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Entregable D11 Pilas de combustible en EDAR: Directrices generales
30/06/2012
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Acrnimo del proyecto: BIOCELL LIFE07 / ENV / E / 000847
Ttulo: Energa autosostenible y reduccin de la huella ambiental en plantas de tratamiento de aguas residuales mediante pilas de combustible
Cdigo del Entregable: D11
Ttulo del documento: Pilas de combustible en EDAR: Directrices generales
Autor(es): Nicols de Arespacochaga Sergio Gutirrez lex Hornero
Fecha: 30-06-2012 Versin: Final
Historial de modificaciones Versin Final 30 06 2012
Autor(es): Validacin cientfica Validacin final
Nicols de Arespacochaga
(Cargo: Jefe de Proyecto de
CETaqua)
Enric Larrotcha
(Director Cientfico de Agua y
Energa)
Lynne Bouchy
(Cargo: Jefe de la Unidad 3)
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Ttulo: Pilas de combustible en EDAR: Instrucciones generales
RESUMEN EJECUTIVO: Este informe trata de la Accin de Proyecto 11 Pilas de combustible en EDAR: Directrices generales. Se ha realizado segn los resultados y experiencias de los otros Entregables del proyecto BIOCELL; por lo que en este informe se muestran varias referencias a estos documentos para una lectura ms exhaustiva y completa. Incluye una sntesis de las posibilidades actuales y futuras de las pilas de combustible en las plantas de tratamiento de aguas residuales, con aspectos tcnicos, econmicos y ambientales tanto para la pila de combustible como para el tratamiento de biogs asociado.
En particular, este informe trata los siguientes aspectos y usuarios/audiencia objetivo: Directrices para implementar un proyecto de pilas de combustible alimentadas
por biogs, que es una metodologa clara y simple de 5 etapas y un conjunto de recomendaciones para ayudar a que los departamentos de operacin de EDAR desarrollen nuevos proyectos en este campo.
Conclusiones y lecciones aprendidas de las PEMFC y SOFC piloto, que recogen los resultados ms importantes de las Acciones 6 y 7, y evalan el nivel de desarrollo, cuestiones de investigacin clave y limitaciones de las tecnologas probadas. Est particularmente dirigido a los investigadores y fabricantes de tecnologa.
Desafos principales de la aplicacin de pilas de combustible en EDAR antes de 2020, incluyendo la descripcin de los 10 desafos principales para el uso de pilas de combustible identificadas basado en los resultados de las Acciones 8, 9 y 10. Esta informacin est dirigida a la totalidad de los diferentes actores dentro del sector de las pilas de combustin: Operadores de EDAR (y otros productores de biogs), fabricantes de tecnologa (pilas de combustible y tratamiento de biogs), autoridades, otros interesados, e investigadores.
En resumen, este entregable constituye una transferencia conclusiva y resumida del proyecto completo para reunir la experiencia y conocimiento tcnico desarrollado, as como la apertura de nuevas ideas y posibilidades que deberan tratarse en el futuro.
PALABRAS CLAVE: biogs, EDAR, tratamiento, pilas de combustible, PEMFC, SOFC, directrices, desafos, conclusiones
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NDICE
1. Introduccin: Pilas de combustible alimentadas por biogs ................................................. 6 1.1. Descripcin de la tecnologa ........................................................................................ 6 1.2. Especificaciones sobre azufre, siloxanos y hidrocarbonos halogenados ................... 8 1.3. Otras especificaciones ............................................................................................... 10
2. proyectos de pilas de combustible alimentadas por gas: Directrices de aplicacin ........... 14 2.1. Pila de combustible .................................................................................................... 14 2.2. Lnea de tratamiento de biogs ................................................................................. 16 2.3. Interfaz de tratamiento de biogs con pilas de combustible ...................................... 22 2.4. Sistema de recuperacin de calor residual ................................................................ 23 2.5. Otros aspectos ........................................................................................................... 26
3. Conclusiones y lecciones aprendidas de la operacin de los proyectos PEMFC y SOFC ......................................................................................................................... 28
3.1. Balance energtico de lneas PEMFC y SOFC completas .......................... 28 3.2. Pilas de combustible PEMFC y SOFC ......................................................... 29 3.3. Tratamiento de biogs ................................................................................. 31
4. Desafos clave para la implantacin de pilas de combustible en EDAR para el 2020 ..................................................................................................................... 33
5. Conclusiones ....................................................................................................... 38
Apndice 1 : Experiencias en todo el mundo de las pilas de combustible ................... 39 Apndice 2 : Tecnologas de tratamiento de biogs .................................................... 45
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Procesamiento de combustible para diferentes tipos de pilas de combustible ............ 7 Figura 2. rbol de decisin para el uso de pilas de combustible alimentadas por biogs ........ 12 Figura 3. rbol de decisin para el diseo de la lnea de tratamiento de biogs ..................... 16 Figura 4. Eficiencia trmica de una unidad MCFC dependiendo de la temperatura del escape (fuente: MTU) ............................................................................................................................ 21 Figura 5. Balance energtico del sistema PEMFC del proyecto BIOCELL ............................... 24 Figura 6. Balance energtico del sistema SOFC del proyecto BIOCELL .................................. 24 Figura 7. Nivel de desarrollo de las tecnologas probadas en el proyecto BIOCELL ................ 28 Figura A1.1: Datos de pilas de combustible de biogs en todo el mundo (que utilizan el nmero de instalaciones como referencia).............................................................................................. 39
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Tipos de stacks (apilamientos) de pilas de combustible y caractersticas principales ... 6 Tabla 2. Especificaciones de las pilas de combustible .............................................................. 11 Tabla 3. Temperatura del escape de diferentes ECS ................................................................ 20 Tabla 4. Requisitos convencionales de calor en EDAR ............................................................. 22 Tabla A1.1: Experiencias de pilas de combustible estacionarias de biogs en todo el mundo . 36 Tabla A2.1: Funcionamiento resumido de tecnologas de eliminacin de H2S ........................ 40 Tabla A2.2: Tecnologas de eliminacin de otros contaminantes .............................................. 40
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LISTA DE ABREVIATURAS
AC = Corriente alterna BoP = Balance de planta BTEX = Benceno Tolueno Etilbenceno Xileno CAPEX = Inversiones en activos fijos CCHP = Refrigeracin, calefaccin y energa combinadas (Trigeneracin) CHP = Calefaccin y energa combinadas (Cogeneracin) COPROX = Oxidacin parcial de CO DC = Corriente continua DOE = Departamento de Energa ECS = Sistema de conversin de energa EPE = Poltica de Energa en Europa EPS = Alimentacin elctrica de emergencia FIT = Tarifa regulada GoO = Garanta de origen HEN = Red de cambiadores de calor HEX = Cambiador de calor HTFC = Pila de combustible de alta temperatura LHV = Valor calorfico inferior LTFC = Pila de combustible de baja temperatura MCFC = Pila de combustible de carbonato fundido OPEX = Gastos de operacin PAFC = Pila de combustible de cido fosfrico PCDD = Policloro dibenzo-dioxinas PCDF = Policloro dibenzofuranos PEMFC = Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones SHW = Agua caliente sanitaria SOFC = Pilas de combustible de xido slido VOC = Compuesto orgnico voltil VOSiC = Compuesto de silicio orgnico voltil VSD = Accionador de velocidad variable X-HC = Hidrocarburos halogenados WGS = Cambio de gas agua WWTP = Planta de tratamiento de aguas residuales (EDAR)
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1. INTRODUCCIN: PILAS DE COMBUSTIBLE ALIMENTADAS POR BIOGS 1.1. Descripcin de la tecnologa
Principio operativo frente a CHP convencional
Para la transformacin de energa en sistemas de calor y energa combinados (CHP) son
necesarias varias etapas. Primera etapa, la energa qumica del combustible se transforma en
energa trmica (combustin). A continuacin, la energa trmica se transforma en energa
mecnica (mbolo en mquinas alternativas; labes en turbinas). Por ltimo, la energa
mecnica se transforma en energa elctrica (alternador). En su conjunto, la eficiencia elctrica
es baja; en el rango de 25 40% como resultado de las prdidas en las diferentes etapas. Por
otra parte, la ruta de la transformacin de energa en las pilas de combustible es mucho ms
corta: la energa qumica puede convertirse directamente en energa elctrica mediante
reacciones electroqumicas (combustible en el nodo y aire en el ctodo), por tanto, lleva a
una mejora en la eficiencia de hasta el 40 50%. La informacin detallada sobre el principio de
funcionamiento de las pilas de combustible puede consultarse en los Entregables 1 y 4 de este
proyecto.
Tipos de pilas de combustible
Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas ellas se componen de un nodo
(electrodo negativo), un ctodo (electrodo positivo) y un electrolito que permite que las cargas
se muevan entre los dos lados de la pila de combustible. Los electrones son arrastrados desde
el nodo al ctodo a travs de un circuito externo, que produce electricidad de corriente
continua (DC). Para utilizar la electricidad en equipos AC puede requerirse un inversor de
potencia (DC/AC). Adems, dependiendo de la tensin, puede requerirse tambin un
transformador. Las pilas de combustible pueden clasificarse conforme a su temperatura de
trabajo; utilizndose generalmente los trminos de pila de combustible de alta temperatura
(HTFC) y pila de combustible de baja temperatura (LTFC). Los tipos de pilas de combustible
ms importantes se muestran en la tabla 1 (PEMFC = Pila de combustible de membrana de
intercambio de protones; PAFC = Pila de combustible de cido fosfrico; MCFC = Pila de
combustible de carbonato fundido; SOFC = Pila de combustible de xido slido):
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Tabla 1. Tipos de stack de pilas de combustible y caractersticas principales
PEMFC PAFC MCFC SOFC
Temperatura de trabajo (C)
60 90
(LTFC)
190 250
(LTFC)
600 700
(HTFC)
800 1000
(HTFC)
nodo Electrolito
Ctodo
Pt /
H+ membrana
conductora
(Nafion) /
Pt-grafito
Pt /
Matriz slida
(PTFE)
impregnada de
H3PO4 /
Pt-grafito
Ni /
Matriz cermica
(LiAlO2)
impregnada de una
sal fundida (K2CO3)
/ NiO
Cermet (Ni-cermico)
/
Cermico (Zirconio
estabilizado con itrio)
/
Semiconductor
(Lantanio Estroncio
Manganita)
Eficiencia elctrica (%)
50 60 40 45 50 55 50 60
Prdida de calor Baja Media Alta Muy alta
Oxidante O2, aire O2, aire O2, aire O2, aire
Combustibles H2 H2 H2, CO, CH4 (mezcla)
H2, CO, CH4 (mezcla)
Contaminantes S, CO, NH3, Si S, CO, Si S, Si S, Si
Procesamiento de combustible en pilas de combustible alimentadas con biogs
Las pilas de combustible no pueden alimentarse directamente con biogs de alcantarilla
limpio, es necesaria una etapa de procesamiento de combustible aguas arriba de la pila.
Dentro de este contexto, se obtienen las siguientes definiciones:
1. Reforma de gas (o procesamiento): convierte catalticamente el biogs de alcantarilla
limpio en un combustible que puede introducirse en la pila de combustible. Esta etapa
se realiza a altas temperaturas (es decir > 700C), por tanto incluso si se usa un LTFC,
una parte del sistema operar a alta temperatura. La etapa de procesamiento de gas
tambin debera incluir todos los equipos de integracin trmica/balance de energa
para alcanzar la sostenibilidad trmica.
2. Stack/pila: es la parte elctrica del propio sistema (tabla 1)
El proceso de reforma de gas exige energa trmica. A diferencia de lo mencionado antes, las
pilas de combustible alimentadas con biogs no pueden convertir toda la energa qumica
directamente en energa elctrica; es necesario que alguna se transforme en energa
trmica, lo que reduce la eficiencia global del sistema.
Como se muestra en la tabla 1, los diferentes tipos de pilas de combustible aceptan diferentes
combustibles (p.ej: LTFC requiere H2 y HTFC acepta una amplia gama de combustibles); por
tanto, la etapa de procesamiento de combustible es diferente para cada tipo de pila. Como se
observa en la figura 1, el procesamiento de gas para LTFC es ms amplio y consiste en ms
etapas que para HTFC. Los fabricantes de pilas de combustible deben encargarse de
proporcionar el sistema completo (reformador + pila) para reducir problemas operativos
cuando se acoplan las dos partes. A da de hoy, los fabricantes de PAFC y MCFC, as como
algunos de SOFC ofrecen el sistema completo, pero los de PEMFC comercializan nicamente la
pila sola. De hecho, los problemas ms importantes producidos dentro de la construccin y
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operacin de la unidad piloto de PEMFC del proyecto de BIOCELL (vase el Entregable 6) se
debieron a tener dos fabricantes independientes.
En el Entregable 1 puede consultarse ms informacin sobre el procesamiento y la reforma de
combustible.
Figura 1. Procesamiento de combustible para diferentes tipos de pilas de combustible
1.2. Especificaciones sobre azufre, siloxanos e hidrocarbonos halogenados
En general, los requisitos de entrada de pilas de combustible son muy exigentes. Varios
compuestos son txicos y peligrosos tanto para pilas de combustible de alta como de baja
temperatura, afectando a los procesos catalticos de la pila de combustible y a su vida til, y
deben retirarse del biogs. Estos compuestos afectan negativamente y en orden de magnitud
similar tanto al stack (apilamiento) como al proceso de reformado. Tal como se mostr en la
figura 1, siempre es necesaria una etapa de tratamiento de biogs aguas arriba de la reforma y
de la pila. Se desconoce el efecto perjudicial de cada contaminante del biogs sobre la pila de
combustible y los fabricantes tienden normalmente a protegerse estableciendo lmites muy
estrictos (que a veces son incluso ms difciles de monitorizar que de lograr). Determinar el
nivel de contaminacin de biogs que debera ser aceptado por las pilas de combustible est
ms all del alcance del proyecto BIOCELL. A continuacin se explican los aspectos crticos
(efecto, tratamiento y anlisis) de los parmetros fsicos y qumicos ms importantes del
biogs:
Azufre
El constituyente principal de las especies de azufre en el biogs de alcantarilla es H2S, aunque
algunas veces estn presentes compuestos orgnicos de azufre (p.ej. mercaptanos y sulfuros
orgnicos). Todos ellos causan corrosin a los equipos y envenenan el nodo de la pila de
combustible y reforman el catalizador (produciendo sulfuro de nquel y causando tambin la
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prdida de electrolito para algunos tipos concretos de pilas de combustible), debido a ello, los
fabricantes de pilas de combustible sugieren un lmite de 0,1 1 ppm. Para cumplir los lmites
de tolerancia del S ms exigentes, hay que realizar una profunda limpieza de desulfuracin.
Comercialmente hay disponibles diferentes tecnologas de tratamiento, que van desde los
depuradores qumicos y biolgicos a los procesos de adsorcin (en el Entregable 5 puede
consultarse informacin detallada).
Los fabricantes de pilas de combustible requieren normalmente anlisis en lnea de H2S que
puede ser realizado con sensores electroqumicos. Para este fin pueden emplearse otros
equipos y tcnicas analticas (vase el Entregable 2).
Siloxanos
Aunque existe muy poca informacin fiable sobre los efectos adversos de los siloxanos en los
stacks de pilas de combustible, es probable que la slice bloquee progresivamente los sitios de
adsorcin cataltica reduciendo progresivamente la eficiencia de la pila de combustible; por
tanto es necesaria la eliminacin de siloxanos aguas arriba de la pila de combustible. De hecho,
los fabricantes de pilas de combustible sugieren un valor muy exigente de menos de 0,5 mg
Si/Nm3 en el biogs. Debe observarse que, como los siloxanos son una familia de compuestos,
los lmites deben referirse al silicio (ya sea mgSi/Nm3 o ppm de Si). Como los fabricantes de
pilas de combustible todava no son expertos en la cuantificacin de siloxanos, los productores
de biogs deben pedir el uso de estas unidades (en lugar de ppm o mg/Nm3 en general)
para evitar malentendidos. En relacin con el tratamiento, el proceso de eliminacin ms
amplio es la adsorcin de slido que utiliza carbono activado u otros materiales de adsorcin
(vase el Entregable 5).
La periodicidad de la monitorizacin de la concentracin de siloxanos depende mucho de la
concentracin de entrada y del diseo del sistema de adsorcin, aunque se requiere el anlisis
fuera de lnea porque todava hay disponibles sensores en lnea no fiables para estas familias
de compuestos (en el Entregable 7 puede consultarse informacin adicional).
Halgenos
Los halgenos, principalmente los compuestos derivados del cloruro - y fluoruro- tambin
pueden tener un efecto negativo debido a la corrosin que provoca un rpido dao del stack
de pilas. Normalmente, este no es un problema importante para el biogs de alcantarilla
puesto que los compuestos halogenados voltiles que se han detectado en las muestras de
biogs de alcantarilla son relativamente raros y bajos (es decir: por debajo de los lmites de
deteccin, 0,1 mg/Nm3). No obstante, algunas veces se requieren tecnologas de eliminacin
de halgenos, principalmente cuando el biogs es producido a travs de codigestin con
materias primas que poseen compuestos derivados de halgenos o para biogases de
vertedero. El proceso ms comn consiste en la quimiadsorcin de halgenos a travs de una
acidificacin y a continuacin neutralizacin para formar cloruros y fluoruros. Tambin esta
disponible, la adsorcin de alta temperatura sobre carbono activado (similar a los sistemas
instalados en plantas de incineracin de PCDD y PCDF). No hay experiencia sobre estas
tecnologas y su monitorizacin se ha derivado del proyecto BIOCELL ya que no se detectaron
halgenos en los biogases de los PEMFC y SOFC piloto, aunque posteriormente se han
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realizado contactos con otros proyectos que estudian esto: MCFC-CONTEXTO (FP7-JTI 245171)
y Pile-Eau-Biogaz (ANR-10-HPAC-0005).
1.3. Otras especificaciones Adems, hay otros compuestos que pueden ser perjudiciales y/o pueden afectar mucho al
rendimiento operativo de la pila de combustible; como el oxgeno, la humedad y el metano.
Oxgeno
El oxgeno est presente, a menudo, en el biogs de alcantarilla bruto pero en niveles
inferiores al 0,5%. Daara partes del sistema de la pila de combustible si se le dejara entrar en
el stack, por tanto se requiere un catalizador de desoxigenacin para el oxgeno que contienen
los combustibles (el metano reaccionar con l produciendo dixido de carbono y agua). De
hecho, el biogs que reforma los catalizadores permite esta reaccin (como un reformador
COPROX), debido a ello los fabricantes de pilas de combustible no establecen lmites estrictos
para el oxgeno en el gas limpio. Sin embargo, como el metano se consume en esta reaccin y
se pierde su bajo valor calorfico, la eficiencia elctrica se reduce. Como media, se espera una
reduccin de 1 a 1,5 puntos porcentuales para un combustible de entrada con 2 3% de
oxgeno, como era el caso de la planta piloto de SOFC. Obsrvese que hay tecnologas de
tratamiento de biogs que incrementan el contenido de O2 en el gas tratado: hasta el 2,5% con
filtros biopercoladores y un 1% con microaireacin. Adems, obsrvese tambin que algunas
tecnologas de limpieza requieren un bajo nivel de oxgeno para trabajar eficientemente (p.ej:
el hierro esponja con carbono activado impregnado de KI normalmente requiere niveles del
1% de oxgeno).
La concentracin de oxgeno puede ser monitorizada en lnea con sensores electroqumicos y
paramagnticos.
Humedad
El biogs de alcantarilla bruto est a menudo saturado con agua del proceso de digestin y,
dependiendo de la temperatura del biogs, puede representar del 2 4%. Obsrvese que
dependiendo de la longitud y material de la tubera de gas, las temperaturas de salida y la
eventual presencia de filtros de condensado, el contenido de humedad est por debajo de las
condiciones de saturacin. La presencia de humedad en el gas tratado reduce el consumo de
vapor para la reforma del biogs. Sin embargo, los condensados pueden bloquear el flujo del
combustible y perturbar la instrumentacin del sistema, por lo que deberan prevenirse. Con el
fin de asegurar que no se condensa agua lquida del biogs de alcantarilla, la temperatura
debera mantenerse alrededor de 10C por encima del punto de roco. Se recomienda un
sistema de secado como el de la planta de SOFC con un cambiador de G-G seguido de un
cambiador de G-L. Por el contrario, si se requiere un lmite de humedad muy exigente por
parte del fabricante de la pila de combustible (ya que puede afectar al rendimiento del
catalizador de reforma de biogs), se necesita un sistema de secado basado en adsorcin.
Adems, en aplicaciones de clima fro, se recomienda el acompaamiento trmico +
aislamiento de tuberas para prevenir la condensacin de humedad. En cualquier caso, para el
diseo del sistema debe considerarse la temperatura ms fra del lugar.
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La humedad puede analizarse en lnea con sondas de humedad y temperatura (a travs del
clculo del punto de roco del gas).
Metano/Dixido de carbono
Aunque las pilas de combustible de alta temperatura se disearon inicialmente para
aplicaciones de gas natural, pueden disearse fcilmente para soportar enteramente la
operacin con gases diluidos como el biogs de alcantarilla (los problemas principales son un
mayor cambiador de calor y mayores cadas de presin debidas a caudales nominales del gas
ms elevados). La produccin mxima de potencia puede obtenerse para concentraciones de
CH4 mayores del 60%, como es el caso normal para biogs de alcantarilla. Para el rango del 50
60%, se espera que el rendimiento de la pila de combustible sea menor especialmente en
trminos de eficiencia y relacin de capacidad (reducida hasta el 80% al 50% de metano). Para
estos casos la integracin trmica del sistema global (es decir: post-quemador) tambin
debera disearse especficamente para quemar combustibles de bajo valor calorfico ya que la
concentracin de gases no comburentes ser mucho mayor que la de los gases
convencionales. Por ltimo, hay poca experiencia disponible para combustibles diluidos ms
del 50%, aunque la potencia de salida se ver afectada negativamente en una tasa no lineal
(relacin de capacidad por debajo del 30% al 40% de metano).
Los contenidos de CH4 y CO2 pueden monitorizarse en lnea con sensores de infrarrojos (vase
el Entregable 2).
Por otra parte, de acuerdo con los fabricantes, la variabilidad del valor calorfico del
combustible en ms de 1% puede tener impacto sobre el rendimiento de la pila de
combustible (esta es solo una variacin del 0,5% en el contenido de CH4). Sin embargo, el
proyecto BIOCELL demostr que las pilas de combustible pueden soportar, de manera
verdaderamente eficiente y de forma estable, variaciones mayores que las sugeridas (vase el
Entregable 7). No obstante, las estrategias de control de las distintas partes del equipo de la
pila de combustible (p.ej: temperatura post-quemador, stack) debera disearse
especficamente para fluctuaciones de la composicin del combustible que eviten gradientes
trmicos bruscos, lo que automticamente parara las unidades.
La variabilidad de la alimentacin de combustible y el bajo contenido de metano puede
tratarse incorporando un sistema de mezcla de combustible con gas natural, lo que hace que
el combustible sea ms estable, fiable y concentrado. Adems, deberan evitarse tecnologas
de tratamiento de biogs que diluyan el biogs o/y refuercen las fluctuaciones de composicin
(p.ej: filtros biopercoladores, y microaireacin).
Presin
El biogs de alcantarilla bruto est normalmente a bajas presiones, normalmente en el rango
de mbar(g), y las especificaciones de la pila de combustible, aunque dependen del tipo de pila
de combustible, requieren presiones ms elevadas para trabajar eficientemente. Por
ejemplo, las unidades MCFC requieren 2 bar(a) mientras que las SOFC requieren 1,1 1,5
bar(a). Los requisitos de presin para pilas de combustible de baja temperatura (PEMFC y
PAFC) estn en un rango similar. Por tanto, el gas de digestor debe presurizarse con un equipo
de compresin con certificacin ATEX hasta el rango respectivo para que sea utilizado
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eficientemente en pilas de combustible y monitorizado con transductores de presin en lnea.
Las prdidas de presin a travs de la lnea de tratamiento de biogs tambin deben
considerarse al disear el sistema de compresin. En comparacin con las unidades
alimentadas con gas natural, la prdida de presin ser mayor (como consecuencia de
mayores flujos de gas), por tanto se requieren presiones de entrada un poco ms elevadas.
La tabla 2, muestra el efecto y valores de umbral genricos para los compuestos estudiados:
Tabla 2. Especificaciones de la pila de combustible (adaptadas de varias fuentes)
PEMFC PAFC MCFC SOFC H2 Combustible Combustible Combustible Combustible
CO2 Diluyente Diluyente Recirculado Diluyente
CO Txico
10 ppmv
Txico
10 ppmv;
1% en nodo
Con agua -
cambiada para
crear H2
Con agua -
cambiada para crear
H2
CH4 Inerte,
Combustible
con
reformador
Inerte,
Combustible
con reformador
Combustible -
reformado interna
o externamente
Combustible -
reformado
C2-C6 Txico
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(HCl) 4ppm < 1 ppm
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2. PROYECTOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE ALIMENTADAS POR GAS: DIRECTRICES DE APLICACIN
La metodologa para aplicar pilas de combustible en EDAR est constituida por 5 etapas
diferentes, a saber: (1) eleccin de la pila de combustible, (2) diseo de la lnea de tratamiento
de biogs (3) interfaz de tratamiento de biogs-pila de combustible (4) recuperacin de calor
residual y (5) otros aspectos. Se describen en detalle a continuacin:
2.1. Pila de combustible Fase 1: Razones de la eleccin de las pilas de combustible?
La figura 2 muestra el rbol de decisin que lleva al uso de pilas de combustible en EDAR en
lugar de otras alternativas de recuperacin de energa de biogs. Los criterios considerados
han sido los siguientes:
- Existe alguna recuperacin de energa de biogs?
- Se han llevado a cabo todas las medidas de reduccin del consumo? (eficiencia
energtica)
- Hay condiciones adecuadas en el lugar para la instalacin y operacin (huella,
disponibilidad de combustible, conexin a la red, diseo en planta adecuado)?
- Hay subvenciones para nuevas tecnologas o tecnologas limpias? Pueden las
tecnologas nuevas/limpias ayudar a los operadores de EDAR a conseguir nuevos
contratos o a conservar los antiguos?
- Se requiere la generacin CHP en obra? Son mayores las subvenciones para las pilas
de combustible que para el biometano?
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Figura 2. rbol de decisin para el uso de pilas de combustible alimentadas con gas
Fase 2: Tipo y fabricante de la pila de combustible
La experiencia del proyecto BIOCELL, as como de otras referencias a escala industrial (que
pueden consultarse en el apndice 1), muestran que solo los proyectos de HTFC alimentados
con biogs son una alternativa realista en 2012. En concreto, MCFC, y ms recientemente
tambin PAFC, son dos tipos de pilas de combustible que se estn desplegando en EDAR
debido a que estas tecnologas estn a nivel de comercializacin, mientras que otras todava
no lo estn.
Por otra parte, el nmero de fabricantes de este tipo es todava muy limitado a da de hoy (las
listas de fabricantes estn disponibles en el Entregable 9); Para cada tipo de pila de
combustible solo hay normalmente una alternativa disponible a nivel industrial. Por tanto,
actualmente el proceso de seleccin est impulsado principalmente por las garantas
tcnicas dadas por el fabricante de la pila de combustible. Los Entregables 1 y 4 explican
respectivamente cmo y por qu se seleccionaron los fabricantes de PEMFC y SOFC del
proyecto BIOCELL. Las cotizaciones deberan incluir al menos los siguientes aspectos:
Requisitos de calidad del biogs (basados en las secciones 1.2 y 1.3) y periodicidad de
la monitorizacin (en y fuera de lnea). Como los fabricantes de pilas de combustible
no son expertos en biogs, tanto los requisitos de entrada como la monitorizacin de
la calidad deberan ser siempre definidos conjuntamente entre las dos partes
Fluctuaciones toleradas en la composicin de CH4 y CO2 y explicacin sobre como el
sistema de control puede hacerles frente
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Potencia nominal y producida (p.ej. relacin de capacidad)
Eficiencia elctrica a nivel del sistema (basada en el valor calorfico inferior)
Energa trmica y temperatura de los gases de escape vase la seccin 2.4
Disponibilidad, tiempo de vida de la operacin, nmero de ciclos trmicos y
degradacin prevista(normalmente representada por %Vreduccin/1.000horas)
Hora de arranque: tanto para calentar la unidad como para alcanzar la potencia
nominal
Lista de sensores y sondas (caudal, tensin, temperatura y presin)
Nmero de horas de soporte remoto tras el arranque
Dimensiones (incluyendo BoP)
Requisitos de agua de aporte para reforma de vapor
Formacin de la composicin del gas (normalmente se recomienda 5% H2 en N2) y
cantidad requerida
Programa de operacin y mantenimiento, incluyendo, pero no limitado a la:
sustitucin del catalizador de reforma, resina de intercambio de iones y equipos
mecnicos
Lista de referencias
2.2. Lnea de tratamiento de biogs Considerando los exigentes requisitos de calidad de las pilas de combustible (solicitadas en la
seccin 2.1), un aspecto clave para asegurar el xito de los proyectos de pilas de combustible
alimentadas con biogs es el correcto diseo y la seleccin de los sistemas de tratamiento de
biogs. Hay muchos factores que pueden influir en la lnea de tratamiento ptima para un
estudio de caso especfico, por tanto debera disearse con un enfoque caso a caso. No
obstante, estn ponindose a disposicin las normas de limpieza de sistemas conforme la
aplicacin se hace ms comn. A continuacin se define el proceso de diseo de la lnea de
tratamiento de biogs adaptada a pilas de combustible:
2.2.1. Fase 1: Composicin y caudal de biogs La composicin del biogs de una EDAR determinada es un aspecto crtico al decidir la lnea de
tratamiento ms apropiada y los compuestos que deben eliminarse. Esto es necesario para
todas las alternativas de recuperacin de energa de biogs pero para el caso concreto de las
pilas de combustible tiene un mayor significado y relevancia. Para evaluar la estacionalidad y
valores pico de contaminantes menores y metano, debe recopilarse el perfil de la
composicin del biogs durante largos perodos de tiempo (p.ej. un ao completo); por
tanto, la lnea de tratamiento puede seleccionarse y disearse en consecuencia. La
monitorizacin debe basarse en la lista de parmetros de las secciones 1.2 y 1.3. Adems,
tambin se recomienda evaluar la fuente de influentes de aguas residuales, y analizar los
efectos potenciales de los derrames accidentales locales que asimismo pueden influir en la
composicin del biogs. La variabilidad de la composicin de biogs depende mucho de los
influentes de la EDAR y de la lnea de agua/fangos considerada.
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El caudal de biogs es tambin un factor clave que no solo influye en el diseo de la lnea de
tratamiento, sino tambin en la seleccin de tecnologas especficas. Algunas tecnologas son
ms apropiadas para caudales nominales ms grandes (o ms pequeos) debido a
restricciones tecnolgicas u otras razones econmicas/contextuales.
2.2.2. Fase 2: Diseo general de la lnea de tratamiento de biogs El tratamiento de biogs de alcantarilla adaptado a pilas de combustible consiste
bsicamente en cuatro etapas principales: (1) eliminacin de los compuestos de azufre
(normalmente realizada en dos etapas: eliminacin principal seguida de limpieza), (2)
incremento de la presin, (3) secado del biogs y (4) limpieza final de siloxanos y otros
contaminantes. En general, esto puede hacerse en cualquier orden dependiendo de las
especificidades de cada tecnologa, aunque generalmente la eliminacin principal de azufre se
hace primero. Adems, la humedad puede afectar negativamente a los sistemas de limpieza
en general, por lo que se recomienda secar el biogs antes.
Etapa 1: Considerando los exigentes requisitos de entrada de H2S de la pila de combustible
(menos de 1 ppm), se recomienda establecer una lnea de tratamiento de H2S en 2 pasos para
el biogs bruto.
- Primer paso: usar una tecnologa que reduzca mucho el contenido de H2S en el gas,
con bajo OPEX. Es decir: Depuradores avanzados, filtros biopercoladores o
depuradores custicos. Este paso tambin se denomina "eliminacin principal, puesto
que debe disearse para eliminar ms del 90% del total de H2S presente en el biogs.
El tamao de la planta determina principalmente la eleccin de la tecnologa.
- Segundo paso: usar una tecnologa adicional capaz de reducir el contenido de H2S
hasta valores aceptables para la pila de combustible (menores de 1 ppm).
Normalmente, esto solo puede lograrse usando una tecnologa de adsorcin: p.ej:
Hierro esponjas o carbono activado (impregnado). Este paso tambin se denomina
limpieza, porque reduce el contenido de H2S desde unos valores bajos a
prcticamente cero. La segunda etapa de desulfuracin puede realizarse normalmente
despus de la compresin y secado del biogs (etapas 2 y 3) dependiendo de las
especificaciones de los materiales adsorbentes.
Se recomienda sobredimensionar el sistema teniendo en cuenta posibles bajos
rendimientos del primer paso. Adems, los sistemas adsorbentes deberan
configurarse en forma de adelanto-retardo, por ello la planta nunca se para al
cambiar y/o regenerar los medios. De esta forma, se proporciona una proteccin extra
de la pila de combustible en caso de fallo del primer paso y se garantiza un cambio
seguro (o regeneracin) del medio cuando se satura.
Etapa 2: Para cumplir los requisitos de los sistemas de pilas de combustible (seccin 1.3) es
necesaria la presurizacin. Si se realiza la eliminacin principal de H2S antes de la compresin,
se previene la corrosin y se mejora la vida til del equipo de compresin de gas. El compresor
no debera instalarse al final del sistema para tener presiones positivas a lo largo de toda la
lnea de tratamiento, lo que facilitara tanto la monitorizacin del proceso con los sensores en
lnea como el muestreo fuera de lnea. Las presiones negativas en el lado de aspiracin pueden
reducir el rendimiento del compresor; por tanto deben evaluarse y monitorizarse las cadas de
-
18
presin en el sistema principal de eliminacin de H2S para garantizar presiones positivas en
este lado. Si esta cada de presin representa un problema significativo, en la primera etapa
pueden instalarse compresores resistentes a la corrosin.
Teniendo en cuenta la produccin de biogs en una EDAR de tamao tpico (cientos de Nm3/h)
y los moderados niveles de presin requeridos en las pilas de combustible (pocos bar), se
utilizan normalmente mquinas rotativas de desplazamiento positivo (compresores roots y
de tornillo) (de unos pocos kW). Se recomienda la instalacin de Accionadores de velocidad
variable (VSD) controlados por sensores de presin de final de tubera que garantizarn la
adecuada presin de biogs en la pila de combustible a pesar de las prdidas de presin en la
lnea de tratamiento.
Etapa 3: Para cumplir los requisitos de humedad (seccin 1.3) y para aumentar la vida til de
los materiales adsorbentes es necesario el secado del biogs. A menos que se requieran
niveles muy exigentes de humedad, se recomiendan redes de cambiadores de calor (HEN, por
sus siglas en ingls) sobre los materiales adsorbentes (p.ej: proceso de secado exigente gel de
slice u otros desecantes) ya que son eficientes para reducir la humedad relativa hasta el 40%
(p.ej: requisito de los materiales adsorbentes), han reducido el coste del tratamiento y evitado
fenmenos de adsorcin no deseados (p.ej: adsorcin competitiva con otros contaminantes).
Adems, algunos contaminantes tambin eliminarn solubilizados o condensados en la
corriente de agua, alargando la vida til de los procesos de adsorcin de aguas abajo. Debe
instalarse un HEX (economizador) de gas-gas seguido de un HEX de gas-lquido especialmente
en grandes plantas debido a que reducir los requisitos de electricidad del enfriador. Para
pequeas plantas, puede ser suficiente un HEX independiente de gas-lquido. El agua (con 20
30%w de etilglicol para prevenir la congelacin en climas fros) se utiliza normalmente como
agente refrigerante. La energa trmica disipada en la etapa de secado de biogs
(especialmente en el HEX de G-L) podra recuperarse.
Etapa 4: las tecnologas de adsorcin se utilizan para realizar la limpieza final del gas
eliminando VOSiC, hidrocarbonos lineales, BTEX e hidrocarbonos halogenados (si estn
presentes). Para este fin pueden utilizarse carbono activado, gel de slice, zeolitas y materiales
polimricos. Al igual que para la limpieza de H2S se recomienda la configuracin en avance-
retardo. Sin embargo, la mayora de los suministradores reclaman ya sea comercializar un
producto especfico (a menudo muy caro) para diferentes contaminantes del biogs o
considerar cifras generales para todo el rango de contaminantes de biogs ya que no tienen
informacin especfica sobre cada compuesto. Por lo tanto, una lista grande y fiable de
referencias puede ayudar en la eleccin de uno en lugar de otro.
Esta etapa tambin acta como una proteccin final redundante del H2S, ya que adsorber
trazas remanentes de especies de azufre (incluso si este material adsorbente no es selectivo
para estos compuestos) que pueden estar presentes peridicamente despus de la segunda
etapa de desulfuracin (debido a una operacin ineficiente de la tecnologa principal de
eliminacin de H2S). Como resultado de ello, la limpieza de estos compuestos se realiza aguas
abajo de la limpieza de H2S.
La figura 3 muestra el rbol de decisin para el diseo de una lnea de tratamiento de biogs
para pilas de combustible. Se han considerado los siguientes criterios:
-
19
El biogs est contaminado principalmente con H2S? (es decir: mayor de 200 ppm)
Es significativa la produccin de biogs? (es decir: mayor de 70 Nm3/h)
Est afectado por la humedad el material de limpieza del H2S?
Hay contaminacin de siloxanos?
Hay alguna contaminacin de compuestos clorados (X-HC)?
Tiene la pila de combustible unos requisitos muy exigentes de humedad? (p.ej: por
debajo del 5%)
Figura 3. rbol de decisin para el diseo de la lnea de tratamiento de biogs
-
20
2.2.3. Fase 3: Ingeniera de detalle y seleccin de los fabricantes de tecnologa
Comercialmente hay disponibles varias tecnologas y fabricantes que pueden cumplir los
requisitos generales de diseo de la lnea de tratamiento de biogs para aplicacin en pilas de
combustible, lo que se ha descrito en la fase 2. Hay que tener en cuenta tres aspectos
principales al seleccionar la tecnologa de tratamiento y el fabricante: Rendimiento tcnico,
rendimiento econmico y soporte tcnico. Algunos fabricantes pueden ofrecer la solucin
completa (p.ej: las cuatro etapas completas de la seccin anterior) pero la mayora de ellos
solo suministran una solucin parcial, por lo que resulta necesario evaluar los tres aspectos
principales tanto para la lnea de tratamiento global como para los niveles de
etapa/tecnologa. Las propuestas deben incluir, como mnimo, estos elementos:
Rendimiento tcnico: la eficiencia de la eliminacin y la disponibilidad deberan ser garantas
de funcionamiento y los pagos finales deberan estar sujetos al cumplimiento de objetivos
especficos para estos elementos.
Adems, deberan incluirse las siguientes especificaciones tcnicas:
Descripcin del proceso (diagrama de flujo) y funcionamiento que indique no solo el
contaminante especfico eliminado sino tambin la composicin principal (CH4, CO2, O2
y N2), presin, temperatura y caudal en los puntos intermedios fundamentales.
Fluctuaciones del rendimiento del proceso inherentes a la tecnologa. Efecto de las
fluctuaciones sobre la composicin del biogs bruto en estos parmetros.
Lista de sensores en lnea y estrategias de control (tanto operacin normal como
parada).
Carga de eliminacin mxima y nominal (kg contaminante/m3reactorh) y tamao del
equipo.
Condiciones operativas (adems de su viabilidad para la EDAR concreta).
Cantidad de recipientes, configuracin (serie, paralelo, o avance-retardo) y tipo del
material adsorbente propuesto. Condiciones operativas sugeridas (presin,
temperatura, y humedad) y capacidad de adsorcin (masa de contaminante que puede
ser adsorbida por masa de adsorbente). Los nombres de marcas y composicin exacta
no se requieren ya que pueden ser propietarias aunque son necesarios algunos
parmetros especficos (p.ej.: dimetro y forma de partcula, rea BET, distribucin del
tamao de poro).
Requisitos de potencia del compresor/soplantes, enfriadores y cualquier otra carga
Programa de operacin y mantenimiento incluyendo, aunque no limitndose a:
o Frecuencia del anlisis de biogs fuera de lnea.
o Frecuencia de sustitucin/regeneracin (y descripcin de cmo y quin
debera realizar esta sustitucin/regeneracin) del material adsorbente.
o Lubricacin de los equipos rotativos.
o Sustitucin de filtros y otros consumibles.
o Sustitucin de equipos mecnicos.
Lista de referencias
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Rendimiento econmico: Deberan realizarse anlisis de rentabilidad econmica (CAPEX,
OPEX, amortizacin) para determinar la tecnologa y configuracin de tratamiento ptima
dependiendo de la escala de la produccin de biogs y la composicin del biogs bruto. Los
sistemas ms pequeos tienden a ser ms caros por unidad de gas tratado, y los sistemas con
niveles de contaminacin ms elevados sern ms caros que los sistemas de gases de baja
contaminacin. Como regla general, las tecnologas con elevado CAPEX pero bajo OPEX son
indicadas para bajos caudales, y las de bajo CAPEX pero elevado OPEX, para plantas pequeas.
Las evaluaciones tcnico-comerciales para diferentes tratamientos de biogs pueden
consultarse en los Entregables 8 y 9.
Soporte/asistencia tcnica: Es aconsejable un soporte remoto o cara a cara del fabricante
para reducir el riesgo de un funcionamiento deficiente del sistema y anticipar posibles
acciones de mantenimiento/correctivas. Este es siempre un factor relevante, pero adquiere
incluso ms importancia para el caso de las pilas de combustible porque las tecnologas de
tratamiento deberan siempre funcionar con estndares muy elevados. Por lo tanto, si esta
opcin no entra en contradicciones con los aspectos tcnicos y econmicos, se recomiendan
los fabricantes locales.
Adems, se recomienda que los fabricantes estn activamente interesados en el proyecto para
obtener de ellos alguna respuesta de mejora del producto, o para otros fines. Normalmente,
los proyectos de pilas de combustible son adecuados para obtener este soporte adicional ya
que son una tecnologa limpia e innovadora.
En el Apndice 2 pueden consultarse los indicadores generales para varios rangos de
tecnologas de tratamiento de biogs, as como otros aspectos importantes correspondientes a
cada tecnologa. Adems, los Entregables 6 y 7 recogen una evaluacin muy detallada de las
siguientes tecnologas y fabricantes:
Filtro biopercolador DMT (Holanda)
Depurador custico Hera Amasa (Espaa)
Hidrxidos de hierro y carbono activado convencional Bioconservacin (Espaa)
Carbono activado impregnado de NaOH Chemviron (EE.UU.)
2.2.4. Fase 4: Auxiliares Antorcha/Caldera: Los tiempos de parada de las tecnologas de tratamiento y excedentes de
produccin de biogs deben ser respaldados por un sistema de quemado de seguridad (p.ej:
antorcha). Por otra parte, tambin se requiere una caldera (que normalmente existe en las
EDARs) para hacer frente a los requisitos de calentamiento del digestor si se para la pila de
combustible. Como resultado de ello, es necesario que se establezcan sistemas de control para
coordinar los flujos de biogs a las diferentes unidades.
Se recomienda instalar a lo largo de la lnea de tratamiento dos puntos de salida: uno despus
de la etapa de eliminacin principal y el otro despus de la etapa de limpieza (justo antes de la
pila de combustible). De esta forma, no hay necesidad de parar toda la lnea de tratamiento si
se paran las unidades de aguas arriba. Esto es particularmente til cuando la etapa de
eliminacin principal es biolgica (filtro biopercolador o depurador avanzado), puesto que el
arranque de estos sistemas no es inmediato.
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Drenajes: Como el biogs bruto se satura normalmente a 37 C, se recomienda la instalacin
de vlvulas de drenaje de agua ya que existe el riesgo potencial de acumulacin de
condensado de agua. Esto es particularmente importante cuando el sistema de tratamiento y
la pila de combustible no estn cerca de la tubera de biogs principal (lo que sucede en la
mayora de los casos). El lugar de instalacin de estos puntos de drenaje depende del diseo y
configuracin del sistema de tuberas (p.ej. tuberas en pendiente, codos, etc.)
Tanque de almacenamiento de sangrado: La eliminacin de H2S principal y las tecnologas de
secado de biogs producen efluentes lquidos que deben ser tratados en la EDAR. Las tasas de
produccin son diferentes para cada tecnologa pero la gran mayora de la produccin de
sangrado proceder del sistema de eliminacin principal de H2S en lugar del de secado. Se
recomienda instalar un tanque de almacenamiento de sangrado como almacenamiento
intermedio entre la instalacin de tratamiento de biogs y la entrada de la EDAR. Para este fin
pueden utilizarse las bombas existentes en la EDAR.
2.3. Interfaz de tratamiento de biogs con pilas de combustible
Se requieren varias interfaces entre el tratamiento de biogs y la pila de combustible. Los
diferentes SCADAs de los equipos deberan estar interconectados para compartir
informacin y activar estrategias de control comunes.
Sistema de anlisis de biogs
Tambin debera implementarse un buen sistema de anlisis de biogs y monitorizacin de
la presin/temperatura. Se recomienda tener, como mnimo, tres puntos de medicin (el gas
bruto, despus de la etapa principal, y despus de la limpieza), ya que todas las partes de la
lnea de tratamiento deben evaluarse separadamente. Los sistemas de anlisis en lnea y su
mantenimiento son caros, pero una medicin continua en lnea de H2S antes de la entrada a
la pila de combustible es absolutamente necesaria puesto que >1 ppm durante un breve
perodo de tiempo puede tener consecuencias crticas para la vida til de funcionamiento de la
pila de combustible. El Entregable 2, incluye una revisin de los equipos de anlisis de biogs.
Respaldo de gas natural
Para el suministro de combustible a la pila de combustible hay dos opciones de combustible:
Simple y mezcla. Con cada una de estas configuraciones, puede requerirse el acompaamiento
trmico de los componentes del sistema de tratamiento de biogs de alcantarilla para
aplicaciones de clima fro.
Combustible simple (biogs o gas natural): Aunque los sistemas de tratamiento de
biogs adecuadamente diseados y operados cumplirn los requisitos de las pilas de
combustible sobre una base continua, como el nmero de arranques/paradas de las
pilas de combustible es limitado (especialmente en unidades de alta temperatura) se
recomienda utilizar gas natural como combustible de respaldo para prevenir ciclos
trmicos de la unidad. Teniendo en cuenta lo anterior, la pila de combustible se
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23
alimentar con biogs cuando se cumplan los requisitos de entrada y con gas natural
cuando no sea as (o cuando no se disponga de biogs).
Mezcla de combustible (biogs + gas natural): Para suministros de biogs de
alcantarilla no continuos que estn muy diluidos, y/o de composicin considerada no
fiable, se recomiendan pilas de combustible con la opcin de mezcla de combustible.
En esta configuracin, el biogs de alcantarilla tratado se suministrar a una conexin
de mezcla de combustible antes de ser introducido en la pila de combustible. Adems,
una de las dos fuentes de combustible necesita estar continuamente disponible a
plena presin y caudal. Se utilizar la fuente ms consistente (tpicamente gas natural)
para las operaciones de calentamiento y espera. Tambin podra utilizarse gas natural
licuado como combustible de mezcla.
Conexin elctrica
Como el suministro de biogs de alcantarilla se mantiene durante las paradas de la red
elctrica, se recomienda que los equipos elctricos tanto en el mdulo de tratamiento de
biogs (p.ej: compresor, controles, bombas, etc.) como en la pila de combustible (soplante de
aire, bombas, calentadores de soporte) puedan ser alimentados independientemente de la
red elctrica (p.ej: con una alimentacin elctrica de emergencia (EPS, por sus siglas en ingls).
Esto prevendr paradas durante las paradas de la red, ya que los mdulos de la pila de
combustible y el tratamiento se dispararn a la EPS en espera del retorno de la red elctrica.
Se recomienda que ambos mdulos estn alimentados a travs de la misma EPS. Para
disear la EPS, es necesario evaluar la cantidad de energa que puede requerirse y predecir la
variabilidad y duracin de la parada.
2.4. Sistema de recuperacin de calor residual Un aspecto importante que tambin debera tratarse al principio del proyecto es la
recuperacin de calor residual. Aunque el proyecto BIOCELL no se centr en este aspecto (por
lo que no se ha derivado conocimiento especfico del mismo), es un aspecto muy importante
en todos los Sistemas de conversin de energa (ECS) similares a CHP. Las pilas de combustible
pueden desplegarse casi siempre para aplicaciones de CHP. La trigeneracin (produccin
simultnea de calor, fro y energa) tambin es una solucin tcnicamente posible pero como
los requisitos de refrigeracin en la EDAR son menos s importantes, el CCHP con pilas de
combustible alimentadas con biogs est menos desarrollado (no obstante es una alternativa
comn para pilas de combustible instaladas en centros de informticos). La eficiencia trmica
no solo depende del ECS sino tambin de los requisitos de calor en el lugar y de como se
aplica la recuperacin de calor. Algunos equipos de recuperacin de calor pueden ser
suministrados por el fabricante de la pila de combustible, aunque en general el sistema
completo (incluido el diseo e ingeniera) requiere generalmente un fabricante especfico;
por ello, se ha dedicado un captulo separado a este asunto.
Los dos aspectos principales que deberan estudiarse al evaluar las alternativas de
recuperacin de calor son: (1) calor disponible (fuente de calor) y (2) requisitos de calor
(drenaje trmico). El Entregable 9 contiene informacin adicional sobre estos aspectos.
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Calor disponible
Bsicamente es el calor sensible de los gases de escape, que depende principalmente de la
temperatura del gas de escape, un valor que determinar no solo la cantidad de calor
disponible (kW) sino tambin su rango de aplicacin. Realmente, si la temperatura de la fuente
es inferior a la temperatura de uso ms baja, incluso si hay grandes cantidades de calor
residual, no ser posible la recuperacin sin consumo de energa para incrementar el nivel de
temperatura. Adems, el nivel de temperatura da una indicacin de la eficiencia de
intercambio; cuanto ms baja es la temperatura, ms baja es la eficiencia y mayor el
cambiador de calor. La tabla 3 muestra la temperatura disponible para recuperacin de calor
para varias tecnologas de recuperacin de energa de biogs. Como puede observarse, las
temperaturas obtenidas de sistemas de pilas de combustible disponibles industrialmente
(p.ej: PAFC y MCFC) estn en un rango similar a las de los sistemas CHP convencionales. Pilas
de combustible disponibles en unidades prototipo (p.ej: aquellas probadas en el proyecto
BIOCELL, PEMFC y SOFC) muestran niveles de temperatura mucho ms bajos, aunque pueden
mejorarse significativamente si las prdidas de calor se reducen como resultado de una mejora
de la integracin de calor.
Tabla 3. Temperatura de escape de diferentes ECS
Temperatura (C)
Motor de combustin interna Calor de bajo nivel (camisa de agua/aceite): 70
110
Calor de alto nivel (gases de escape): 450
500
Micro-turbinas 250 300
PAFC 200
MCFC 340 400
SOFC (proyecto BIOCELL, 2012) 240
PEMFC (proyecto BIOCELL, 2012) 120
Los gases de escape pueden usarse (1) para producir un fluido que transfiera calor (agua o
aceite trmico), (2) para producir vapor, (3) directamente para aplicaciones de secado, o (4)
para alimentar una mquina refrigeradora de absorcin. La cantidad de calor producido se
calcula de forma diferente para cada uno de los cuatro casos, aunque en todos ellos es funcin
del calor de nivel ms bajo requerido (p.ej: la temperatura de la corriente del gas de escape se
enfra).
Debido a la calidad extremadamente elevada del escape en las pilas de combustible,
resultante del exigente sistema de tratamiento de biogs de alcantarilla aguas arriba, el escape
puede condensarse y el calor latente de la humedad recuperarse sin riesgo de corrosin en
los cambiadores de calor. Adems, los gases de escape de las pilas de combustible tienen una
concentracin de humedad ms elevada comparada con la de los motores de combustin
interna (15% frente a 5% de promedio) debido a la adicin de vapor para reforma del vapor de
biogs; por lo tanto el calor latente representa una gran fuente de recuperacin de calor.
Como se mostr en la figura 4, este efecto se observa por el cambio de pendiente cuando los
gases de escape se enfran por debajo de 60C (que corresponden al punto de roco de los
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25
gases de escape). La figura 4 corresponde a un MCFC para 500 kWth de LHV de biogs de
alcantarilla (temperatura del gas de escape de 370C). Si los gases de escape se enfran hasta
60C, pueden recuperarse alrededor de 160 kW de calor, lo que lleva a una eficiencia trmica
del 32%. Por otra parte, si la temperatura de los gases de escape se reduce a 40C, entonces se
requiere la condensacin del escape, y pueden recuperarse 60 kW adicionales,
correspondientes a 220 kW y 44% de eficiencia trmica. No obstante, las experiencias reales
de los sistemas de pilas de combustible que enfran los gases de escape a dichos niveles de
temperatura son limitadas.
Figura 4. Eficiencia trmica de una unidad MCFC dependiendo de la temperatura del escape (fuente: MTU)
Requisitos de calor
En la tabla 4 se muestran los requisitos de calor convencionales en la EDAR y sus respectivas
temperaturas requeridas (es necesaria una diferencia de temperatura entre la fuente y el
proceso para garantizar una eficiente transferencia de calor). Como se ilustr, teniendo en
cuenta el nivel de temperatura, el calor de las pilas de combustible a 370C (p.ej: MCFC)
podra usarse para todas estas aplicaciones. Sin embargo, en trminos cuantitativos, solo
puede satisfacerse completamente la demanda trmica de calentamiento del digestor
mesoflico con pilas de combustible (los clculos detallados se muestran en el Entregable 9).
Las otras aplicaciones de fangos-lnea requerirn fuentes de energa trmica adicionales
mientras que las aplicaciones de la elctrica dependern de cada situacin particular. Por
tanto, el enfoque ms comn de la recuperacin de calor para pilas de combustible es la
produccin de agua caliente que se utiliza para calentar los digestores. En todo caso, los
operadores de EDAR deberan revisar caso a caso los requisitos de calor en obra para
determinar la mejor configuracin para la configuracin del sistema de recuperacin de calor
residual.
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26
Tabla 4. Requisitos convencionales de calor en EDAR
Temperatura
de proceso
(C)
Temperatura
requerida de
la fuente (C)
Puede ser
proporcionada
por pilas de
combustible?
(cualitativa)
Puede ser
proporcionad
a por pilas de
combustible?
(cuantitativa)
Ln
ea
de
fa
ng
os
Calentamiento del digestor
(mesoflico) 35 38 55 65
Calentamiento del digestor
(termoflico) 50 55 70 75
Pretratamiento trmico de fangos
(p.ej: proceso CAMBI) 170 180 190 200
Secado de fangos a alta
temperatura 300 320
Secado de fangos a baja
temperatura 70 75 85 95
Uti
lida
d
Calentamiento de edificio 25 30 40 50
Agua sanitaria caliente (SHW) 40 60 60 80
Refrigeracin de edificio (con
enfriadores de absorcin) -
100 150
(calor lquido)
250 (calor
gaseoso)
2.5. Otros aspectos Calidad del agua y del aire
Para la reforma de biogs es necesaria la adicin de agua desionizada. La
conductividad debe ser inferior a 2 S/cm para prevenir incrustaciones inorgnicas
como consecuencia de una concentracin evaporativa. Las resinas de intercambio
inico equipadas con sensores de conductividad se instalan normalmente para cumplir
esta finalidad. Adems, los gases disueltos (p.ej: oxgeno) tambin representan un
problema ya que pueden causar corrosin a las tuberas metlicas (el oxgeno ataca las
paredes formando xidos metlicos) y problemas con los equipos de medicin cuando
la desgasificacin no se controla. Los desaireadores pueden acoplarse fcilmente a
los sistemas de pilas de combustible ya que hay corrientes calientes disponibles para
separar los gases disueltos.
La calidad del aire en la EDAR puede ser una preocupacin debido al potencial de
elevado ambiente de azufre, especialmente si no hay instalado en el lugar un sistema
de eliminacin de olores. Los niveles elevados de humedad tambin pueden tener un
impacto negativo en la pila de combustible, especialmente para unidades prototipo
que normalmente no estn protegidas del agua y polvo (de acuerdo con el cdigo IP)
Salud y seguridad: Certificacin ATEX
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27
Es necesario realizar una evaluacin de riesgo ATEX al principio del proyecto y revisarla
peridicamente. En este sentido, los dispositivos elctricos instalados en plantas de pilas de
combustible alimentadas por biogs (tratamiento, instrumentacin y pila de combustible), as
como otros equipos que trabajan con gases quemables, deben poseer certificacin ATEX(es
decir: tener una etiqueta ATEX). Los dos parmetros principales para determinar el tipo de
certificacin requerida son:
Clasificacin de zona ATEX (0, 1 2): conforme a la periodicidad de fugas de gas
(continua, ocasional, o infrecuente) y a la ventilacin en el lugar (alta, media o baja
dependiendo de la velocidad del viento y la disponibilidad de viento).
Gases de trabajo: Metano (grupo de explosin I y temperatura de ignicin T1) para
instrumentacin y tratamiento de biogs e hidrgeno (grupo de explosin IIC y
temperatura de ignicin T1) para pilas de combustible1
Para reducir el coste global de sus equipos crticos, los fabricantes de pilas de combustible que
proporcionan unidades prototipo no tienen normalmente la certificacin ATEX. No obstante,
para instalaciones a escala industrial, la pila de combustible debe cumplir la normativa ATEX.
1 La pila de combustible debe certificarse para hidrgeno ya que es el compuesto ATEX ms crtico (p.ej:
ms que el monxido de carbono y el metano)
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3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES DE LA OPERACIN DE PEMFC Y SOFC
La operacin tanto del tratamiento del biogs como de los sistemas de pilas de combustible es
particular de cada tecnologa; por lo que no es posible obtener directrices generales de
operacin, similares a las directrices del proceso de aplicacin (seccin 2). Esta seccin recoge
las conclusiones ms importantes y lecciones aprendidas de las PEMFC y SOFC piloto, as como
las cuestiones clave de investigacin. Esta informacin es relevante tanto para el diseo como
para la operacin de sistemas de pila de combustible alimentados por biogs. La informacin
detallada puede consultarse en los Entregables 6 y 7.
3.1. Balance energtico de lneas PEMFC y SOFC completas
Las figuras 5 y 6 muestran los balances energticos de las lneas PEMFC y SOFC completas. Los
tratamientos de biogs se han reducido para ajustarlos a la potencia nominal de las pilas de
combustible.
Figura 5. Balance energtico del sistema de PEMFC del proyecto BIOCELL
Figura 6. Balance energtico del sistema de SOFC del proyecto BIOCELL
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3.2. Pilas de combustible PEMFC y SOFC Conclusiones y lecciones aprendidas de la unidad PEMFC de Murcia:
Procesador de combustible (reformado seco + cambio de agua gas + COPROX)
El proceso es autosostenible trmicamente y las tres etapas pueden acoplarse juntas.
La composicin del gas reformado al final del proceso (42% H2, 34% CO2, 13%
CH4, 10% H2O, 2% N2 y 4ppm CO) cumple los exigentes requisitos de PEMFC en relacin a la calidad de CO.
Todos los reactores deben estar equipados con calentadores elctricos
suplementarios debido a que los cambios/reducciones bruscas de las
temperaturas y presiones de operacin causan la formacin de carbonilla.
Preguntas
clave de
investigacin
En condiciones de operacin de 50CH4:50CO2, 4 bar(a), 750C y 8.500 h-1, la
conversin de CH4 en el reformador seco es muy baja, entre el 45 50%. Esto significa que el 50 55% del valor calorfico inferior del gas se pierde
directamente Investigacin adicional: optimizar las condiciones de
operacin del reformador para aumentar la conversin de CH4
El acero inoxidable 316 favorece la formacin de carbono (debido a la
presencia de Ni, lo que cataliza el craqueo de metano) Investigacin
adicional: utilizar nuevas aleaciones/materiales de construccin para los
reactores.
Stack de PEMFC
La eficiencia elctrica del stack operado con gas reformado es del orden del 40
45%, ligeramente por debajo del rendimiento si se trabaja con H2 puro (lo
que significa el 50 70%) aunque mayor que las tecnologas CHP
convencionales.
Preguntas
clave de
investigacin
Estn desarrolladas para operar con H2 puro y no con biogs reformado. Como
resultado de ello, no es posible alcanzar la potencia nominal del stack, por tanto son necesarios sistemas sobredimensionados (p.ej: lo que significa CAPEX ms elevados) Investigacin adicional: desarrollar tanto stacks de PEMFC que puedan trabajar con contenidos de hidrgeno ms bajos como con
procesos de reformado que produzcan gases deformados de contenido de
hidrgeno ms elevado.
Actualmente tienen un CAPEX de 3,8 k/kW; ms bajo que otros tipos de pila
de combustible pero ms alto que las tecnologas convencionales
Investigacin adicional: reducir el coste de inversin.
Sistema integrado - rendimiento global
Preguntas
clave de
investigacin
La eficiencia elctrica global est por debajo del 20%, principalmente como consecuencia del bajo rendimiento del reactor de reformado de biogs
Investigacin adicional: optimizar las condiciones de operacin del reformador
para aumentar la conversin de CH4
Las prdidas trmicas son enormes (alrededor del 75 85%) como resultado de la deficiente integracin trmica del sistema; por tanto se observa una
eficiencia trmica muy baja (5% a 120C) Investigacin adicional: modificar el diseo actual para incrementar la recuperacin de energa trmica
incluyendo al menos economizadores y un aislamiento mejorado.
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La adicin de CO2 (para reformado seco) es responsable de un rendimiento
econmico y ambiental negativo del sistema PEMFC completo. Adems,
tambin es responsable del bajo contenido de H2 en el gas reformado
Investigacin adicional: utilizar procesos de reformado de biogs de vapor.
Conclusiones y lecciones aprendidas de la unidad SOFC de Matar:
Stack de SOFC
A diferencia de los stacks de PEMFC, los de SOFC se desarrollaron para operar
con 40%H2, lo que corresponde a la composicin del biogs reformado. Como
resultado puede lograrse la potencia nominal de SOFC
Se obtienen eficiencias elctricas para el stack del orden del 45 50%
Variaciones de composicin del biogs de alcantarilla limpio del 5 10% en contenido de CH4 (que pueden producirse en el biogs de alcantarilla) no afectan a la potencia de salida de la pila de combustible. No obstante, deberan evitarse gradientes pronunciados en el contenido de metano ya que
afectan al balance energtico.
Preguntas
clave de
investigacin
Actualmente tienen un CAPEX de 25 k/kW; ms alto que cualquier otro tipo
de pila de combustible Investigacin adicional: reducir el coste de inversin
Sistema integrado - rendimiento global
Los sistemas SOFC alimentados por biogs pueden operar de manera estable a
lo largo del tiempo en trminos de produccin de energa y eficiencia elctrica.
Durante los primeros 5 ciclos trmicos no se observ degradacin del rendimiento.
La eficiencia trmica es del orden del 40% (a una temperatura de 240C).
Preguntas
clave de
investigacin
La eficiencia elctrica del sistema es solo del 25% porque es necesario introducir parte del biogs directamente en el postquemador para asegurar la
integracin trmica. Las prdidas trmicas representaron el 38% a pesar del
diseo compacto y de los adecuados materiales de aislamiento
Investigacin adicional: optimizar la recuperacin de energa trmica, p.ej:
incluir todos los stacks, reactores y cambiadores de calor en una caja caliente
La operacin de dos stacks en paralelo no es homognea (p.ej: se observan
diferencias de temperaturas y potencias de salida) Investigacin adicional:
operar los stacks independientemente e identificar nuevas estrategias de
acoplamiento.
Todas las acciones de mantenimiento (correctivo/preventivo) requerido fuera
de obra y trabajos que consumen un tiempo muy elevado Investigacin
adicional: desarrollar unidades de mantenimiento ms sencillas
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3.3. Tratamiento de biogs Conclusiones y lecciones aprendidas de las tecnologas de tratamiento de biogs:
Diseo de la lnea de tratamiento
Las tecnologas de tratamiento de biogs estn preparadas para cumplir los exigentes requisitos de calidad tanto de PEMFC como de SOFC
Una eliminacin principal seguida de una estrategia de limpieza garantiza una
elevada eficiencia y un bajo OPEX global. Con el diseo adecuado, los OPEX para tratamiento de biogs van de 3,5 4 c/Nm3
El tratamiento de biogs debe ser completo, fiable y sobreprotector para la pila
de combustible (la configuracin en avance-retardo para lechos adsorbentes es
absolutamente necesaria)
La humedad no es un txico para el catalizador de reforma seca como se prevea
inicialmente. Por tanto, no es necesario un lmite de humedad del 2,5%, por lo
que no se requieren estrictos procesos de secado con gel de slice
Depuradores qumicos
Si se opera a un pH 10 11, es posible una operacin altamente eficiente (sobre el 90 95%) y fiable para la eliminacin de H2S en un amplio rango de temperaturas operativas, 5 30C
El arranque de los depuradores custicos es inmediato. En condiciones fras,
pueden surgir problemas con la bomba de circulacin como consecuencia de la
congelacin parcial de la solucin de sosa
El sangrado debe tratarse directamente en el reactor biolgico (p.ej: no en la
EDAR de entrada) para promover una oxidacin rpida de las especies de
sulfuro a sulfato
Preguntas
clave de
investigacin
En tiempos de retencin de 50 segundos, tambin se absorbe el 20 25% CO2;
por tanto el consumo especfico de reactivo est prximo a 20 kg NaOH/kg H2S, mucho ms alto que conforme a la estequiometra. Como resultado, el OPEX puede multiplicarse por 6 en comparacin con los sistemas biolgicos Investigacin adicional: optimizar las condiciones de operacin para reducir
la absorcin de CO2
Filtro biopercolador
Con temperaturas de 30C, tiempos de retencin por encima de 100 segundos,
y un pH 1,5, H2S se pueden obtener eficiencias de eliminacin del orden del 85 90%, ligeramente menores que los depuradores qumicos (pero a un coste muy reducido)
Con la inoculacin previa de fango, el filtro biopercolador requiere unos 10 das
para alcanzar el rendimiento de estado estable. Si el sistema se ha parado
durante un breve perodo de tiempo (p.ej: una semana), el arranque solo
requiere unos 3 das.
El sangrado debe tratarse en la entrada de la EDAR para diluir su acidez con el
agua residual influente
Preguntas
clave de
investigacin
Con una inyeccin de aire en la fase de gas, la formacin de azufre dentro del
material de embalaje supone en torno al 60 70%; de ah la obstruccin del
lecho y reduccin de la disponibilidad de la unidad Investigacin adicional:
mejorar la transferencia de la masa de oxgeno (p.ej: suministro de aire en la
fase lquida, material de embalaje ms poroso)
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Causa grandes fluctuaciones en la composicin del biogs de salida (en trminos de compuestos principales, p.ej: CH4, CO2 y O2), que perturban la
operacin de la pila de combustible Investigacin adicional: desarrollar un
sistema que reduzca la variabilidad de la composicin del biogs de salida
Sistemas de lavado
La adsorcin con hidrxidos de hierro y carbono activado impregnado en NaOH
es muy eficiente para la eliminacin de H2S. Estos materiales tambin absorben
grandes cantidades de humedad; por tanto, el lavado de H2S debe situarse aguas
abajo de la etapa de secado de biogs
La adsorcin con carbono activado es eficiente para reducir la concentracin de
siloxanos aunque se prev una tasa de consumo muy alta (por tanto del coste).
Los materiales que pueden absorber cargas de siloxanos ms altas, p.ej: gel de
slice, pueden ser una alternativa
Como conclusin, la figura 7 muestra el nivel de desarrollo de las tecnologas probadas en el
proyecto BIOCELL. En general, se concluye que:
1. Los sistemas de PEMFC alimentados por biogs no estn preparados para el mercado
y es necesaria una investigacin bsica.
2. Los sistemas SOFC alimentados por biogs tampoco estn preparados para el
mercado. No obstante, se espera que el tiempo de comercializacin sea mucho ms
corto y tengan unas perspectivas de uso ms ambiciosas que los sistemas PEMFC
3. Las tecnologas de tratamiento de biogs estn preparadas para ser comercializadas
y cumplen los estrictos requisitos de calidad de las pilas de combustible a escala
industrial con el adecuado diseo y operacin
Figura 7. Nivel de desarrollo de las tecnologas probadas dentro del proyecto BIOCELL *Los MCFC no se probaron a nivel experimental en este proyecto pero las experiencias operativas de las unidades
industriales se recogieron en el Entregable 9
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4. DESAFOS CLAVE PARA LA IMPLANTACIN DE PILAS DE COMBUSTIBLE EN EDAR PARA EL 2020
El proyecto BIOCELL ha identificado 10 desafos clave necesarios para la implantacin de las
pilas de combustible en EDAR para el 2020. Estos desafos se han clasificado de acuerdo con 4
grandes reas: rendimiento tcnico, reduccin de costes, normativa comunitaria y el sentido
prctico. Los productores de biogs, suministradores de tratamiento de biogs y fabricantes de
pilas de combustible deberan tratar conjuntamente todos estos aspectos a travs de la
investigacin, desarrollo e innovacin colaborativa. Las 4 grandes reas se detallan a
continuacin:
Rendimiento tcnico/Tecnologas
Factores de calidad del gas
El conocimiento sobre la degradacin de los sistemas de pilas de combustible debido a la
presencia de contaminantes de biogs es actualmente limitado, por tanto los fabricantes
establecen requisitos de calidad de entrada muy exigentes y conservadores (a menudo poco
prcticos), que dificultan la aceptacin de esta tecnologa por operadores de EDAR.
De acuerdo con los resultados del proyecto BIOCELL (Entregables 6 y 7), el cumplimiento de
los requisitos de calidad del gas ya est resuelto en 2012, ya que las tecnologas de
tratamiento de biogs han demostrado ser suficientemente fiables y slidas para garantizar el
cumplimiento a largo plazo de estos lmites. No obstante, se requiere investigacin sobre el
efecto preciso de los contaminantes de biogs en el rendimiento y degradacin de las pilas de
combustible, desarrollo de materiales con robustez ante las impurezas y desarrollo de
tecnologas y procesos de tratamiento innovadores para reducir el coste del tratamiento y los
riesgos de operacin. Por ltimo como se dijo previamente, los operadores de EDAR deberan
definir, junto con los fabricantes de pilas de combustible y los suministradores de
tratamiento de biogs, los requisitos de calidad del biogs y el esquema de monitorizacin.
Eficiencia elctrica/trmica elevada y estable, disponibilidad y vida til
La tabla 5 recoge los indicadores clave de rendimiento tcnico ms importantes y sus
correspondientes objetivos para 2015 (establecidos por el Departamento de la Energa de los
EE.UU.) para evaluar el rendimiento de las pilas de combustible. Se definieron para el gas
natural, pero tambin pueden ser una referencia prctica para el biogs.
Tabla 5. Objetivos tcnicos para pilas de combustible operadas por gas natural (fuente: DoE)
Unidad Objetivo de 2015
Eficiencia de la energa elctrica a la
potencia nominal
% 42,5
Eficiencia de la energa CHP a la
potencia nominal
% 87,5
Disponibilidad del sistema % 98
Vida til operativa horas 40.000
Tiempo de transicin (desde 20C) minutos 30
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Todos estos indicadores deben cumplir las operaciones a largo plazo para diferentes
composiciones y condiciones de biogs para promover el uso de pilas de combustible. Los
operadores de EDAR deberan contribuir a este logro, aunque es mayor tarea de los fabricantes
de pilas de combustible. Como se present en los Entregables 6 y 7, ni los sistemas SOFC ni los
PEMFC estn disponibles en 2012 para cumplir esos indicadores. Por otra parte, las unidades
MCFC alimentadas con biogs de alcantarilla mostraron que indicadores como la eficiencia
elctrica y la disponibilidad ya exceden los objetivos (datos recogidos a travs de auditoras
industriales externas realizadas a lo largo de otros proyectos).
Desarrollo de tecnologas competitivas
Las pilas de combustible pueden utilizarse en aplicaciones que van de kWe (EDAR pequeas,
p.ej: 2 MW) con rendimiento similar debido a que su eficiencia elctrica,
como son sistemas modulares, no depende significativamente del tamao. De hecho, las
instalaciones con menos de 50 150 kW no son econmicamente atractivas con tecnologas
convencionales, por tanto los fabricantes de sistemas de pilas de combustible actualmente se
estn centrando en este sector concreto. Adems, si hay unidades disponibles industrialmente
para este rango de potencias, el nmero de EDAR con produccin de biogs podra aumentar,
ya que las plantas pequeas no estn equipadas actualmente con digestin anaerbica porque
no pueden recuperar la inversin.
No obstante, ya hay establecidos sistemas convencionales (preliminares o pozo) para cada
aplicacin diferente, por tanto las pilas de combustible tendrn que estar preparadas para
competir con estas tecnologas (tcnica, econmica y ambientalmente). Como resultado de
ello, el uso de las pilas de combustible se ve dificultado tanto por:
Nuevos desarrollos de motores de combustin interna (aumento de la vida til y
eficiencia elctrica). Por ejemplo, el nuevo motor de Jenbacher, J920 de 9,5 MWe
reclama tener una eficiencia del 48,7%. Aunque este rango de potencia es demasiado
grande para las EDAR, muestra la ambicin de los fabricantes de ICE para mejorar el
rendimiento de sus sistemas.
Desarrollo de tecnologas -CHP (-turbinas, motores Stirling).
El Entregable 9 del proyecto BIOCELL compara el rendimiento trmico de los sistemas de pilas
de combustible (MCFC, SOFC y PEMFC) y las tecnologas convencionales (ICE, micro-turbina e
ICE acopladas a un ciclo orgnico Rankine) para dos tamaos de EDAR (100.000 y 500.000 PE)
Reduccin del coste
Reduccin de CAPEX y OPEX
Como se mostr en el Entregable 9, en la actualidad, las pilas de combustible no solo tienen
CAPEX ms elevado sino tambin OPEX que las tecnologas convencionales. Tanto los costes de
inversin del sistema completo de la pila de combustible (5.800 /kWe para unidades MCFC)
como la vida til del stack (aprox. 5 aos) necesitan ser mejorados si se desea que compitan
con ICE (1.000/kWe y 15 aos respectivamente). Por tanto, la tecnologa ms rentable
econmicamente todava es ICE, con perodos de amortizacin de entre 2 y 7 aos
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dependiendo el tamao de la planta y de la composicin del biogs. Las amortizaciones para la
pila de combustible solo podran calcularse para tecnologas comerciales (p.ej: MCFC) si
hubiera disponibles subvenciones de CAPEX (p.ej: existen en EE.UU. y Alemania), y estaran
entre 8 y 14 aos. Por otra parte, no podra calcularse la amortizacin para sistemas SOFC y
PEMFC. Debido a ello, se requiere el desarrollo continuo en materiales de alta duracin,
sistemas de produccin en masa y automatizacin de la fabricacin para reducir los costes; por
tanto, todava son necesarias inversiones en I+D. El Departamento de Energa de EE.UU.
estableci un coste objetivo de stack de 700 $/kW para 2015.
Regulaciones de la UE
Existencia de subvenciones para la utilizacin de biogs en sistemas CHP
Como consecuencia de las diferentes normativas europeas (Poltica Energtica para Europa
(EPE) en 2007, Directiva sobre la promocin de cogeneracin (2004-8-EC) y Directiva sobre la
promocin del uso de energa de fuentes renovables (2009-28-EC)), varios esquemas de
subvenciones y financiacin se han establecido en los diferentes pases miembro para ayudar
tanto a los productores de electricidad verde como a los consumidores a alcanzar los objetivos
de generacin renovable. Por ejemplo, tarifas reguladas (FIT) (u otros esquemas como los
Certificados de Obligacin Renovable en el Reino Unido) han promovido la conversin de gas
en electricidad en toda Europa. Adems, mecanismos de seguimiento y etiquetado como las
Garantas de Origen (GoO) o Normas de Energa Verde tambin estn comenzando a aplicarse
en las plantas CHP de biogs pero en una menor medida. El nivel y tipologa de las
subvenciones es muy diferente de un pas a otro en Europa.
A pesar del elevado nivel de desarrollo y de la cantidad de plantas de CHP alimentadas con
biogs, como se muestra en el Entregable 9, la paridad de la red (p.ej: el coste de la
electricidad generada de biogs iguala la de fuentes convencionales de hace mucho tiempo,
como las plantas de generacin de gas natural y combustible fsil) todava no se ha logrado.
Como resultado, la supresin del esquema de subvenciones (p.ej: El sistema FIT para nuevos
proyectos en Espaa en enero de 2012 debido a la deuda del sector energtico) representa un
obstculo importante para el uso de estas tecnologas en EDAR (e incluso ms necesario en el
caso de pilas de combustible).
Subvenciones relativas a CHP biometano
El nivel relativo de soporte financiero para la generacin de biogs para electricidad en CHP
(tanto tecnologas de pilas de combustible como convencionales) y para la mejora de la calidad
del biometano e inyeccin en las redes de gas natural jugarn un papel importante en la
eleccin de la ruta de recuperacin de la energa de biogs a aplicar en cada EDAR. Esta
decisin debera estudiarse a travs de un enfoque caso a caso, ya que deberan tenerse en
cuenta diferentes parmetros especficos. Algunos pases europeos como Alemania en 2007
establecieron ambiciosos objetivos para sustituir el gas natural por biometano (6% del
consumo domstico total de gas natural en 2020, p.ej: 6.000 millones de m3, y 10% en 2030,
p.ej:10.000 millones de m3) aunque el mercado y posibilidades todava son muy diferentes en
cada estado miembro.
Aunque el biometano todava no se ha considerado en el proyecto BIOCELL, se establecieron
contactos con renombrados proyectos y socios europeos centrados en este uso final del
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biogs: p.ej: BIOGASMAX (Proyecto integrado n 019795) y Green Gas Grids
(IEE/10/235/S12.591589).
Condiciones de eficiencia trmica que aplican a la generacin CHP
La generacin CHP corresponde a la produccin simultnea de electricidad y calor; idealmente
de manera ms eficiente que si hubieran sido producidas independientemente (de acuerdo
con el clculo del Ahorro de energa primaria, vase el Entregable 9). Por tanto, en la mayora
de las normativas europeas sobre subvenciones de CHP, el cumplimiento de indicadores
especficos de eficiencia elctrica y trmica es obligatoria o permite recibir ingresos adicionales
(p.ej: prima por kWh producido). Por ejemplo, en Alemania y los Pases Bajos es necesario una
utilizacin mnima de calor residual > 50% para recibir la FIT. Por otra parte, en Espaa (antes
de la supresin del esquema FIT) las plantas de CHP de biogs que cumplen con un
Rendimiento Elctrico Equivalente del 50% tenan derecho a recibir una prima, lo que
multiplic el FIT 'estndar' por >10%. En esta etapa, es importante destacar que, de acuerdo
con alguna normativa, el calor para calentamiento del digestor no puede computarse como
calor til.
En general, la existencia de estas o de similares condiciones para una generacin de CHP de
alta eficiencia dificulta el uso de todas las tecnologas CHP, incluyendo las pilas de combustible,
a favor de la alternativa de biometano. En este sentido, cuanto ms alta es la temperatura de
salida de los gases de escape en las pilas de combustible (alrededor de 350C para MCFC,
250C para SOFC), ms fciles y amplias las posibilidades de recuperacin de energa trmica.
Requisito de las tecnologas de cero emisiones para contaminantes locales
Las Directivas Europeas2001-80-EC y 2010-75-EC establecen los lmites de emisiones para
grandes plantas de combustin (p.ej: > 50 MWth) que se centran en CO, NOX y SO2, pero
ninguna Directiva es aplicable a plantas de menor tamao. No obstante, algunas partes de
legislacin regional/nacional para plantas CHP de pequea escala (p.ej: < 50 MWth, que es el
caso para EDAR) estn disponibles (p.ej: Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft de 2002
en Alemania o el Decret 319/1998 de la Generalitat de Catalunya en Espaa). Los lmites
actuales de CO, NOX y SO2 oscilan de 1.000 2.000, 500 3.000 y 300 mg/Nm3 (al 5%O2)
respectivamente, pero la periodicidad de su monitorizacin no est definida (y los anlisis se
realizan normalmente fuera de lnea una vez al ao). Estas normativas datan de hace ms de
una dcada y no son realmente exigentes, por lo que las tecnologas convencionales estn
preparadas para cumplirlas, normalmente con algunos equipos adicionales (p.ej: El sistema de
con