ESTUDIODEVIABILIDADDEUNAPLANTADEBIOGÁS

Elaboradopor:

  

  1

ÍNDICE1. Introducción .................................................................................................................... 2 

1.1 Importancia de los restos vegetales en la Región de Murcia ............................. 2 

1.2 Marco Legal… ...................................................................................................... 4 

1.2.1 Legislación de la UE .................................................................................... 4 

1.2.2 Legislación nacional .................................................................................... 5 

1.2.3 Legislación autonómica .............................................................................. 7 

1.3 Objetivo .............................................................................................................. 7 

2. Digestión anaerobia ........................................................................................................ 7 

2.1 Definición. ........................................................................................................... 7 

2.2 Influencia de los parámetros ambientales y operacionales. ............................ 10 

2.3. Tecnologías de digestión anaerobia. ............................................................... 14 

2.3.1. Digestores discontinuos .......................................................................... 14 

2.3.2. Digestores continuos ............................................................................... 15 

2.3.3. Digestores de tercera generación ........................................................... 16 

3. Uso del biogás y derivados. ........................................................................................... 18 

3.1 Aplicaciones del biogás. .................................................................................... 19 

4. Caracterización de subproductos vegetales. ................................................................ 22 

4.1 Potenciales y rendimientos del biogás. ............................................................ 23 

4.1.1 Propiedades del biogás ............................................................................. 26 

5. Descripción del proceso de obtención del biogás. ....................................................... 29 

5.1 Proceso Productivo. .......................................................................................... 29 

5.1.1 Alimentación: Pretratamiento y depósito ................................................ 30 

5.2 Codigestión. ...................................................................................................... 30 

6. Estudio viabilidad económica. ...................................................................................... 32 

6.1 Datos de partida ............................................................................................... 33 

6.2 Equipos. ............................................................................................................ 35 

6.3 Estudio económico ........................................................................................... 35 

7. Conclusiones ................................................................................................................. 38 

7.1 Ventajas del proceso anaeróbico. .................................................................... 40 

 

  

  2

1.Introducción

El proyecto LIFE+ AGROWASTE trata de ayudar a las empresas detransformados vegetales en la apuesta por la valorización de sus residuos ysubproductosutilizandotecnologíaslimpiasyparaellosehanunidoelCentrodeEdafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS‐CSIC), el Centro TecnológicoNacionalde laConservayAlimentación (CTC)y laAgrupacióndeConserverosyEmpresasdeAlimentacióndeMurcia,AlicanteyAlbacete(AGRUPAL).

HastaelmomentoeltrabajodesarrolladohapuestodemanifiestoqueenlaRegión de Murcia se generan más de 500.000 toneladas anuales de desechosorgánicos,cuyodestinoeslaalimentaciónanimal,enmayormedida,aportandounvaloreconómiconuloomínimoparalasempresas,siendolasindustriasdecítricosydealcachofaaquellasqueaportanunamayorcantidaddesubproductosaltotal.

El proyecto incluye experiencias de valorización agrícola y energética dediversos subproductosparademostrarque losdesechosagroalimentarios tienenunusomedioambientalyeconómicamenteinteresanteparalasempresas.Porotrolado,tambiénsellevaacabolaextraccióndecompuestosdeinterésdediferentessubproductos como una alternativa para dar salida a los mismos y obtener unrendimiento económico dentro del propio sector, ya que el uso de compuestosbioactivos extraídos de fuentes naturales para la elaboración de alimentosfuncionales, o con propiedades interesantes para alargar la vida útil de unproductopuedeabrirnuevosmercadosconinversionesrazonables.

Estaúltimalíneadetrabajoapoyalaelaboracióndeesteestudioparaponerde manifiesto la viabilidad técnico‐económica de la valorización de los restosvegetales.

Enconcreto,elobjetivodeesteestudioeslaobtencióndeuncompuesto,la

pectina, presente en los restos de limón y que esmuy interesante para algunasaplicacionesenalimentos.

1.1ImportanciadelosrestosvegetalesenlaRegióndeMurcia

LaRegióndeMurciacuentaconunaimportanteindustriaenelsectordelostransformadosvegetalesconungranvolumendeproducciónanivelnacional.Estevolumen conlleva la generación de grandes cantidades de residuos fruto delprocesadodelosalimentos,quecarecendevaloreconómicoysueliminaciónesuncostequerepercuteenelincrementodelpreciofinaldelosproductos.

  

  3

Los residuos generados son diferentes según el tipo de materia primaprocesadayelprocesoquehayansufrido.EnMurciasegeneragranvariedaddedesechos,puesenestaregiónsetrabajaconmuchostiposdefrutasyhortalizasyenalgunoscasossetrabajadeformadiferenteconlamismamateriaprima,loquegeneratiposdedesechodistintos.

Tabla1.‐ResumendeFrutasyHortalizascultivadasenlaRegióndeMurcia.

FRUTAS HORTALIZAS

ALBARICOQUEMELOCOTÓNNECTARINACEREZACIRUELAPERA

MANZANAFRESA

GRANADAHIGOUVA

SANDÍAMELÓNNARANJALIMÓN

MANDARINAPOMELO

ALCACHOFAPIMIENTOBRÓCOLICOLIFLORAPIO

CEBOLLACOL

BERENJENACALABACÍNESPÁRRAGOESCAROLATOMATEENDIVIANABOPEPINORÁBANO

Actualmentelagestióndeestosresiduosenlamayoríadelasempresassesiguedesarrollandomediante lacesiónde losdesechosa losganaderosparaqueestos luego lo viertan sin ningún tratamiento previo al suelo para alimentaciónanimal; esto es algo que conlleva efectos negativos derivados de la oportunidadperdidaenelaprovechamientodematerialesqueposeencaracterísticasyvalorespotencialmenteútiles;aspectoquedebesolucionarse.Obien,enelcasoconcretode los huesos (que se generan en menores cantidades), se comercializan comobiocombustiblessólidos.

Paradarunasalidaviablealagrancantidaddematerialesdedesechoque

segeneranenestasindustriassehadebuscartecnologíasdevalorizaciónqueseancapaces de transformar estos subproductos en recursos creando un beneficioeconómicoparalasempresas.

  

  4

1.2MarcoLegalLapresenterelacióndenormasreferentesalaobtenciónycomercialización

delbiogásenrelaciónconelsectoragrícolanopretendeserexhaustiva,sinodarunavisiónclaradelmarcolegislativoenEuropayenEspaña,ydeunamaneramásfocalizadaenlaRegióndeMurcia.

1.2.1 LegislacióndelaUE‐ Ley24/2013,de26dediciembre

‐ Directiva2009/28/CEdelParlamentoEuropeoydelConsejo,de23deabrilde2009, relativaal fomentodelusodeenergíaprocedentedefuentes renovables y por la que se modifican y se derogan lasdirectivas 2001/77/CE y 2003/30/CE. Corrección de errores de laDirectiva2009/28/CEdelParlamentoEuropeoydelConsejo,de23deabrilde2009,relativaalfomentodelusodeenergíaprocedentedefuentes renovables y por la que se modifican y se derogan lasDirectivas2001/77/CEy2003/30/CE(DOL140de5.6.2009).

‐ Directiva2008/98/CEdelParlamentoEuropeoydelConsejo,de19denoviembre de 2008, sobre los residuos y por la que se derogandeterminadasDirectivas.

‐ Reglamento (CE) Nº 185/2007 de la Comisión, de 20 de febrero de2007, por el que semodifican losReglamentos (CE)nº809/2003y/CE) nº 810/2003 en lo relativo a la validez de las medidastransitoriasparalasplantasdecompostajeybiogáscontempladasenel Reglamento (CE) nº 1774/2002 del Parlamento Europeo y delConsejo.

‐ Reglamento (CE) Nº 208/2006 de la Comisión, de 7 de febrero de2006, por el que semodifican los anexos VI y VIII del Reglamento1774/2002 del Parlamento Europeo y del Consejo, en lo que serefiere a lasnormasde transformaciónpara lasplantasdebiogásycompostajeylascondicionesaplicablesalestiércol.

‐ Reglamento (CE) nº209/2006 de la Comisión, de 7 de febrero de2006, por el que semodifican losReglamentos (CE) nº809/2003 y(CE) nº810/2003 en lo relativo a la validez de las medidastransitoriasparalasplantasdecompostajeybiogáscontempladasenel Reglamento (CE) nº1774/2002 del Parlamento Europeo y delConsejo.

  

  5

‐ Reglamento (CE) núm. 1069/2009 del Parlamento Europeo y delConsejo, de 21 de octubre de 2009, por el que se establecen lasnormas sanitarias aplicables a los subproductos animales y losproductosderivadosnodestinadosalconsumohumano.

‐ Directiva2009/73/CEdelparlamentoeuropeoydelconsejode13dejuliode2009sobrenormascomunesparaelmercadointeriordelgasnaturalyporlaquesederogalaDirectiva2003/55/CE.

‐ Reglamento(CE)No270/2007delacomisiónde13demarzode2007que modifica el Reglamento (CE) no 1973/2004, por el que seestablecen las disposiciones de aplicación del Reglamento (CE) no1782/2003delConsejoenloquerespectaalosregímenesdeayudaprevistos en los títulos IV y IV bis de dicho Reglamento y a lautilización de las tierras retiradas de la producción con vistas a laobtencióndemateriasprimas

‐ Reglamento(CE)No92/2005delacomisiónde19deenerode2005porelqueseaplicaelReglamento(CE)no1774/2002delParlamentoEuropeo y del Consejo en lo que se refiere a los métodos deeliminaciónoalautilizacióndesubproductosanimalesysemodificasu anexo VI en lo concerniente a la transformación en biogás y latransformacióndelasgrasasextraídas.

‐ DirectivaEuropea2003/54/CE

1.2.2Legislaciónnacional

‐ 30/06/2010‐ Plan de Acción Nacional de Energías Renovables deEspaña (PANER) 2011‐2020. La Directiva de 2009/28/CE delParlamentoEuropeoydelConsejo,de23deabrilde2009,relativaalfomento del uso de energía procedente de fuentes renovables,establece la necesidad de que cada Estado miembro elabore ynotifiquealaComisiónEuropea(CE),amástardarel30dejuniode2010, unPlandeAcciónNacional deEnergíasRenovables (PANER)para el periodo 2011‐2020, con vistas al cumplimiento de losobjetivosvinculantesquefijalaDirectiva.

‐ Ley22/2011,de28dejulio,deresiduosysueloscontaminados.

‐ Resolucion de 21 de diciembre de 2012, de la Direccion General dePolitica Energética yMinas, por la que se modifica el protocolo de

  

  6

detallePD‐01“Medición,CalidadyOdorizacióndeGas”delasnormasdegestiontecnicadelsistemagasista.

‐ Ley16/2002,de1de julio,deprevenciónycontrol integradosde lacontaminación.

‐ Orden MAM/304/2002, de 8 de febrero, por la que se publican lasoperaciones de valorización y eliminación de residuos y la listaeuropea de residuos. (BOE nº 43 de 19/02/2002). Corrección deerroresde laOrdenMAM/304/2002,de8de febrero,por laquesepublican las operaciones de valorización y eliminación y la listaeuropeaderesiduos(BOEnº61,12/03/02).

‐ OrdenITC/3801/2008,de26dediciembre,por laqueserevisan lastarifaseléctricasapartirde1deenerode2009.

‐ Orden ITC/3353/2010,de28dediciembre,por laqueseestablecenlos peajes de acceso a partir de 1 de enero de 2011 y las tarifas yprimasdelasinstalacionesdelrégimenespecial.

‐ RealDecreto‐ley1/2012,de27deenero,por el que seprocedea lasuspensióndelosprocedimientosdepreasignaciónderetribuciónyalasupresiónde los incentivoseconómicosparanuevasinstalacionesdeproduccióndeenergíaeléctricaapartirdecogeneración, fuentesdeenergíarenovablesyresiduos.

‐ OrdenITC/3519/2009,de28dediciembre,por laqueserevisanlospeajesdeaccesoapartirde1deenerode2010ylastarifasyprimasde las instalaciones de Régimen Especial. Ministerio de IndustriaTurismoyComercio.

‐ Ley26/2007,de23deoctubre,deResponsabilidadMedioambiental

‐ Seconsideranactividadesliberalizadas:Comercialización,Generacióne intercambios internacionales. Se mantienen como actividadesreguladaeltransporteydistribución.

‐ Real Decreto‐ley 9/2013, de 12 de julio, por el que se adoptanmedidas urgentes para garantizar la estabilidad financiera delsistemaeléctrico.

‐ Ley24/2013,de26dediciembre,delSectorEléctrico.

‐ OrdenIET/221//2013,de14defebrero,porlaqueseestablecenlospeajesdeaccesoapartirde1enerode2013ylastarifasyprimasdelasinstalacionesdelregimenespecial.

  

  7

‐ RealDecreto‐Ley2/2013,de1defebrero,demedidasurgentesenelsistemaelecticoyenelsectorfinanciero.

1.2.3Legislaciónautonómica

‐ Ley13/2007,de27dediciembre,demodificaciónde laLey1/1995,de 8 de marzo, de protección del medio ambiente de la Región deMurcia, y de la Ley 10/2006, de 21 de diciembre, de EnergíasRenovablesyAhorroyEficienciaEnergéticadelaRegióndeMurcia,paralaadopcióndemedidasurgentesenmateriademedioambiente.

‐ RealDecreto1823/2009,de27denoviembre,porelqueseregulalaconcesióndirecta de una subvención a las comunidades autónomaspara laejecuciónurgentedeactuacionesparaelcumplimientode lalegislación de vertederos, incluyendo la clausura de vertederosilegales y la captación de biogás en vertederos, y otras actuacionescomplementarias.

1.3Objetivo

Elobjetivobuscadohasidovalorarlaviabilidadtécnicayeconómicadeladigestión anaerobia de los restos vegetales de industrias de transformados,evaluandolaproduccióndebiogásdeestosrestos.

Con esto se pretende mejorar el rendimiento energético y la calidad delbiogásproducido,yaquelosrestosvegetalestienenunacapacidadenergéticamuysuperioraloslodosdedepuradorauotroselementos.

Los subproductos procedentes de industrias de transformados vegetalessonrestosconungranpotencialdevalorización.Lascaracterísticasdeestosrestosloshacenmuyadecuadosparasuaprovechamientoenergético.

El aprovechamientode los restos comopotencial energéticoesuna salidamuyviablepara lagrancantidaddesubproductosquesegeneranenMurcia.Enestaregiónsegenerangrancantidadderestosconaltopotencialenergéticoyestatecnologíadevalorizaciónpuedeconseguir laobtencióndeunbeneficiopara lasempresasqueluegoredundeenlosconsumidores.

2.Digestiónanaerobia

2.1Definición

  

  8

La digestión anaerobia es un proceso microbiológico y bioquímico muy

complejo tantoporelnúmerode reaccionesbioquímicasque tienen lugar, comoporlacantidaddegrupodebacteriasinvolucradasenellas.Dehecho,muchasdeestasreaccionesocurrendeformasimultánea.

Elprocesodedegradacióndelamateriaorgánicasedivideencuatroetapas:

a)Hidrólisis.

b)Etapafermentativaoacidogénica.

c)Etapaacetogénica.

d)Etapametanogénica.

La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas(proteínas, hidratos de carbono y lípidos) que son hidrolizadas por enzimasextracelulares producidas por losmicroorganismosacidogénicoso fermentativos.Como resultado se producen compuestos solubles más sencillos (aminoácidos,azucaresyácidosgrasosdecadena larga)queson fermentadospor lasbacteriasacidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos de cadena corta,alcoholes, hidrogeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios. Losácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno ydióxidodecarbonomediantelaaccióndelasbacteriasacetogénicas.Porúltimo,lasbacteriasmetanogénicas producenmetano (CH4) a partir del ácido acético, H2 yCO2.

Las bacterias responsables de este proceso son anaeróbicas estrictas. Sedistinguen dos tipos de microorganismos, los que degradan el ácido acético ametano y dióxido de carbono (bacteriasmetanogénicas acetoclásticas) y los quereducen el dióxido de carbono con hidrógeno a metano y agua (bacteriasmetanogénicashidrogenófilas).

EnlaFigura1semuestraesquemáticamentelasdistintasfasesdelproceso

de digestión anaerobia, las bacterias que intervienen en cada una de ellas y losproductosintermediosgenerados.

  

  9

Figura 1.‐ Esquema de reacciones de digestión anaerobia de materiales poliméricos. (Fuente:AdaptadodePavlostathis,S.G.,Giraldo‐Gómez,E.1991)

Como se observa, el metano no es el único gas que se produce en ladegradación de la materia orgánica en condiciones anaerobias, se trata de unamezcla de gases conocida como biogás. Está compuesto por un 60% demetano(CH4), un 38%de dióxido de carbono (CO2) aproximadamente y trazas de otrosgases(Tabla2).Lacomposiciónoriquezadelbiogásdependedelsustratodigeridoydelfuncionamientodelproceso.

Tabla2.‐Composiciónquímicadelbiogás.

Compuesto Concentración(%)

Metano(CH4) 50‐70DióxidodeCarbono(CO2) 30‐50Hidrogeno(H2) 1‐10Nitrógeno(N2) <3Oxigeno(O2) <0.1ÁcidoSulfhídrico(H2S) 0–8000ppm

En principio, el biogás puede ser utilizado en cualquier tipo de equipocomercial para uso de gas natural, por ejemplo en aplicaciones como:cogeneración, quemadores, estufas, infrarrojos, iluminación,motores, generacióndeelectricidad,calor,potenciamecánica…

  

  10

Otro producto final, a parte del biogás es el denominadodigerido, que sepuede decir que es la mezcla del lodo ya digerido y la biomasa microbianaproducida. Durante el proceso anaerobio parte de la materia orgánica setransformaenbiogás,porloqueelcontenidoenmateriaorgánicaesmenorqueelde la alimentación. Se trata, además, de un producto más mineralizado yestabilizado que el influente, con lo que normalmente aumenta el contenido denitrógenoamoniacalydisminuyeelnitrógenoorgánico.

2.2InfluenciadelosparámetrosambientalesyoperacionalesPara que pueda desarrollarse el proceso de digestión anaerobia se deben

mantener unas condiciones ambientales y operacionales adecuadas, para ello secontrolan diversos parámetros. Entre los más importantes caben destacar lossiguientes: nutrientes, temperatura, pH, contenido en sólidos, tiempo deresidencia,presenciadecompuestosinhibidoresdelprocesoyagitación.

1. Temperatura

Amedidaqueaumentalatemperatura,aumentalavelocidaddecrecimientodelosmicroorganismosyseaceleraelprocesodedigestióndandolugaramayoresproducciones de biogás. La temperatura de operación en el digestor, estáconsiderada uno de los principales parámetros de diseño, ya que variacionesbruscas de temperatura en el mismo, pueden provocar desestabilización en elproceso.

Sedistinguendosrangos fundamentalmente,elrangomesófilo (entre25y45ºC)ytermófilo(entre45y65ºC).Elrangomesófiloeselmásutilizadoapesarde que cada vezmás se está utilizando también el termófilo para conseguir unamayor velocidaddel proceso y unamejor eliminaciónde organismospatógenos.Sinembargo,elrangotermófilosuelesermásinestableacualquiercambioenlascondicionesdeoperaciónypresentaademásmayoresproblemasdeinhibicióndelprocesoporlasensibilidadaalgunoscompuestos,comoelamoniaco.

2. pH

Esunode losparámetrosdecontrolmáshabitualesdebidoaqueencadafasedelprocesolosmicroorganismospresentanmáximaactividadenunintervalode pH diferente. Así, el intervalo de pH óptimo de los microorganismos debemantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones entre 6,5 y 7,5. Suvalor en el digestor no solo determina la producción de biogás sino también sucomposición.

  

  11

3. Alcalinidad

Laalcalinidadesunamedidadelacapacidadtampóndelmedio.Puedeserproporcionada por un amplio rango de sustancias, siendo por tanto unamedidainespecífica. En el rango de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico quecontrola la alcalinidad es el dióxido de carbono‐bicarbonato. Para asegurar lacapacidad tampón y evitar la acidificación es recomendable una alcalinidadsuperiora1,5g/lCaCO3.

La relación de alcalinidad se define como la relación entre la alcalinidaddebidaalosácidosgrasosvolátiles(AGV)yladebidaalbicarbonato(alcalinidad),recomendándosenosobrepasarunvalorde0,3‐0,4paraevitarlaacidificacióndelreactor

4. Potencialredox

Losvaloresrecomendableshandeserinferioresa‐350Mv

5. Elcontenidoennutrientes

Unadelasventajasinherentesalprocesodedigestiónanaerobiaessubajanecesidad de nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad decrecimiento.Elcarbonoyelnitrógenosonlasfuentesprincipalesdealimentodelas bacterias formadoras de metano. Por tanto, la relación Carbono/Nitrógeno(C/N) tieneunagran importanciaparaelproceso fermentativo recomendándoseun ratio 20‐30 como el óptimo. El proceso necesita, además de una fuente decarbono y energía, la presencia de una serie de nutrientes minerales comonitrógeno,azufre,fósforo,potasio,calcio,magnesio,etc.

6. Lapresenciadetóxicoseinhibidores

Lassustancias inhibidorassoncompuestosquebienestánpresentesenelresiduo antes de su digestión o bien se forman durante el proceso fermentativoanaerobio. Estas sustancias reducen el rendimiento de la digestión e inclusopuedenllegaracausarladesestabilizacióncompletadelproceso.

Existen una gran cantidad de sustancias que pueden inhibir la digestión

anaeróbica.Entreellos,cabedestacareloxígeno,aunquesuefectoinhibidornoespermanente, ya que en la flora bacteriana existen microorganismos que iránconsumiendoeloxígenoquepuedatenerelmedio.Asimismo,silabiomasaesricaennitrógeno,sepuedeproducirunexcesodeamoniacoqueinhibeelproceso.

  

  12

Otros inhibidores son los metales pesados, que actúan sobre losmicroorganismos metanogénicos. Además, algunas sustancias orgánicas, comoantibióticos y detergentes en determinadas concentraciones, pueden inhibir elproceso.Porúltimo,unaconcentraciónelevadadeácidosvolátilespuedeproducirunefectoinhibidor.

EnlaTabla3serepresentanlosvaloresdeconcentracióninhibidoradelos

inhibidoresmáshabituales.Estosvaloressonorientativos,yaquelasbacteriassepuedenadaptarconeltiempoalascondicionesmásdesfavorables.Tabla3.‐Valoresdelasconcentracionesdeinhibidorescomunes(GTZGmbh,1999).

INHIBIDORES CONCENTRADORINHIBIDORA(mg/ml)

SULFURO(comoazufre) 200Cobre(Cu) 10‐250Cromo(Cr) 200‐2000Cinc(Zn) 350‐1000Níquel(Ni) 100‐1000

CN 2Sodio(Na) 8000Calcio(Ca) 8000

Magnesio(mg) 3000

7. Agitación

Haydiferentesmotivosparamantenerungradodeagitaciónadecuadoenelmedio de digestión: mezclado y homogeneización del substrato, distribuciónuniforme de calor para mantener la temperatura homogénea, favorecer latransferencia de gases y evitar la formación de espumas o la sedimentación. Laagitación puede ser mecánica o neumática a través del burbujeo de biogásrecirculadoalapresiónadecuada.Enningúncasodebeserviolenta,yaquepodríadestruirlosagregadosdebacterias.

Enfuncióndelatipologíadereactordebetransferirsealsistemaelniveldeenergíanecesarioparafavorecerlatransferenciadesubstratoacadapoblaciónoagregados de bacterias, así como homogeneizar paramantener concentracionesmediasbajasdeinhibidores.

8. Tiempoderetenciónhidráulico(TRH)Es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el

tiempomediodepermanenciadelinfluenteenelreactor,sometidoalaacciónde

  

  13

losmicroorganismosparaalcanzarlosnivelesdeenergíay/oreduccióndelacargacontaminantequesehayanprefijado:

EnlaFigura2seindicalatendenciageneraldelosíndicesdeeliminacióndemateria orgánica (expresada en forma de sólidos volátiles, SV) y de producciónespecífica de gas, por unidad de volumen de reactor, en función del tiempo deretención.

Figura 2.‐ Eliminación de sólidos volátiles, SV (%) y producción volumétrica de gas Pv (m3

biogás/m3dig·día)paraunreactoranaerobiocontinuodemezclacompleta,enfuncióndeltiempoderetenciónhidráulico.Fuente:IDAE.

Este parámetro está íntimamente ligado con el tipo de substrato y latemperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará unadisminución en los tiempos de retención requeridos y, consecuentemente, seránmenores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinadovolumendematerial.

9. Cargaorgánicavolumétrica(COV).

La velocidad de carga orgánica, OLR en inglés. Es la cantidad demateriaorgánicaintroducidaporunidaddevolumenytiempo.Valoresbajosimplicanbajaconcentraciónenelinfluentey/oelevadotiempoderetención.ElincrementoenlaOLRimplicaunareducciónenlaproduccióndegasporunidaddemateriaorgánica

  

  14

introducida (ver Figura 3), debiendo encontrar un valor óptimotécnico/económicoparacadainstalaciónyresiduoatratar.

17

Figura3.‐ Producción de gas por unidad de carga en función de la velocidad de carga orgánica(OLR),paralosdatosdelaFigura5.Fuente:IDAE.

2.3Tecnologíasdedigestiónanaerobia

2.3.1Digestoresdiscontinuos

También llamados sistemas de “primera generación”. La característica

principal de este grupo de fermentadores es, como su propio nombre indica, lacarga discontinua, la cual se efectúa de una vez y se inocula con biomasamicrobiana de la digestión precedente para favorecer el arranque de lafermentación. Estos digestores se han diseñado preferentemente para tratarresiduos orgánicos con alto contenido en sólidos y, por tanto, los periodos deretención hidráulica son bastante prolongados. Dentro de este sistema seencuentran losdigestoresde tipo familiardeChinayde la Indiausadosdesde laantigüedad.

Uno de los problemas que presenta esta tecnología, es la produccióndiscontinuadebiogásy,conobjetodeeliminarenloposibleesteinconveniente,lasinstalacionessehanproyectadodividiendolacapacidadtotaldedigestiónentresomásfermentadores,loscualesfuncionandeunamaneraescalonada,parasolapar

  

  15

las curvas de producción de biogás y obtener una curva integral de producciónuniformedecombustible.

ActualmenteestetipodereactoressontípicoseneltratamientodeFORSU(FracciónOrgánicadeResiduosSólidosUrbanos).

2.3.2.Digestorescontinuos

Estos nuevos tipos de digestores de “segunda generación”, presentan en

común la particularidad de obtener un flujo continuo de biomasa activa en suinterior.Enestegruposeincluyeunaampliagamadedigestoresdesarrolladosconobjeto de alcanzar una mejora en la producción energética. Las principalestecnologíasdeestetipoexistentesenelmercadoson:

a) Mezclacompleta (Figura4).‐Constituyen la tecnologíamásclásicaparaeltratamiento de todo tipo de residuos orgánicos semi‐sólidos. Sucaracterística principal es que la biomasa se elimina periódicamente amedida que lo hace el residuo orgánico digerido. Esta mecánica defuncionamiento no permite una alta concentración de bacterias en elinterior del digestor y, por tanto, la producción de biogás por unidad devolumendeldigestoresreducida.

Figura4.‐Esquemadedigestordemezclacompleta(I.‐Influente;E.‐Efluente,G.‐Biogás).Fuente:

MonografíaINIA.

b) Flujo‐pistón(Figura5).‐Sebasaneneldesplazamientohorizontalatravés

de una sección longitudinal, del sustrato a digerir, mezclándosemínimamenteenestesentido,pueslasdistintasseccionestienenestadosdefermentación diferentes. Son aptos para el tratamiento de residuos conelevadamateriaensuspensión.

  

  16

Figura5.‐Digestorflujo–pistón.Fuente:IDEA

c) Contactoorecicladodelodos(Figura6).‐Unodelosproblemasimportantesquesepresentanenlosdigestoreshastaahoramencionadosesel“arrastre”de microorganismos por el efluente desde el interior del digestor. Lapérdidadebiomasabacterianainfluyenegativamenteenelrendimientodeladigestión.En losdigestoresde contacto seprocede a realizarunadecantaciónde labiomasa arrastrada por el efluente, para introducirlos de nuevo en elinterior del digestor, con lo que se consigue una mayor poblaciónmicrobianaactiva,queposibilitaunadisminucióndeltiempoderetención.

Figura6.‐Esquemadeunsistemadetratamientoanaerobiodecontacto(I.‐Influente;E.‐Efluente,

G.‐Biogás).Fuente:MonografíaINIA

2.3.3Digestoresdetercerageneración

En este grupo se incluye una generación de digestores que se han

desarrolladoen losúltimosañosyquetienencomoobjetivocomún,aumentar laconcentraciónde labiomasaactivaparaaumentarel rendimientoenergéticoporunidad de volumen del digestor. Sin embargo, este tipo de digestores, por su

  

  17

configuración,seutilizanprincipalmenteparalíquidos.Muchosdeellosnoseríanaplicablespararesiduossólidos.

a) FiltroanaerobioLa disminución del arrastre se logra al introducir dentro del digestor un

lecho o soporte encargado de que sobre él se fijen los microorganismos. Lossoportes más utilizados actualmente son de tipo plástico (poliuretano y PVC) osilicatos(vermiculita,bentonitaysepiolita).

Los filtros anaerobios permiten altas sobrecargas sin disminuciónapreciable en su eficacia. El inconveniente es que no toleran apenas sólidos ensuspensiónquecolmatanlamatriz,siendosóloadecuadospararesiduossolublesybastantediluidos.Lafigura7muestraunesquemadeestetipodedigestor.

Figura7.‐Esquemadelsistemadefiltroanaerobio(I.‐ Influente;E.‐Efluente,G.‐Biogás).Fuente:

MonografíaINIA:

b) Lechodelodos(sistemaUASB)Enestesistemaelincrementodelapoblaciónbacterianadentrodeldigestor

se basa en proporcionar a los lodos las características físico‐químicas másadecuadasparafavorecerlafloculaciónycoagulacióndelosmismossinnecesidaddeintervencióndeningúntipodesoporte.

Eldigestortieneunlechodelodofloculadoogranuladoenelfondo,previstoparaquepermitaelmovimientoascendentedelinfluenteasutravésyactúecomofiltro de la biomasa. La agitación se produce, durante la ascensión del biogás atravésdetodalamasadeldigestoralliberarseelgasdelosflóculos.

  

  18

c) Películafija

Sistemaparecidoalfiltroanaerobio,peroenestecasoelmaterialinerteestá

constituidoporplacasparalelas fijasyenelqueel flujoesdescendente.Deestaforma se previenen los peligros de colmatación y de formación de víaspreferencialesquesepresentanenlosfiltrosascendentes.Puedetrabajarconaltascargas,tantohidráulicascomodeconcentracióndesólidosyresiduosdiluidos.

d) Películafijasobresoportelibre

Esta tecnología tiene una mecánica de funcionamiento similar a la del"Reactordepelículafija",ylaúnicadiferenciaesqueelsoportedePVC,alcualsefijan las bacterias, está totalmente libre en el interior del digestor y por tantopermitesumovimiento,evitandodeestaformalosriesgosdeentupimientoy/olaformacióndevíaspreferenciales.

e) Lechosfluidizadosoexpandidos

Elprocedimientoqueseutilizaenestesistemaestáenfocadoamaximizarla

población microbiana en el digestor, maximizando para ello la superficie deadherencia de la biomasa al soporte. Para lograrlo, se introduce unmaterial enpartículasmuypequeñas, inerteymóvil (arenao alúmina)que semantienenenlechofluidizadoyconunaexpansiónrelativamentepequeñaconobjetodelograruna buena uniformidad en la distribución del efluente, que se mezcla con laalimentación.

Sehabladelechosexpandidoscuandolaexpansióndellechoesde10‐35%,mientrasquecuandoserecuperael35%sehablade lechofluidizado.Laeficaciademostrada por este tipo de reactor, es bastante superior a cualquier otro tipohastaahoradesarrollado,conlaparticularidaddepresentarunagranestabilidadfrenteacambios,inclusobruscos,desusparámetrosdeoperación.Noobstante,laaplicaciónde esta tecnología anivel industrial es actualmentemásproblemáticaqueenelrestodelossistemas.

3.UsodelbiogásyderivadosComo ya se ha señalado, el biogás es un gas combustible que puede

aprovecharse energéticamente en motores de cogeneración, calderas, turbinas,pudiendo por tanto generar electricidad, calor o ser utilizados como

  

  19

biocarburantes.Asímismo,tambiénpuedeserinyectadoelbiogásdepuradoenlareddegas.

Cuando la concentración de sulfuro de hidrógeno en el biogás supera las200ppm,debesersometidoaunprocesopreviodelavadoantesdeserutilizaoscomo combustibles. Ello se produce fundamentalmente cuando se utilizanestiércolesypurinesenelprocesodedigestiónypor tanto sedeberán tenerencuenta los correspondientes costes de pretratamiento a la hora de efectuar losestudioseconómicosderentabilidaddelasinstalaciones.

El aprovechamiento energéticomáshabitual del biogás es en elmotordecogeneración,medianteelcualseobtienenunosrendimientosenenergíaeléctricadeentreel35yel40%yenenergíatérmicadeentreel30yel40%.

La energía eléctrica puede entregarse a la red eléctrica, recibiéndose acambiounaremuneracióneconómica.

Para el caso del biogás agroindustrial, una alta proporción de la energíatérmica producida (entre el 40% y el 80%) se autoconsume para alcanzar ymantener la temperatura mesófila o termófila del proceso de digestión. Elexcedente térmico puede destinarse a distintos usos (calefacción, agua calientesanitaria,secado,invernaderos,produccióndefrío,etc.).

Sinembargo,elusodebiogásenmicroturbinasypilasdecombustibleestápocoextendido.MientrasqueexistenvehículosutilitariosdebiogásderivadosdeproyectosexperimentalesqueseestánllevandoacaboenSuecia. 

3.1Aplicacionesdelbiogás

El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tenerdiferentesusos:

a. Cocinas de biogás: La adaptación de las cocinas para el consumo debiogásesmuysencillaydebajocosto,siendounaalternativaatractivaparala masificación en nuestro país. El biogás empleado para cocción dealimentosnoproducealteracionesencuantoaolorysabordelosalimentosterminados.

Unadelasdesventajasenestaaplicacióneslarápidacorrosióndelasollas

debidoalácidosulfúricoqueelbiogásproduce,peroestaadversidadpuedeser contrarrestada con filtros metálicos o con filtros orgánicos queabsorbanesteácido.

  

  20

b.Pilasdecombustible:Enpilasdecombustible,previarealizacióndeunalimpiezadeH2Syotroscontaminantesdelasmembranas.

c. Aditivo para gas natural: El biogás se puede purificar y añadir losaditivos necesarios para introducirlo en una red de transporte de gasnatural.

d. Para síntesis de otros compuestos:Uso como material base para lasíntesisdeproductosdeelevadovalorañadidocomoeselmetanoloelgasnaturallicuado.

e.Combustibledeautomoción:El biogás, además demetano tiene otraserie de compuestos que se comportan como impurezas: agua, sulfuro dehidrógeno, monóxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles comohidrocarburos halogenados, siloxanos, etc. Por tanto, es necesaria lalimpiezadelcombustible,dependiendodelusofinal.f. En hornos, deshidratadores, secadores de granos: Para estos casossolo se requiere que tengan sistemas de combustión a gas, existen grancantidaddeequiposfabricadosparatrabajarconbiogás,sinembargoexisteunaventajaalpoderconpequeñasmodificacionesadaptarcasi lamayoríade equipos que trabajan con GLP u otros gases a biogás, lo cual ampliaenormementelagamadeusodelbiogás.

g.Motoresdecombustión interna:Losmotores con igniciónpor chispapueden funcionar solamente con biogás mientras que los motores dieselrequieren algunas modificaciones para permitirles que funcionenprincipalmenteconbiogássuplementadoconcombustibleDiesel.Aúnnosetieneunvehículoconmotordecombustióninternaquefuncionecongasmetanogeneradoapartirdedesechosorgánicos,ennuestropaísnosehainvestigadoestaposibilidadporlafaltadeapoyogubernamentalylosaltos costos que esta representa, siendo una hipótesis altamente factibleparacrearvehículoshíbridosconbiogásoasuvezvehículosquefuncionen100%conbiogás.

h. Equipos de cogeneración: Los equipos de cogeneración sirven paraaprovechar la energía mecánica de un motor de combustión interna queproducemovimientorotacionalytransformarloenotrotipodeenergías,enlageneracióndeenergíaeléctricaseaprovechaelmovimientodelcigüeñaldel motor de combustión interna para mover un generador eléctrico,

  

  21

tambiénsepuedeaprovecharestemovimientorotacionalparaaccionarunabombaparasuccióndeaguaentreotrasvariasaplicaciones.

i.Produccióndehidrogeno:Laproduccióndehidrógenoestalvezunodelosaspectosmásimportantesafuturodelusodelbiogás,puesyaexistenlosvehículosahidrógeno,yunade las fuentesmásampliasdeproduccióndehidrogeno será el biogás, con un tratamiento previo del biogás paraalcanzaraltasconcentracionesdemetano.

j.Otrosusos:Además de generar energía en la Tierra, elmetano podríautilizarse incluso fuera del planeta, como combustible para las navesespaciales.DosempresasquetrabajanparalaNASA,AlliantTechsystemsyXCOR Aerospace, están probando un sistema de propulsión con este gas,que presenta diversas ventajas frente al combustible de los cohetesactuales,elhidrógeno.Se trata también de un gas apreciado como combustible y para producirdiversosgasesysustanciasdeusoindustrial,comoelclorurodehidrógeno,amoníaco, acetileno y formaldehído. Asimismo, es uno de los principalescomponentesde laatmósferadealgunosplanetasdelSistemaSolar,comoSaturno,UranoyNeptuno.

Una situación ideal sería implantar un pequeño sistema de cogeneración,quepermitiríaunahorroenaguacalienteyelectricidadenépocasfrías,juntoconlaconexiónalaredparalaventaeléctrica.Enlosmesesdeverano,ventaalaredeléctricaoventadebiogásparasuembotelladoapresión.

Generalmente, los costes asociados a instalaciones de gestión de residuos

orgánicosmediante digestión anaerobia son elevados y la productividad esmuybaja en términos de la energía contenida en el biogás respecto a la cantidad deresiduotratado.

Tabla4.‐Usosdelbiogásvs.otrasenergíasalternativas

USOS SOLAR EÓLICO HIDRÁULICO BIOGÁS

Generacióndeelectricidad X X X XCoccióndealimentos X XActivacióndebombas X X XMotoresdecombustióninterna X XCalentamientodeagua X X

  

  22

4.Caracterizacióndesubproductosvegetales

Todos los subproductos vegetales susceptibles de ser empleados en laformación de biogás han sido analizados para conocer sus características físico‐químicas,nutricionales,etc. Una de las características principales que tienen los subproductos de laindustriadetransformadosvegetalesde laRegióndeMurciaeselaltocontenidoenmateria orgánica. Los restos vegetales que se producen la región tienen unagran cantidad de agua y esto unido a la gran cantidad demateria orgánica queposeen, loshacenmuyputrescibles. Sepuedeafirmarque los restosposeenunaaltabiodegradabilidad.

Como ya se ha comentado, las industrias del sector de transformados

vegetalesgeneranunagrancantidadderestosvegetales,perotambiéndelodosyotrosresiduosorgánicosalprocesarsusmateriasprimas,quealigualqueloslodosestánexentosdesustanciastóxicas.EnlaTabla5sepuedeobservarelporcentajequerepresentanfrentea lacantidadtotaldemateriaprimaprocesada,siendoentodocasosuperioraun10%ypudiendoalcanzarel65%.Sehadedecirque,enlaactualidad,eldestinoprincipaldeestosrestosvegetalesessuusoenalimentaciónanimal,queaporta,enlamayoríadecasos,beneficioseconómicosalaempresapordicha venta y por tanto se valoriza cubriendo las necesidades de animales, perohabríaqueevaluarsuutilizaciónenprocesosdebiometanización.

Tabla5.‐Porcentajesderestosgeneradosenfuncióndelamateriaprimaprocesada

Fuente:CNTA–CTC

MateriaPrima Tipoderestos%restostotal

MateriaPrima Tipoderestos%restostotal

TomatePiel,pepita,podridos

15 Borraja Hojas 28

Pimientopiquillo

Corazones,piel 53 CardoPenca,hoja,corazón

65

Pimientomorrón

Corazones,pieles 50‐60 Acelga Pencas,hojas 48

Espárrago Pieles,trozos 51 Espinacas Hojassecas 13Alcachofa Brácteas,tallos 60‐65 Melocotón Pieles,huesos 22‐28

Judíaverde Puntas 28Ciruela,

albaricoquePieles,huesos 10‐25

Champiñón Corteraíz,destrío 21Naranja,mandarina

Piel,corteza,semillas

40‐45

Puerro Hojas,raíces 47 NaranjazumoPiel,corteza,semillas

60‐65

Brotesdeajo Partesblancas 17 PeraPiel,pecíolos,corazón

42‐45

Manzanaconcent.Piel,pecíolos,

pepita10‐15

  

  23

Los restos vegetales tienen una capacidad energética muy superior a loslodosdedepuradorapor loque incorporarlosconjuntamenteconestossepuedemejorar el rendimiento energético y la calidad del biogás producido, además deque los lodos y restos vegetales se generan de forma simultánea mientras laempresa esté procesandomateria prima y por tanto se pueden gestionar ambosresiduos al mismo tiempo. De hecho, hay experiencias que demuestran laviabilidadeconómicadeaplicaciónde ladigestiónanaerobia, tantodesólo lodosprocedentes de la depuración de aguas residuales urbanas como demezclas deresiduosvegetales.

4.1Potencialesyrendimientosdelbiogás

El biogás es un gas combustible cuya composición depende

fundamentalmentedeltipodesustratoutilizadoydigeridoenelproceso,ysualtaconcentración en metano, de elevada capacidad calorífica (5.750 kcal / m3), leconfierecaracterísticascombustiblesidealesparasuaprovechamientoenergéticoen motores de cogeneración, calderas, turbinas,… pudiendo por tanto generarelectricidad,caloroserutilizadoscomobiocarburantes.

La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo osubproducto determinados depende de su potencial (producción máxima), deltiempo de retención, de la velocidad de carga orgánica, de la temperatura deoperación,delapresenciadeinhibidores,etc.

Comosehaexplicado conanterioridad, la riquezadelbiogásdependedelmaterial digerido y del funcionamiento del proceso. En la Tabla 6 se muestranvaloresmediosdecomposicióndelbiogásenfuncióndelsubstratoutilizado.Tabla6.‐Componentesdelbiogásenfuncióndelsubstratoutilizado(Coombs,1990).Componente Residuos

agrícolasLodosde

depuradoraResiduos

industrialesGasde

vertederoMetano 50‐80% 50‐80% 51‐70% 45‐65%

Dióxidodecarbono

30‐50% 20‐50% 30‐50% 34‐55%

Agua Saturado Saturado Saturado SaturadoHidrógeno 0‐2% 0‐5% 0‐2% 0‐1%Sulfurodehidrógeno

100‐700ppm 0‐1% 0‐8% 0.5‐100ppm

Amoniaco Trazas Trazas Trazas TrazasMonóxidodecarbono

0‐1% 0‐1% 0‐1% Trazas

Nitrógeno 0‐1% 0‐3% 0‐1 % 0‐20%Oxígeno 0‐1% 0‐1% 0‐1% 0‐5%

Compuestosorgánicos

Trazas Trazas Trazas 5ppm*

*terpenos,esteres,..

  

  24

Laproduccióndebiogásparacadatipodesubstratoesvariableenfunciónde su carga orgánica y de la biodegradabilidad de la misma (ver Tabla 7). Losrestosvegetalesposeesunagrancapacidaddebiodegradabilidad loque loshaceengeneral,residuospotencialmentemuybuenosparalaobtencióndebiogás.

No obstante, existen opciones que permiten mejorar la producción debiogás de estos residuos: mezcla con residuos de mayor producción potencial(codigestión), pretratamiento para mejorar la degradabilidad del substrato, oaumento de la temperatura para mejorar la velocidad de crecimiento de losmicroorganismosylaeficienciadelafasehidrolítica.Tabla7.‐Produccióndebiogásenfuncióndelsubstratoutilizado(Coombs,1990).

Tipoderesiduo Contenidoorgánico Sólidosvolátiles(%)

Produccióndebiogás(m3/t)

Purinesdecerdo Hidratosdecarbono,lípidosyproteínas

3–5 10–20

Fangosresiduales Hidratosdecarbono,lípidosyproteínas

3– 4 17–22

Fangosresidualesconcentrados

Hidratosdecarbono,lípidosyproteínas

15– 20 85–110

FORSUseparadaenorigen

Hidratosdecarbono,lípidosyproteínas

20– 30 150‐240

De manera aproximada, se puede constatar que el gas natural tiene uncontenido en CH4 del 100%. Por lo tanto, se podría decir que 1 m3 de biogásequivalealaenergíade0,65m3degasnatural(suponiendoqueelbiogástieneunariquezamediaenmetanodel65%).Porotraparte, lacantidaddeCH4 necesariaparaobtener10kWhdeenergíatotalesde1m3demetanoaproximadamente.Siademás,el rendimientoeléctricodeunmotoresdel40–50%,sepuedeconcluirque1m3debiogáspuedellegaraproducir2,9kWhdeenergíaeléctricarenovable.

Atravésdelosdatosrecogidosdenuestraexperienciaasícomodelosdatosde otros autores corroboran el alto potencial energético de lo subproductos delsectordetransformadosvegetales.Acontinuaciónsemuestralafigura8dondesepuedeobservarelaltopotencialenergéticodealgunosrestosvegetalesasí comosudiferenciafrenteaotroscompuestos.

  

  25

Figura8.‐Produccióndebiogássegúnmateriafrescaalimentada

Como se observa en la gráfica superior los restos vegetales tienen un

potencialenergéticobastantealto.Elvalormedioesde175Nm3Biogás/toneladamateria fresca aunque en otras experiencias se ha comprobado que este valorpuedeincrementarsehastaalcanzarlos200‐250Nm3Biogás/toneladademateriafresca.

Enbaseaestoscriterios laequivalenciaenergéticadelbiogásrespectode

otrasfuentesdeenergíaseresumeenlafigura9.

 Figura9.‐Equivalenciasdebiogásconotrasfuentesdeenergía.Fuente:CIEMAT/CTC

  

  26

4.1.1Propiedadesdelbiogás

Las propiedades como poder calorífico, índice de Wobbe, velocidad de

ignición,requerimientosdeaire/gasparacombustión,etc.,todasestadependendela calidad de biogás obtenido, principalmente de la proporción de metanocontenido y grado de purificación que se le haga, sin embargo anotamos acontinuaciónunosvalorespromedioenunbiogásnopurificado:

a.Supodercalorífico

Elpodercaloríficodeungaslopodemosdefinircomolacantidaddeenergíaliberada por un combustible cuando se queme estequiométricamente y losproductosde combustión salgana igual condiciónde temperaturaypresióna laque entran los reactivos, para el caso del GLP, Gas Natural o Biogás que nosconcierne es necesario diferenciar entre poder calorífico superior (PCS) y podercaloríficoinferior(PCI),debidoalaformacióndeaguaenlacombustióndeestos,donde en uno se considera que el agua de los humos sale en estado líquidoaprovechando su entalpía de vaporización, y en el otro en estado gaseosorespectivamente, el poder calorífico es indispensable para calcular la potenciatérmicadecualquierequipoquefuncionecongas;otrasdefinicionesmássimpleslodefinencomolacantidaddecalorquepuedeentregarungasensucombustión,o la capacidad de ceder calor de un combustible cuando está ardiendo, o lacantidad de calor que entrega un kilogramo o un metro cúbico de gas ocombustiblealoxidarseenformacompleta,etc.

b.Índicedewobbe

Es la relación entre el poder calorífico del gas y la raíz cuadrada de ladensidadrelativadeéste,yseexpresacomúnmenteenKwh/m3estándaronormaldegas.Paraello,generalmentesetomaelpodercaloríficosuperior,perotambiénpuedesercalculadorespectoalinferior,estapropiedadesindispensablecuandoserequiereconocerlapotenciaqueseutilizaenunsistemadecombustión,tambiénes un parámetro fundamental en la teoría de intercambiabilidad de gases, pueséstosdebentenerelmismovalorparaqueseconservelapotenciaenelsistemasinmodificarsugeometría,entoncesdebemoscalcularelíndicedeWobbedelbiogásqueproducimosparasabersisepuedeintercambiarapropiadamenteosaberquemodificacionessedebendeefectuarenelsistemadecombustiónsisonfactibles.

c.Temperaturaderocío

Lacombustióndehidrocarburos(CxHy)ehidrógenoproducevapor,elcual

seencuentracomovaporenlosproductosdecombustión.Latemperaturaalacualse inicia la condensación del vapor de agua en los productos de combustión se

  

  27

denomina temperatura de rocío, esta resulta importante en el estudio de larecuperación de la entalpía de vaporización del agua en los productos decombustiónresultantesalquemaruncombustibleespecífico.

d.LímitesdeinflamabilidadCorresponden a las proporciones de lamezcla combustible ‐ oxidante en

porcentaje por volumen de gas en la mezcla, para las cuales la reacción decombustiónpuedeiniciarseyautopropagarse.Elintervalodeinflamabilidadestáacotados por el LII límite inferior de inflamabilidad y el LIS límite superior deinflamabilidad(figura10).

Figura10.‐Límitesdeinflamabilidad

Acontinuación,sepuedeveren laTabla8 laspropiedadesdecombustióndelmetano.

Tabla8.‐PropiedadesdecombustióndelmetanoPesomolecular 16.042Kg/kmol

Volumenestequiométicodeaire 9.52 m3aire/m3gasPodercaloríficosuperior(PCS) 10.49 Kwh/m3

Podercaloríficoinferior(PCI) 9.43 Kwh/m3

Índicedewobbesuperior 14.09 Kwh/m3

Índicedewobeeinferior 12.67 Kwh/m3

Temperaturaderocío 59.3 ºC

Finalmente, en la Figura 11 se aporta un ejemplo de los parámetros

analizados a cada uno de los subproductos de la industria de transformadosvegetales.

  

  28

Figura11.‐FichatécnicaderestosdeAlcachofa.Fuente:proyectoLIFE+AGROWASTE

 

  

  29

5.Descripcióndelprocesodeobtencióndelbiogás

La digestión anaeróbica consiste en la descomposición de materialbiodegradable en ausencia de oxígeno para dar como resultado dos productosprincipales: biogás (compuesto mayoritariamente por metano) y el lodoestabilizado,conocidocomodigerido.

Además de esto hay que tener en cuenta la escasa rentabilidad de losprocesosdedigestiónanaerobiapresentesenestecontexto.Estatecnologíautilizareactores(digestores)cerradosdondesecontrolanlosparámetrosparafavorecerelprocesodefermentaciónanaeróbica,unprocesomuyconocidoyaquetambiénse produce de un modo natural y espontáneo en diversos ámbitos, como porejemploenpantanos,enyacimientossubterráneosoinclusoenelestómagodelosanimales.

5.1ProcesoProductivo

ElprocesoparalaproduccióndebiogássedetallaenlaFigura12,enellasepueden ver las distintas etapas que tienen lugar en una planta de digestiónanaerobia: pretratamiento y depósito para la alimentación; digestor donde tienelugar el proceso biológico; gasómetro para recoger el biogás producido y otrodepósitoparaeldigerido(efluente).

Figura12.‐Esquemadefuncionamientodelprocesodebiogás

  

  30

5.1.1Alimentación:Pretratamientoydepósito

Laalimentacióndelprocesosellevaacaboconlasúnicaspremisasdequeésta contenga material fermentable, tenga características adecuadas para elcorrecto funcionamiento de la planta según su diseño industrial, y tenga unacomposiciónyconcentraciónrelativamenteestable.

Además, al tratarse de un proceso biológico, se requiere asegurar una

alimentación constante que no altere el metabolismo de los microorganismosimplicados,yqueporlotantonopuedaafectarelrendimientodelaplanta.

Mediante el pretratamiento de la alimentación, adecuando el tamaño de

partícula,facilitandolahidrólisisosuministrandomaterialomezclasdematerialespotencialmenteproductoresdebiogás,ydepósitosdealmacenamientoseiniciaelprocesoyseevitaproblemasposteriores.

La principal vía de producción de metano es la correspondiente a la

transformación del ácido acético, con alrededor del 70% delmetano producido.Esteesunprocesolentoyconstituyelaetapalimitantedelprocesodedegradaciónanaeróbica.

5.2Codigestión

El término co‐digestión se utiliza para expresar la digestión anaerobiaconjuntadedosomássustratosdediferenteorigen.Laventajaprincipalradicaenel aprovechamientode la sinergia de lasmezclas, compensando las carencias decadaunodelossustratosporseparado.Laco‐digestiónderesiduosorgánicosdediferente origen ha resultado una metodología exitosa tanto en régimentermofílicocomomesofílico.

La co‐digestión consiste en el tratamiento conjunto de residuos orgánicosdiferentesconelobjetivode:

Aprovechar la complementariedad de las composiciones para permitirperfilesdeprocesomáseficaces.

Compartirinstalacionesdetratamiento.

Unificarmetodologíasdegestión.

Amortiguar lasvariacionestemporalesencomposiciónyproduccióndecadaresiduoporseparado.

  

  31

Reducircostesdeinversiónyexplotación.

Existensubproductosbiodegradables,dediferentesorígenes,quetienenunbajo contenido de materia orgánica; en estos casos, la co‐digestión se presentacomounametodologíaexitosaaescalamundial,basadoenundiagramacomoeldelafigura13.

Figura13.‐Diagramadeflujodeunaplantadebiogásagroindustrial

En la Tabla 9 se indican las características relativas para la co‐digestión.Flechas de sentidos diferentes indican un posible interés en la mezcla, alcompensarse la carencia relativa de uno de los dos residuos. La alcalinidad delodos de planta depuradora presenta tal variabilidad que es difícil sucaracterizaciónrelativa.

Tabla9.‐ Caracterización relativa para la co‐digestióndediferentes residuos orgánicos.FuenteGIRO

  

  32

Finalmente se muestra (Figura 14) una vista del digestor con una de lasmezclasquesehanprobado.

Figura 14.‐ Digestor experimental utilizado para diferentes mezclas de restos vegetales en elproyectoLIFE+AGROWASTE

6.Estudioviabilidadeconómica

Teniendo en cuenta los presupuestos que se han recibido de distintasingenieríasysepuedeafirmar,deunaformaresumida,queunaplantade250kWtieneaproximadamenteuncostede1300000€yunade500kWlotienedecercade2000000€,sepuededecirqueseaplicalaeconomíadeescala,dehecho,plantasde menor potencia instalada no son habituales por la baja rentabilidad de lasmismas,ymássisetieneencuentaqueunmotordecogeneraciónde50kWtieneuncostedecasi100000€,porloquelainversióninicialseríaproporcionalmenteelevada,ypuedeconsiderarsedelordende500000€paraunaplantade70kW.

Acontinuaciónseresumenlosdatoseconómicosparalainstalacióndeunaplanta de biogás de 500 kW alimentada con 11000 t/año de restos vegetalesúnicamente aunque utiliza pequeñas cantidades de lodos de depuradora comoacondicionante.

  

  33

Encuantoacostesdegestión,enprimer lugarsehadedecirqueel costeactualmediodelosrestosvegetalesesde12€/taunqueenmuchoscasoselcosteesnulotansoloseríanecesariolaretiradadelosrestosvegetalesdelasindustrias.Mientras,porsuparteeldigestatoqueseproduceenlabiometanizaciónpuedenotener coste alguno si se utiliza por ejemplo como abono agrícola ya que es unmaterialestabilizadoyenriquecidoennutrientes,.

A continuación vamos a estudiar la viabilidad de instalar una planta debiogás en una empresa que podemos encontrarnos en el sector, en concreto sepresentanlosdatosyresultadoscorrespondientesaunainstalacióntípicaalaquese alimentan 11000 t/año. La digestión anaerobia que trabaja solo con restosvegetales y utiliza lodos de depuración únicamente como acondicionante hademostrado que genera un muy significativo incremento de la producción debiogás y por tanto un mayor beneficio, llegando a alcanzar valores medios deproducciónentornoalas200‐250m3/t.aunquecomodemuestranotrosautoresyexperiencias estos ratios son menores y alcanzan producciones de biogásinferioresa200m3/t

Asípues,apesardesaberqueenocasionesseobtieneunbeneficiodirectopor la venta del subproducto para alimentación animal y que la producción debiogásesligeramenteinferioralosdatosmásfavorablesnospondremosenelpeorde losescenariosqueescontemplarqueefectivamenteelempresarioobtieneunbeneficiodelsubproductoporlaventadeesteyquelaproduccióndebiogásestadentro del intervalo normal de producción. Estas consideraciones se establecenparaasegurarlarentabilidaddeproyecto.

6.1Datosdepartida

Paraunaplantade500kW:

Sehasupuestounaproduccióndiariaininterrumpidaalolargodelañoconuna ratio de biogás dentro de la horquilla de datos bibliográficos aunque por laparteinferior.

Porsupartelosrendimientostantomotorcomotérmicosehanestimadoenvalores medios de dentro de su intervalo de acción, el rendimiento del motorpuedeestarentornoal50‐55%yeltérmicoalgomenor40‐50%porloquesehantomadovaloresmediosparaelestudioeconómico.

  

  34

DATOSDEPARTIDA UNIDAD

Materiaprimanecesaria 11000 t/añoHorastrabajoanual 8760 hRatioBiogás/Restosvegetales 175 m3/tRendimientodelMotor 50 %RendimientoTérmico 45 %

Otrosdatosyconversionesquesehantenidoencuentaparalaevaluación

económicadelaimplantacióndeunsistemadedigestiónanaerobiahansido:

Según los informes aportados por diferentes empresas y según laexperiencia en el sector, se ha estimado la vida útil de una planta de biogás.Ademássetomadounvalormedioparaelcasodelpodercaloríficodelbiogásyaqueestepuedevariardesde18000hasta23000KJ/Nm3.

Porúltimocomoporcentajeinterésdelpréstamoparasolicitareldinerosehatomadounvalormedioquepuedeofrecerunaentidadbancariahoyendía.

OTROSPARÁMETROS VALOR UNIDADVIDAÚTILDEUNAPLANTADEBIOGÁS 12 AÑOSINTERÉSDELPRÉSTAMOAPEDIR 5 %PODERCALORÍFICODELBIOGÁS 20000(18000‐23000) KJ/Nm3CONVERSIÓNDEENERGÍA 4,18 Kcal/KJTASADESCUENTOAPLICADAPARAVAN 6 %

Tambiénsehandetenerencuentaelpreciodecadaunodeloselementos

que repercuten en el precio final del producto. Todos estos precios son preciosrealesdemercadoadíadehoy.

PRECIOS VALOR UNIDADPrecioderestosvegetales 12 €/tPreciocalor 0.035‐0.045(0.037) €/kWhPreciotransportemateriaprima 4 €/tPrecioelectricidad 0,14 €/kWh

Con los datos expuestos anteriormente se obtienen los resultados deproducción anual tanto en biogás como en electricidad generada por la plantadiseñada. Además con estos valores se pueden obtener ratios para los cálculoseconómicosposteriores.Losdatosobtenidossereflejanenlasiguientetabla:

  

  35

ProducciónanualdeBiogás 1950000 m3/añoProducciónanualdeElectricidad 10694444,44 kWh/añoRatioproducciónEléctrica/Restosvegetales 0,97 kWh/KgRatioproducciónEléctrica/Biogás 5,56 kWh/m3RatioEnergía/Biogás 4784,69 Kcal/m3

6.2Equipos

La planta de digestión anaerobia propuesta para la obtención del biogásestáformadaporloselementosquesedescribenacontinuación:

EQUIPOSNECESARIOSPARALAOBTENCIÓNBIOGÁSENPLANTADEDIGESTIÓNANAEROBIA

COSTE(€)

ÁREADERECEPCIONALMENTACIONYSISTEMADEHIGIENIZACIÓN

2.000.000

DIGESTOR

EQUIPOPARATRATAMIENTODELGASEQUIPOPARAAPROVECHAMIENTODECALORSISTEMADEALMACENAMIENTODELGASSITEMADEVALVULOMETRÍAOTROSELEMENTOSYPUESTAENMARCHA

6.3EstudioeconómicoUnavezconocidoel costequevana tener todos losequiposquesevana

utilizar en la planta, el coste que tiene lamateria prima, así como su traslado,…podemosdeterminarlosgastosquesevanatenerenesteproyecto.

También se conoce la cantidad de biogás que se produce y su potencial

energético. De esta forma se puede calcular el ahorro anual que se obtendríasustituyendoelusodeuncombustiblecualquieraporlaenergíaqueproporcionalacombustióndelbiogás.

Con todos estos datos se podrá determinar el tiempo que se tarda en

recuperar la inversión inicial y si esunproyectoviableonoviabley en casodeserlosiesalargoocortoplazo.

A continuación se describen todos los gastos derivados del proceso dedigestiónanaerobia.

  

  36

COSTESDEINVERSIÓN CANTIDAD(EUROS) DURANTE

PRÉSTAMODESPUÉSPRÉSTAMO

MATERIAPRIMA 132.000 132.000TRANSPORTEDEMATERIAPRIMA 44.000 44.000EXPLOTACIÓN 120.000 120.000PRÉSTAMOTOTAL*COSTESEQUIPOSEINSTALACIÓN

INTERESES

2.663.6842000000663684

000

COSTESTOTALESANUALES 562.368€ 296.000€COSTE POR TONELADAALIMENTADA

51.12€/T 26.91€/T

*Arepartiren10años.

Parauncorrectoestudiodel tiempoamortizaciónde la inversión sevaacalcularelprecioanualdeloscostes,asícomoeldelosingresosgeneradosdelaproduccióndeenergíaelecticaytérmica.Paraestoutilizamoslosdatosdepartidaanteriores:Plantadedigestiónanaerobiade500kW:Gastos: Comogastosfijossetendránlosgastosenmateriaprima,transportedelamismaycostesdeexplotación.Porsuparteseentiendecomogastosvariableslospagosderivadosdelacontratacióndeunpréstamoa10añosparalacompradelosequiposnecesarios.

AÑO GASTOSFIJOS(€)GASTOS

VARIABLES(€)GASTOS

TOTALES(€)1 296000,0 266368,4 562368,42 296000,0 266368,4 562368,43 296000,0 266368,4 562368,44 296000,0 266368,4 562368,45 296000,0 266368,4 562368,46 296000,0 266368,4 562368,47 296000,0 266368,4 562368,48 296000,0 266368,4 562368,49 296000,0 266368,4 562368,410 296000,0 266368,4 562368,411 296000,0 0 296000,012 296000,0 0 296000,0

  

  37

Ingresos: Los ingresos de la planta de digestión anaerobia son los derivados de laventade la electricidad generada así comodel aprovechamientode calorque sedesprendeenelproceso. Para poder calcular la electricidad generada se ha de tener en cuenta elrendimiento del motor. El rendimiento del motor es un parámetro muysignificativoe influyedegranmaneraen la rentabilidaddelproyecto.Comoa lolargo de todo el proyecto se ha intentado tomar un valor que se acerque a larealidad pero que esté en la parte inferior del intervalo. En concreto se haestimadoque el rendimientodelmotorpuede estar en torno al 50‐55%.Para elcálculodelaenergíaeléctricaproducidasehatomadoelcasomasdesfavorable,esdecir,un52%derendimiento.

Enelcasodelrendimientoenergéticosehaestimadounpocomenor.Entreun40‐50%.Enestecasosehatomadoelvalormedio45%.

Elpreciodelaelectricidadydelcalortambiénsonestimados.Setomanlosvaloresdescritosenlosdatosdepartidadelapartado5.1.

Porlotantotendríamosquelaamortizaciónseríalasiguiente.

AÑO

ENERGÍAELECTRICAGENERADA(Kwh/AÑO)

INGRESOSPORENERGIA

ELECTRICA(€)

ENERGIAELETRICAPOR

CALOR(Kwh/AÑO)

INGRESOSPORENERGIA

TERMICA(€)

TODOS 5347222,2 748611,1 4812500,0 178062,5

AÑO INGRESOSTOTALESTODOS 926673,6

  

  38

Con los datos obtenidos en la tabla anterior y con los datos de partida

podemos calcular el tiempo de amortización de la inversión así como de otrosparámetroscomoelVANyelTIRquenosayudaranaver larentabilidaddeesteproyecto.

PARÁMETRO VALORTIEMPODEAMORTIZACIONDELAINVERSION 10AÑOSVAN(VARIACIÓNANUALNETA)* 663290€TIR(TASAINTERNADERETORNO)* 10,0%

*Estosvaloresestáncalculadosparaunperiodode12años

Conlosdatosobtenidosutilizandogasnaturalcomocombustiblesepuede

afirmarqueelproyectoesviableconunaamortizacióndelpréstamoen10años.

7.Conclusiones

Ladigestiónanaerobiaesunaenergíarenovableylimpiaconreduccióndeemisionesdegasesdeefectoinvernadero.

Debido a la gran cantidad de restos vegetales existentes en la Región deMurcia se puede afirmar que en esta región existe un enorme potencialbiodegradablequepuedeservalorizado.

El digerido obtenido puede ser utilizado como biofertilizante con untratamientoadecuado.

AÑO GASTOS(€) INGRESOS(€)FLUJODECAJA

(€)AMPORTIZACIÓN

(€)1 562368,4 926673,6 364305,2 ‐2320000,32 562368,4 926673,6 364305,2 ‐1995770,03 562368,4 926673,6 364305,2 ‐1689892,34 562368,4 926673,6 364305,2 ‐1401328,55 562368,4 926673,6 364305,2 ‐1129098,56 562368,4 926673,6 364305,2 ‐872277,77 562368,4 926673,6 364305,2 ‐629994,08 562368,4 926673,6 364305,2 ‐401424,49 562368,4 926673,6 364305,2 ‐185792,710 562368,4 926673,6 364305,2 17633,411 296000,0 926673,6 630673,6 349864,412 296000,0 926673,6 630673,6 663289,8

  

  39

Aparte de los restos vegetales procedentes de las industrias deagrotransformadosvegetalesexistesotroselementoscomoloslodosquesepuedenutilizarcomoacondicionanteoinclusocomoconstituyenteparaunamejormezcla.Elusodeestosestáaumentandoenlosúltimosaños.

Para que el proyecto sea viable hay que definir correctamente todos losparámetrosinvolucradosenladigestiónanaerobia.

Sepuedenutilizarco‐sustratosparaaumentarelrendimientoenergéticoyportantolarentabilidaddelasinstalacionesatravésdelaco‐digestión.

El rendimiento del motor eléctrico y el rendimiento térmico sonfundamentalesparalarentabilidaddelproyecto.

Cuantomayorsealapotenciainstaladamásrentableseráelproyecto.

Una relación superior a 200 m3 biogás/tMF acorta los tiempos deamortización.

Elporcentajedemetanocontenidoenelbiogás influyedirectamenteen la

eficienciadelmotordecombustióninternayporlotantoenlageneracióndeenergíaeléctrica.

Paraelaprovechamientodelbiogássehareducidoel%deH2S.

La tecnología del biogás y la construcción de plantas de biogás estotalmente factible en nuestro país, con la masificación de este tipo detecnología se puede obtener beneficios económicos y ambientales quefavorecenalcomúndelasociedad,conlacreacióndefuentesdeempleoyreducción de la contaminación respectivamente, para lograr estamasificaciónsedeberíacrearleyesqueincentivenaoptarporestetipodetecnología.

El biogás es un combustible alternativo renovable cuya fuente de

producción es inagotable, lo cual lo convierte en un biocombustiblealtamente viable en la aplicación demotores de combustión interna paradiversosfines

El biogás como combustible eficaz para su masificación necesitapurificaciónparallegaracontenidosdemetanodeporlomenosun90%,loquenospermite tenerunpodercaloríficomayorycomoconsecuenciaun

  

  40

mejor rendimiento de los equipos en los que se suministra biogás comocombustible.

7.1Ventajasdelprocesoanaeróbico

Eltiempoderetenciónnospermitetenerunamezclamáshomogénea.

Reducción de la materia orgánica degradable y manteniendo lasconcentraciones de nutrientes, lo cual permite tener lamisma riqueza denutrientes.

Balanceenergéticopositivoyproductornetodeenergíarenovable,permiteeltratamientodemezclasconotrosresiduosparaoptimizarlaproducciónenergética.

Reduccióndelacantidaddelodosagestionar.

Produccióndeenergíaquepuedeservirparaelfuncionamientodelapropiaplanta y parte para su comercialización, con el consiguiente beneficioeconómico.

Reduccióndelconsumodecombustiblesfósiles.

Reducción de la emisión de metano evitando el deterioro de la capa deozono.

Aprovecharlacomplementariedaddelascomposicionesdecadaunodelossustratosparamejorarelprocesoyportantogenerarmayorproduccióndebiogás,sepuedemejorarlarelaciónC/N.

Compartirinstalacionesdetratamiento.

Unificarmetodologíasdegestión.

Amortiguar las variaciones temporales en composición y producción decadaresiduoporseparado.

Reducircostesdeinversiónydeexplotación.