Energía Primaria (tep)
Número de proyectos
Madrid y Cataluña son las Comunidades Autónomas con mayor consumo de biogás, con m ás del 50% del total en relación directa con el desarrollo de estas comunidades en proyectos relacionados con el aprovechamiento energético del biogás generado en el tratamiento de los residuos urbanos.
Fuente: IDAE
111
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ð Avances tecnológicos ligados al empleo de pequeñas cantidades de residuo
(ganadero, industrial o de lodos de depuradora) para el aprovechamiento
energético del biogás producido en su digestión anaerobia
ð Mejoras técnicas en el ámbito del rendimiento de los motores
ð Mejora de eficiencia en los procesos de producción de biogás
ð Desarrollo de sistemas de codigestión de los residuos biodegradables
ð Optimización y mejora de los procesos de depuración y limpieza del biogás
ð Desarrollo de sistemas para la inyección del biogás en la red de gas natural
Ciudad Real - Junio -2007
EL BIOGÁS EN EL PER 2005-2010. LÍNEAS DE INNOVACIÓN TECNOLÓGICA
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ð Avances tecnológicos ligados al empleo de pequeñas cantidades de residuo
(ganadero, industrial o de lodos de depuradora) para el aprovechamiento
energético del biogás producido en su digestión anaerobia
ð Mejoras técnicas en el ámbito del rendimiento de los motores
ð Mejora de eficiencia en los procesos de producción de biogás
ð Desarrollo de sistemas de codigestión de los residuos biodegradables
ð Optimización y mejora de los procesos de depuración y limpieza del biogás
ð Desarrollo de sistemas para la inyección del biogás en la red de gas natural
Ciudad Real - Junio -2007
EL BIOGÁS EN EL PER 2005-2010. LÍNEAS DE INNOVACIÓN TECNOLÓGICA
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
VERTEDERO BIORREACTOR
• EPA’s Office of Research and Development’s (ORD) definition of a bioreactor is:
“Bioreactors are landfills where controlled addition of non-hazardous liquid wastes or water accelerate the decomposition of waste and landfill gas generation.”
Further• ORD states a bioreactor is:
“A landfill designed and operated in a controlled manner with theexpress purpose of accelerating the degradation of MSW inside a landfill containment system.”
114
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
VERTEDERO BIORREACTOR
OBJETIVO:
ACELERAR EL PROCESO DEGRADATIVO DE LOS RESIDUOS ORGÁNICOS QUE
TIENE LUGAR EN EL INTERIOR DE LAS PLATAFORMAS DE VERTIDO
COMO CONSECUENCIA DE PROCESOS MICROBIOLÓGICOS
VERTEDERO ADAPTADO PARA ESTABILIZAR LA MATERIA ORGÁNICA BIODEGRADABLE
EN UN PLAZO MÁS CORTO DE TIEMPO (DE 5 A 10 AÑOS).
METODOLOGÍA
LLEVAR A CABO LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO MICROBIOLÓGICO MEDIANTE LA ADICIÓN CONTROLADA DE LÍQUIDOS Y/O LIXIVIADOS.
115
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
F Se acorta el tiempo de generación de biogás → Energéticamente el biogás se aprovecha antes, mayor rentabilidad energética.
VENTAJAS DE LOS VERTEDEROS BIO-REACTORES
F Evita la formación de biogas hasta 30 y 100 años → Reducen al m ínimo los riesgos ambientales para las generaciones futuras asociados a ladescomposición del residuo.
F Se reduce la carga de efecto invernadero →El metano (50-60% del biogás) es cerca de 24,5 veces más potente como gas invernadero que el CO2.
F Se crea espacio adicional de vertido → Se podría potencialmente alargar la vida de un vertedero un 20%.
F Se reduce la presencia de gases tóxicos presentes en el biogás de vertedero
F Se reducen considerablemente los costes de operación y mantenimiento de los sistemas de control posclausura del vertedero (durante 30 años) y del tratamiento de lixiviado (disminución de la concentración de la mayoría de los componentes del lixiviado).
116
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
VOLUMEN ACUMULADO DE METANO A LO LARGO DEL TIEMPO
TIEMPO (años)0 1 2 3
CELDA CONTROL
CELDA BIORREACTOR
RANGO NORMAL ESPERADO
l/kg m.s.
60
50
40
30
20
10
0
117
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
05
10152025
3035404550
0 20 40 60 80 100
AÑO
Met
ano
(m3 /
min
)
Tradicional
Biorreactor
30 después de la clausura
COMPARACIÓN EN LA GENERACIÓN DE BIOGÁS
Vertedero tipo de 1000 t/d que ha operado durante 20 años
118
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EMISIONES DE METANO DE VERTEDEROS DE RU
Fuente: USEPA 2006. Global Anthropogenic Non-CO2. GreenhouseGas Emissions: 1990-2020
119
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EMISIONES DE METANO DE VERTEDEROS DE RU
Fuente: Environmental Protection Agency(USEPA) 2006
120
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EMISIONES DE METANO DE VERTEDEROS DE RU
Fuente: Environmental Protection Agency(USEPA) 2006
121
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
PORCENTAJE DE ASENTAMIENTO A LO LARGO DEL TIEMPO
TIEMPO (años)0 1 2 3 4
CELDA BIORREACTOR
CELDA CONTROL
ASE NTAMIENTO
122
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
RELACIÓN ENTRE EL VERTEDERO CONVENCIONAL Y EL VERTEDERO BIO-REACTOR
PARÁMETROS
VERTEDERO CONVENCIONAL
VERTEDERO BIO-REACTOR
GENERACIÓN Y RECUPERACIÓN DE METANO. CONTROL DE LAS EMISIONES ATMOSFÉRICAS
FUGA DE GASES. RECUPERACIÓN DEL 55-80%. LENTA GENERACIÓN POR ENCIMA DE 20 AÑOS. MENOS EFICIENCIA DE RECOLECCIÓN DEL BOGÁS.
MAYOR EFICIENCIA DE RECUPERACIÓN DEL BIOGÁS LA MAYOR RECUPERACIÓN SE PRODUCEEN UN PERIODO CORTO DE 5 A 10 AÑOS. PERMITE UNA RECUPERACIÓN MÁXIMA EN MENOR TIEMPO
PROLONGACIÓN DE LA VIDA DEL VERTEDERO
0 AÑOS GANADOS
SE ALARGA LA VIDA DE L VERTEDERO EN UN 20%
RIESGOS DE CONTAMINACIÓN DEL LIXIVIADO
DE MEDIO A ALTO (ORGÁNICOS Y METALES) A LARGO PLAZO
MENOR CONCENTRACIÓN DE ORGÁNICOS Y METALES A CORTO PLAZO
123
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
MAYOR RENTABILIDAD ENERGÉTICA
MENOR AFECCIÓN AL MEDIO AMBIENTE
SE REDUCEN LOS COSTOS DE MANTENIMIENTO
DE 30 A 10 AÑOS
CONCLUSIONES ESPERADAS
• Se acelera el proceso degradativo, acortándolo a 10 años.• El biogás tiene un mayor contenido de metano
• Se reduce el efecto invernadero del metano• Se alarga la vida del vertedero en un 20%• Se reduce la presencia de gases tóxicos• Se produce mayor cantidad de biogás
124
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Tuberías Cubierta AlternativaInterna Permeable
Fuente: Waste Management Technology Center, Inc.
SISTEMAS DE INYECCIÓN DE LIXIVIADOS
125
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
VERTEDERO BIORREACTOR
Recuperación de Biogás Tratamiento
del Lixiviado
Recirculación del Lixiviado
Celda Activa del BiorreactorColocación del Residuo en la Celda
126
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
VERTEDERO BIORREACTOR
Recuperación del Biogás
Almacenamientode Lixiviado
Sistema de Inyección de LixiviadoSistema de Recogida de LixiviadoSistema de Extracción de Biogás
Fuente: Waste Management Technology Center, Inc.
127
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
VERTEDERO BIORREACTOR
Adición de Lixiviado/LíquidoExtracci ón de Biogás
Almacenamiento de Líquidos
Extracci ón de Biogás para generar de energía eléctrica
Monitorización del agua subterránea
BiorreactorBiorreactor AnaerobioAnaerobio
128
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Datos de Caracterización del Vertedero/Biorreactor
Diseño del Biorreactor
Construcción del Biorreactor
Operar con el Biorreactor
Recogida y Evaluación de los datos del Biorreactor
DiseñoOptimizado
del Biorreactor
Elementos de Rediseño del Biorreactor
PROCEDIMIENTO DEL ESTUDIO DEL BIOREACTOR
129
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Desgasificación del Parque Forestal de
Valdemingómez
(antiguo vertedero de Madrid)
130
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CARACTERÍSTICAS DEL ANTIGUO VERTEDERO DE VALDEMINGÓMEZ
• El vertedero de Valdemingómez se creó en el año 1978 y fue clausurado en el año 2000
• En este período se han vertido más de 20 millones de toneladas de RSU, 58.000 toneladas de residuos clínicos, se han incinerado 7.000 toneladas de animales muertos y se han recuperado cerca de 160.000 toneladas de material férrico para su reciclaje.
• Se han desarrollado una serie de actuaciones orientadas a la creación de una gran isla verde sobre los terrenos del ya clausurado vertedero de Valdemingómez.
• El sellado, la desgasificación y la valorización energética son algunas de estas actuaciones con las que se ha conseguido un único propósito final: recuperar ambientalmente la zona.
131
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
RESIDUOS DEPOSITADOS EN EL ANTIGUO VERTEDERO DE VALDEMINGÓMEZ (MADRID)
132
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DETALLE DE POZO DE CAPTACIÓN Y SELLADO EN MESETA
133
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
ØCOLOCACIÓN LÁMINAS SINTÉTICAS-Extensión y soldaduras-Sellado cabezales pozos-Comprobación soldaduras
ØRED CONDUCCIÓN BIOGÁS DESDE CABEZALES POZOS HASTA ERM
SELLADO DEL VERTEDERO DE VALDEMINGÓMEZ: MATERIAL EMPLEADO
134
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
SELLADO DEL VERTEDERO DE VALDEMINGÓMEZ: MATERIAL EMPLEADO
• 2.010.000 m³ de tierra.
• 300.000 m³ de grava.
• 1.030.000 m² de láminas de polietileno
de alta densidad.
• 3.090.000 m² de geotextil.
• 2.520.000 m² de geodrenes.
• 53 Km de tuberías y cunetas.
• 17 Km de gaviones y muros.
135
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
DESGASIFICACIÓN
• Para evitar cualquier riesgo que se pueda derivar de las emanaciones gaseosas, se ha ejecutado un proceso de
desgasificación que consiste en:
– La extracción
– Conducción
– almacenamiento
– y alimentación de grupos motogeneradores del biogás acumulado en el vertedero.
• Con la extracción del biogás y su aprovechamiento energético se producirá una reducción de 4,2 millones
de toneladas de CO2.
136
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
• El objetivo: Producir energía eléctrica y reducir la emisión de gases de efecto invernadero procedentes de la descomposición de materiales orgánicos depositados en el vertedero, tal y como se ha desarrollado en el apartado relativo a la desgasificación.
• Equipamiento de las instalaciones:
– 280 pozos de captación
– 140 líneas de entrada de biogás a 10 estaciones de regulación (ERM) dotadas de medidores automáticos para determinar su composición.
– 8 motogeneradores de 2.124 KW
– Una caldera y una turbina de vapor
– Soplantes de la instalación de desgasificación
– Estación de regulación y medida de gas natural (90% biogás y 10% gas natural)
– Instalación de tratamiento del biogás (eliminación H2S).
EQUIPAMIENTO DE LA INSTALACIÓN DE DESGASIFICACIÓN
137
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
POTENCIA INSTALADA
• La potencia eléctrica total instalada es de 18,7 MW que se obtiene del biogás que, tras un acondicionamiento previo, es utilizado como combustible (90% biogás, 10% gas natural) en los motores de cogenaración para producir energía.
• Para optimizar el rendimiento energético de la instalación, el calor residual de los gases de escape de los motores se aprovecha paraalimentar una caldera de recuperación.
• El excedente de biogás que no se emplea para la generación de energía eléctrica es eliminado a través de antorchas de alta temperatura.
138
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Se ha considerado factible la valorización energética del biogás generado, hasta el año 2017.
La máxima cantidad de biogás captable puede alcanzar valores próximos a los 9.000 N/m3.
La potencia eléctrica total instalada es de 18,7 MW (8 grupos
motogeneradores), y se dispone asimismo de un generador de vapor y de turbogenerador para el aprovechamiento del calor de los gases de escape de los motogeneradores (cogeneración).
VALORIZACIÓN ENERGÉTICA
139
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EL VERTEDERO DE VALDEMINGÓMEZ EN CIFRAS
140
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
EL VERTEDERO DE VALDEMINGÓMEZ EN CIFRAS
141
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
ESTUDIO DE MODELOS DE CÁLCULO DE EMISIONES
• Modelo de cálculo de emisiones de gases procedentes de vertederos de RSU propuesto por EPA. LandGEM 3.02.
• Modelo de cálculo de emisiones de gases procedentes de vertederos de RSU propuesto por IPCC. Método “First Order Decay”.
142
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
MODELO EPA
LANDFILL GAS EMISSIONS MODEL
(LandGEM)
ESTUDIO DE MODELOS DE CÁLCULO DE EMISIONES
143
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
MODELO EPA
• El “Landfill Gas Emissions Model” (LandGEM) es una herramienta de estimación automatizada, encuadrada en el programa de cálculo “Microsoft Excel”, utilizada para poder estimar las emisiones producidas en un vertedero de RSU, tanto de biogás, como de cada uno de los gases componentes del mismo como el metano, el dióxido de carbono, los componentes orgánicos que no sean metano y otros tipos de contaminantes atmosféricos que se podrían producir en el mismo, debido a la naturaleza heterogénea de los RSU vertidos.
• El modelo se basa en una ecuación de primer orden donde se estima la cantidad de metano al año que se produce en el vertedero y a partir de la misma, se estiman el resto de las cantidades de emisiones de los demás gases contaminantes.
QCH4=Sni=1S1j=0.1 k L0 Mi/10 (e –ktij)
144
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
• La ecuación cuenta con unos factores de emisión o parámetros
esenciales en la misma, ya que proporcionan la información adecuada para poder estimar con m ás precisión la cantidad y tipo de emisiones que se forman en un vertedero de RSU.
• Estos parámetros incluyen factores tan importantes en la producción de biogás como pueden ser la humedad, la
temperatura, la cantidad de nutrientes disponibles para los microorganismos, el pH, la composición de los RSU, la presencia de residuos peligrosos… ya que la formación de biogás se basa
en reacciones biológicas anaerobias, en las que los factores ambientales externos influyen de una manera importante.
MODELO EPA
145
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
• El modelo utiliza dos tipos de factores de emisión por defecto: la k (constante de generación de biogás) y la L0 (potencial de generación de biogás). La primera está influida por la temperatura, humedad, disponibilidad de nutrientes para los microorganismos y el pH y la segunda, por el tipo y la composición de los RSU.
• Los factores por defecto son los basados en:
1. Factores de la CAA (Clean Air ACT) : Basado en normativa de EEUU (regulaciones federales de vertederos de RSU) expuestas en la Ley de “aire limpio” (Clean Air Act). Determina si el vertedero en cuestión cumple los requerimientos de control expuestos en la Ley.
2. Factores de inventario: Basado en los factores de emisión de la AP-42 ( “Compilation of Air Pollution Emission Factors) de la EPA (U.S Environmental Protection Agency) y se utiliza para obtener un inventario de estimaciones de las emisiones cuando no se dispone de datos calculados.
• Estos últimos son los que la EPA recomienda para estimar emisiones y realizar un inventario de las mismas, de un modo general, pudiéndose extrapolar a las condiciones normales que se dan en cualquier vertedero de RSU.
MODELO EPA
146
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
• También se da la opción de poder introducir estos factores de emisión estimados con los datos del vertedero sobre el que se quieran estimar sus emisiones. Esta opción sería la más acertada, ya que se tendr ían en cuenta las características y factores ambientales del vertedero en concreto, que como se ha comentado anteriormente, son tan importantes tenerlas en cuenta para poder conocer de un modo más fidedigno la cantidad de biogás, y de los gases que lo componen, que se generan en un vertedero.
• En este modelo, por primera vez, se tienen en cuenta factores de emisión para vertederos en los que se da la recirculación de sus lixiviados, ya que las condiciones serían distintas al resto de vertederos convencionales, en particular, en lo referente a la humedad. Es decir, existen tres tipos de parámetros para el tipo de factores de emisión de “inventario” que son el convencional, el de zona árida y el de vertedero con recirculación de lixiviados.
MODELO EPA
147
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
• Los datos que requiere el landGEM para estimar las emisiones que se van a producir en un vertedero de RSU, son básicamente el año de apertura, el de clausura y la cantidad anual de RSU depositados, así como los parámetros con los que desea estimar, L0 y k por defecto o calculándolas con los datos caracter ísticos de cada instalación y los gases contaminantes que se desee estimar.
• Si se desconoce el año de clausura el landGEM lo calcula, teniendo en cuenta la cantidad de RSU anual que se introduzca y la capacidad total calculada del vertedero, el modelo asume que la última cantidad de RSU que se ha introducido ser á la misma hasta el final de la vida del vertedero y así, sabiendo la capacidad del mismo puede calcular el año de clausura.
MODELO EPA
148
ITE. MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES. MÓDULO BIOMASA. 2008
DESGASIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DE VERTEDERO NelyCarreras
• El modelo limita a 80 años la vida del vertedero y estima el modelo de las emisiones que se producen en el mismo sólo en 80 años, es decir, para estimar las emisiones sólo tiene en cuenta los datos de entrada de RSU hasta los 80 años, considerado año de clausura, aunque la capacidad del mismo confirme que puede tener m ás vida.
• Si se puede seguir introduciendo RSU tras los 80 años, el landGEM se encargará de hacer otro modelo para poder capturar el total de las emisiones con los datos de cantidad de RSU introducidos; la hoja de cálculo de “METANO” informa de la cantidad total de RSU que hay al final de los primeros 80 años y la capacidad que queda, estos valores son utilizados para la estimación de las emisiones en el segundo modelo. En la hoja de cálculo de “RESULTADOS” aparecen las emisiones de los dos modelos, las cuales se pueden sumar para así poder obtener el total de emisiones que se producen en el vertedero.
MODELO EPA
149
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Proyecto: Estudio teórico del biogás generado y captable
Modelo EPA: Modelo LandGEM (Landfill Gas Emissions Model)
Ecuación de primer orden: QCH4= ∑ ∑ kLoMi / 10 (e )
Siendo: K= constante de generación de gasLo= potencial de generación de gasMi= cantidad de residuos depositadas en el año (toneladas)
La ecuación cuenta con unos parámetros que proporcionan la información adecuada para poder estimar con precisión la cantidad y tipo de emisiones que se forman en un vertedero.
El modelo utiliza dos tipos de factores:K: constante de generación de biogás, se encuentra influenciada por T, H, pH y disponibilidad de nutrientesLo: Se encuentra influenciado por el tipo y la composición de RSU.
i=1n 1
j=0,1-kt
ij
150
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Caso práctico: Estudio teórico del biogás generado en un vertedero. Modelo EPA
Para estimar las emisiones que se van a producir en un vertedero de RSU, básicamente hay que introducir en el modelo los valores de
- año de apertura- año de clausura- cantidad anual de RSU depositadas- parámetros con los que se desea estimar Lo y Kousando los valores por defecto y los gases contaminantes que se desee estimar.
Si se desconoce el año en que se clausuró, si se tiene en cuenta la cantidad de RSU anual y la capacidad total calculada del vertedero, el modelo asume que la última cantidad de RSU que se ha introducido serála misma hasta el final de la vida útil del vertedero y as í se puede calcular el año de clausura.
151
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
Caso práctico: Estudio teórico del biogás generado en un vertedero. Modelo EPA
Para estimar las emisiones que se van a producir en un vertedero de RSU, básicamente hay que introducir en el modelo los valores de
- año de apertura- año de clausura- cantidad anual de RSU depositadas- parámetros con los que se desea estimar Lo y Kousando los valores por defecto y los gases contaminantes que se desee estimar.
Si se desconoce el año en que se clausuró, si se tiene en cuenta la cantidad de RSU anual y la capacidad total calculada del vertedero, el modelo asume que la última cantidad de RSU que se ha introducido serála misma hasta el final de la vida útil del vertedero y as í se puede calcular el año de clausura.
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Biogás de Vertederos. Nely Carreras
El modelo consta de 9 hojas de c álculo:1. Introducción: Proporciona una visión general del modelo e instrucciones
para manejarlo.2. Entrada de datos: Se introducen los datos que solicita el modelo, tales
como las características del vertedero, los factores de emisión a utilizar, los contaminantes a estimar y la cantidad de residuos aceptados por año.
3. Contaminantes: Permite introducir datos de concentraciones umbral y añadir 10 contaminantes más.
4. Revisión de la entrada de datos: Permite a los usuarios revisar los datos introducidos.
5. Metano: Calcula la estimación de la cantidad de metano usando una ecuación de primer orden.
QCH4=Sni=1S1
j=0.1 k L0 Mi/10 (e – ktij)
MODELO EPA
153
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
MODELO EPA
6. Resultados: Muestra las estimaciones de las emisiones de los
contaminantes seleccionados y lo hace en varias unidades
7. Gráficos: Muestra los gráficos de las concentraciones de los
contaminantes (biogás total, CH4, CO2, NMOC) a lo largo del tiempo.
8. Inventario: Muestra los datos de las emisiones de todos los contaminantes,
del año en el que se realiza el registro, en distintas unidades.
9. Relación de datos : Es un resumen de todo el proceso del modelo, donde se
pueden observar los datos de entrada, los resultados, los
gráficos…donde se puede observar con facilidad y de una forma
integrada todo el informe, lo que permite una mejor relación de los
datos y parámetros que intervienen, para poder as í tener una visión
más clarificadora del modelo.
154
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
MODELO EPA
155
Biogás de Vertederos. Nely Carreras
CURSO
INTRODUCCIÓN A LA GESTIÓN DE
VERTEDEROS Complejo Medioambiental de la Costa del Sol
Casares-Málaga(16-17 de Junio de 2010)
Biogás de Vertederos
Nely Carreras