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La herramienta METANIZA. Sostenibilidad de plantas
de biogás agroindustrial.
(Proyectos PROBIOGAS y agroBIOMET)
Autor: Jose Manuel Peña Castellot
Institución: Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
Otros autores: Nely Carreras Arroyo (CIEMAT), Begoña Ruiz Fuentes (ainia), Andrés Pascual Vidal (ainia)
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Resumen
METANIZA es una herramienta informática que permite evaluar la sostenibilidad de plantas de biogás agroindustrial ofreciendo resultados económicos (indicadores de rentabilidad), energéticos (balance entre energía producida y consumida) y medioambientales (tCO2-eq generadas y evitadas). Fue creada en el marco del Proyecto Singular y Estratégico PSE PROBIOGAS (2007-2011) [www.probiogas.es]. Entre las tareas que se plantearon en este proyecto figuran el desarrollo de una herramienta informática de ayuda a la toma de decisiones y la evaluación de la sostenibilidad de una planta de biogás agroindustrial en cada una de las comarcas agrarias españolas. La primera de estas tareas dio lugar a METANIZA y con esta herramienta se abordó la segunda de las mencionadas. METANIZA está constituida por los siguientes módulos: - Propiedades del sistema (económicas, energéticas, del proceso de digestión anaerobia, medioambientales, etc.) informadas con valores por defecto y modificables por el usuario. - Captura de información: datos generales de la planta y materias primas a codigerir - Obtención de resultados: producción de biogás, electricidad, calor y digerido, viabilidad económica, balances energético y medioambiental. Una vez definido el entorno metodológico del estudio, se obtuvo para cada comarca agraria española la mezcla de residuos y subproductos agroindustriales más productiva en biogás, en base a las disponibilidades comarcales de sustratos. Las mezclas seleccionadas se agruparon en cuatro categorías atendiendo a su productividad en metano. Posteriormente, se evaluó la sostenibilidad de una planta de biogás de 500 kW de potencia eléctrica instalada de la unidad de cogeneración que utilizara como materia prima para digerir de forma anaerobia la mezcla seleccionada en cada comarca. Los resultados obtenidos se ponderaron para las categorías anteriores. El proyecto agroBIOMET (2010-2013), co-financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad a través de su programa de ayudas INNPACTO y promovido por ainia-Centro Tecnológico, Grupo San Ramón, HERA y el CIEMAT, busca profundizar en el uso sostenible del biogás de origen agroindustrial depurado y enriquecido en metano (biometano) como biocarburante en vehículos. Como parte de este proyecto, la herramienta METANIZA va a ser rediseñada para contemplar el nuevo uso del biogás en la evaluación de la sostenibilidad de plantas de digestión anaerobia de sustratos agroindustriales. También se incorporarán nuevas materias primas utilizables en el proceso y se incluirán mejoras nacidas del uso intensivo de la herramienta en el proyecto PSE PROBIOGAS. Palabras claves: biogás, digestión anaerobia, residuos agroindustriales, codigestión, digerido, biocombustible, biocarburante, comarcas agrarias
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1.- Introducción El biogás es una mezcla de gases compuesta principalmente por metano (50-75%) y dióxido de carbono (25-45%), además de cantidades traza de otros gases (vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno, etc.). Se origina en la digestión anaerobia, proceso biológico de descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno en el que intervienen distintas poblaciones de microorganismos (figura 1 ). El metano (CH4) tiene un elevado poder calorífico, lo que hace posible un aprovechamiento energético del biogás. En la obtención del biogás agroindustrial se parte de residuos ganaderos (estiércoles y purines), agrícolas (excedentes y no conformes hortofrutícolas, pajas de cereal) y de la industria agroalimentaria (bagazo, melazas, orujos, restos de matadero y de pescado) como materias primas a codigerir. Además del biogás, en la digestión anaerobia se genera un material líquido residual, denominado digerido o digestato, que puede utilizarse como abono o enmienda orgánica.
(H2S + CO2)
COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS (carbohidratos, proteínas, lípidos)
COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES(azúcares, aminoácidos, ácidos grasos)
ÁCIDOS GRASOS VOLÁTILES(acetato, propionato, butirato, etc.)
METANO Y DIÓXIDO DE CARBONOCH4 + CO2
ACETATO (2 carbonos)CH3-COO-
Hidrógeno gas y dióxido de carbonoH2 + CO2
ACIDOGÉNESIS
HIDRÓLISIS
35 %
20 %
17 %
72 % 28 %
13 %
10 %
5 %
ACETOGÉNESIS
METANOGÉNESISSULFUROGÉNESIS
Figura 1. Fases de la digestión anaerobia.
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La generación de biogás en España se produce en tres tipos de instalaciones básicas:
- Vertederos controlados de residuos sólidos urbanos, donde el biogás generado de forma natural se extrae y canaliza
- Depuradoras de aguas residuales tanto urbanas como industriales por el tratamiento anaerobio de los lodos
- Plantas de digestión anaerobia de residuos orgánicos de origen urbano o agroindustrial
Este último tipo de instalaciones tiene poca implantación en nuestro país y menos aún en el caso del tratamiento de residuos de origen agroindustrial, a pesar de los altos volúmenes de generación de esta clase de residuos.
El proyecto PSE PROBIOGAS, financiado con fondos europeos y del Gobierno de España, ha tenido como objetivo el desarrollo de sistemas sostenibles de producción y uso de biogás en entornos agroindustriales, así como la demostración de su viabilidad y promoción en España. Para el estudio de la sostenibilidad de plantas de biogás agroindustrial en las comarcas agrarias españolas se ha utilizado la herramienta informática de modelización METANIZA, desarrollada en el marco de este proyecto. En el diseño de esta herramienta se han incorporado los resultados obtenidos en otros subproyectos de PSE PROBIOGAS: materias primas disponibles a nivel comarcal, potenciales de producción de biogás de los distintos sustratos agroindustriales, mejores mezclas para la codigestión anaerobia, inhibiciones del proceso, etc.
METANIZA trabaja en entorno Windows (XP o posterior), necesita Java 6 o superior, Excel y conexión a Internet.
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2.- Metodología
La metodología seguida en el estudio de la sostenibilidad de plantas de biogás agroindustrial en las comarcas agrarias españolas se refleja de forma gráfica en el siguiente esquema (figura 2 ).
Figura 2. Metodología seguida en el estudio de sostenibilidad de plantas de biogás
Inicialmente, se obtuvo la mezcla de sustratos agroindustriales con mayor productividad en biogás para cada comarca agraria, teniendo en cuenta los sustratos accesibles a nivel comarcal, las características físico-químicas que debían cumplir las mezclas seleccionadas y primando la utilización de determinados sustratos frente a otros. Así, se estableció que el porcentaje de sólidos totales (ST) de la mezcla a codigerir no superara el 20% y que la relación carbono/nitrógeno (C/N) estuviera entre 15 y 40.
Debido a las elevadas cifras de generación en España, el planteamiento seguido en el presente estudio de sostenibilidad de plantas de biogás agroindustrial ha sido el de considerar estas instalaciones como un instrumento para el tratamiento y valorización de residuos ganaderos a partir de productividades de biogás que permitieran alcanzar una cierta rentabilidad. Los residuos ganaderos, si bien son ricos en nitrógeno, con alto contenido en macro y micro nutrientes, y con alcalinidad elevada (capacidad tampón),
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tienen un bajo potencial de producción de biogás en comparación con otros sustratos. Por ello, ha sido necesario incluir en la digestión anaerobia cosustratos distintos de los residuos ganaderos que ayudaran a mejorar esa productividad. No obstante, estiércoles y purines han representado al menos el 50% del total de sustratos agroindustriales utilizados en las mezclas seleccionadas. En la tabla 1 se muestra una relación de las principales características de los residuos y subproductos agroindustriales más utilizados en las mezclas seleccionadas.
Tabla 1. Características de sustratos agroindustriales empleados en el análisis (Fuente PROBIOGAS)
Sustrato agroindustrial Potencial de producción CH4 (l/kgSV)
Sólidos totales (ST)
Sólidos volátiles (SV) sobre ST
Producción CH 4
(l/kg sustrato)
Glicerina 600 99% 99% 588
Residuo de leche 610 79% 94% 453
Restos matadero ovino o aves
530 49% 96% 249
Paja de cereal (trigo) 234 91% 91% 194
Magallas, bagazo, melazas
500 25% 85% 106
Residuo industria bioetanol 344 29% 95% 95
Residuos de pescado 494 22% 71% 77
Restos hortofrutícolas 200-500 10-20% 85% 17-85
Estiércol de ovino 248 30% 80% 60
Gallinaza 308 15% 74% 34
Pulpa de remolacha 345 12% 79% 33
Estiércol de vacuno 174 13% 83% 19
Purín de cerdo 238 8% 74% 14
Lactosuero 89 7% 68% 4
Una vez determinada la mejor mezcla en cada comarca se evaluó la sostenibilidad de una planta de biogás que la empleara para codigerir, haciendo especial hincapié en la rentabilidad económica que sería posible alcanzar.
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3.- Criterios de análisis
Tanto la obtención de la mezcla más productiva en biogás como la evaluación de la sostenibilidad de una planta que la utilizara como materia prima para su digestión anaerobia se realizaron utilizando la herramienta METANIZA. Para ello se establecieron los siguientes criterios:
- Ajuste de las propiedades (parámetros) de la herramienta - Elección de localizaciones (tanto de la planta de biogás como de las materias
primas agroindustriales a utilizar en ella) - Planteamiento de escenarios de planta. Selección de sustratos a codigerir.
A continuación se describen en detalle los criterios considerados en el análisis.
3.1.- Ajuste de las propiedades de la herramienta M ETANIZA
METANIZA incorpora más de 60 parámetros modificables por el usuario organizados en áreas temáticas. Los valores por defecto de estos parámetros se han establecido en base a fuentes bibliográficas consultadas y a resultados obtenidos en el marco del PSE PROBIOGAS. De algunas de estas propiedades va a depender la productividad obtenida en la digestión anaerobia de las mezclas ensayadas, como la velocidad de carga orgánica de diseño, el tiempo de retención hidráulica o la constante cinética de producción de metano (CH4). Otras propiedades van a determinar los resultados económicos, energéticos y medioambientales asociados a esta productividad, como los rendimientos eléctrico y térmico del motor de cogeneración, las horas de funcionamiento de éste, el coste de oportunidad, los costes e ingresos a considerar y su magnitud, los consumos y ahorros energéticos de distintas instalaciones de la planta, las emisiones de CO2 y el ahorro de las mismas, la temperatura de entrada de los sustratos a la planta, etc. Existen también propiedades relativas a la consideración de otros ingresos adicionales a la venta de electricidad (comercialización del calor y digerido, subvenciones, etc.).
De todas las propiedades disponibles, en los siguientes casos se han modificado los valores por defecto que ofrece la herramienta para la realización del estudio:
- “Se aplica el digerido en zonas vulnerables” (S/N). En función de la existencia o no de municipios declarados como zona vulnerable a la contaminación por nitratos en la comarca en estudio se ha elegido el valor correspondiente. Esta propiedad tiene repercusión en las necesidades de superficie de terreno donde poder aplicar el digerido obtenido.
- “Tasa de interés” (coste de oportunidad) Se ha aplicado el tipo marginal de las Obligaciones a 15 años de la subasta de 15/07/2010. Valor = 5,145%. Este parámetro se ha utilizado para el cálculo del VAN (Valor Actual Neto).
- “Temperatura de entrada del sustrato” Se ha informado con los valores medios mensuales de series de temperatura obtenidos para un observatorio de cada comarca o aledaños. Las fuentes de información han sido varias: la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET), Servicios meteorológicos autonómicos, Sistema
de Información Agroclimática para el Regadío (SIAR) del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (MAGRAMA), etc.
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- “Tarifas de venta de electricidad” Los valores informados se han utilizado para el cálculo de los ingresos por venta de electricidad de las plantas de producción y uso del biogás para las que se ha evaluado la sostenibilidad. El Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, que regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial, clasifica las instalaciones de producción de energía eléctrica de este régimen en distintos grupos y subgrupos en función de las energías primarias utilizadas, las tecnologías de producción y los rendimientos energéticos obtenidos, con diferentes tarifas de venta de electricidad asociadas. Las instalaciones de producción y uso de biogás agroindustrial se encuentran dentro del grupo b.7.2. (Instalaciones que empleen como combustible principal el biogás generado en digestores empleando residuos ganaderos, agrícolas y otros para los cuales se aplique el proceso de digestión anaerobia, tanto individualmente como en codigestión). A pesar de “la supresión de los incentivos económicos para las instalaciones de producción de energía eléctrica en régimen especial” que ha establecido el RD 1/2012, de 27 de enero, y con el fin de poder realizar una comparativa de la rentabilidad que se podría obtener en las plantas de biogás seleccionadas en las comarcas españolas, se ha empleado la tarifa de venta de electricidad regulada establecida por la Orden ITC/3519/2009 de 28 de diciembre cuyos valores refleja la siguiente tabla (tabla 2 ):
Tabla 2. Tarifas de venta de electricidad de la Orden ITC/3519/2009
Potencia eléctrica
Plazo Tarifa
regulada c€/Kwh.
Primeros 15 años 13,8262 P ≤ 500 kW
A partir de entonces 6,8872
Primeros 15 años 10,2409 Grupo b.7.2
500 kW ≤ P A partir de entonces 6,8872
- “Tarifa de último recurso” Para cuantificar el posible ingreso a obtener por el
aprovechamiento del calor residual (propiedad opcional de la herramienta) se ha utilizado como criterio el ahorro producido en consumo de gas natural a la tarifa de último recurso establecida en el Boletín Oficial del Estado, 31 de diciembre de 2009, nº 315, Pág.112202 para consumos superiores a 100.000 kWh/año. Valor: 3,8 c€/Kwh. Esta tarifa es el precio máximo que pueden cobrar los comercializadores de último recurso a los consumidores con derecho a acogerse a esta tarifa, que son los conectados a gasoductos de presión ≤ 4 bares y con consumo anual inferior a 1 GWh.
3.2.- Localizaciones
METANIZA necesita de la localización geográfica (provincia y municipio) tanto de la planta de biogás como de los orígenes de las materias primas que se utilizarán en la codigestión, para poder calcular los costes derivados del transporte del material a la planta. A este respecto, en el estudio se ha aplicado el siguiente criterio:
Para evaluar la sostenibilidad de las plantas que codigieren las mezclas seleccionadas, la planta de biogás agroindustrial se ubicó en la provincia y municipio donde se sitúa el centroide correspondiente a la comarca agraria objeto de estudio y unos orígenes de
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sustratos tales que la distancia promedio de la mezcla estuviera cercana a la distancia intermedia en la comarca y así tener en cuenta de forma adecuada el coste que supone el transporte de los sustratos agroindustriales desde los centros de generación hasta la planta.
3.3.- Planteamiento de escenarios en METANIZA
En primer lugar se ha determinado la mezcla más productiva en biogás para cada comarca agraria, para lo que ha sido necesario seleccionar los sustratos agroindustriales a codigerir y las cantidades a utilizar de éstos de entre los accesibles en cada comarca. Obtener las cantidades existentes e incorporarlas dentro de la base de datos de METANIZA ha sido uno de los objetivos del subproyecto 1 del PSE PROBIOGAS. Así, en la herramienta hay almacenada información de 160 tipos de materias primas (sustratos) diferentes organizados en categorías y subcategorías. Una vez seleccionado un sustrato, METANIZA muestra la cantidad (en t/año) accesible en la comarca objeto de estudio y un conjunto de propiedades asociadas a él: sólidos totales y volátiles, potencial de producción de metano y relación carbono/nitrógeno (C/N). También se indica si el sustrato en cuestión presenta estacionalidad (disponibilidad desigual a lo largo del año). En la figura 3 se observa la pantalla de carga de materias primas a codigerir de METANIZA.
Figura 3. Pantalla de carga de información de sustratos a digerir en METANIZA
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Para determinar la mejor mezcla en términos de productividad en biogás se plantearon dos escenarios de estudio para cada comarca agraria:
Escenario 1 – Mayoritarios
Consistió en comprobar la productividad de una mezcla constituida por las materias primas agroindustriales más abundantes en cada comarca. Como máximo se emplearon diez sustratos diferentes, que son los que permite la herramienta. El estudio de esta mezcla ha servido de punto de partida para plantear mejoras en la mezcla en el escenario siguiente.
Escenario 2 - Mezcla mejorada
En la mayoría de los casos, los sustratos agroindustriales más abundantes en las comarcas agrarias son residuos ganaderos: purín de cerdo, estiércol de vacuno, ovino y equino y gallinaza. Por su abundancia han sido los constituyentes principales de las mezclas a digerir modelizadas en el escenario 1. Sin embargo, como se ha comentado anteriormente, el potencial de producción de biogás de estos residuos es bajo, por lo que se han incorporado otras materias primas con menor presencia pero mayor productividad en biogás para codigerirlos junto con los residuos ganaderos. Este ha sido el objetivo de este escenario, sin olvidar la necesidad de cumplir con los requerimientos en cuanto a las características físico-químicas de la mezcla (ST, relación C/N) y el objetivo de valorización de residuos ganaderos. Para ello, en este escenario se realizó:
- La modificación de las proporciones en las que se encontraban algunos de los sustratos utilizados en el escenario “mayoritarios”.
- La eliminación de alguna materia prima de la mezcla inicial (por su baja productividad, por exceso de ST o por provocar inhibición de la digestión anaerobia).
- La inclusión de nuevos sustratos, que aunque minoritarios en la comarca tienen mayor productividad en biogás (siempre dentro de las cantidades accesibles en la comarca).
Para cada una de las comarcas se obtuvo:
- La cantidad total de sustratos agroindustriales utilizados (en toneladas/año), así como la composición de las mezclas (residuos ganaderos y no ganaderos).
- La producción total de metano (en m3/año) que se podría obtener de su codigestión anaerobia en base a los resultados de METANIZA.
En segundo lugar , en cada comarca se planteó el análisis de la sostenibilidad de una planta de biogás de 500 kW de potencia eléctrica de la unidad de cogeneración y 7.500 horas/año de funcionamiento que utilizara como materias primas a codigerir la mezcla seleccionada y utilizando como precio de venta de la electricidad la tarifa establecida por la Orden ITC/3519/2009 para las plantas de esta potencia eléctrica, que es la más ventajosa de las existentes. En algunos casos las potencias eléctricas alcanzadas fueron
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inferiores a 500 kW debido a la disponibilidad limitada de alguno de los componentes de la mezcla seleccionada.
De este análisis se han obtenido una serie de indicadores económicos (costes, ingresos, flujo de caja, VAN, TIR, periodo de retorno), energéticos (balance de energía producida y consumida por distintos equipos y procesos) y medioambientales (emisiones de CO2 generadas y evitadas en la operativa de la planta).
4.- Resultados
Una vez completado el estudio de sostenibilidad de las comarcas agrarias de España, se han analizado los resultados obtenidos, tanto en lo que se refiere a la selección de las mejores mezclas de sustratos agroindustriales para codigerir como en los indicadores económicos, energéticos y medioambientales obtenidos por la herramienta METANIZA en la modelización de las plantas de biogás que utilizaran estas mezclas.
4.1.- Selección de la mejor mezcla en cada comarca
Las mejores mezclas seleccionadas en las comarcas españolas se han agrupado en cuatro categorías atendiendo a la productividad en metano (CH4) que alcanzarían en plantas de biogás que las utilizaran como materia prima a codigerir, expresada en l CH4/kgSV.
- Comarcas con plantas de productividades > 400 l CH4/kgSV - Comarcas con plantas de productividades entre 350 y 400 l CH4/kgSV - Comarcas con plantas de productividades entre 300 y 350 l CH4/kgSV - Comarcas con plantas de productividades entre 200 y 300 l CH4/kgSV
Comarcas con plantas de biogás de productividades > 400 l CH4/kgSV
La media ponderada de productividad en metano de las comarcas de esta categoría ha sido de 425 l CH4/kgSV, con un máximo de 447 l CH4/kgSV. El contenido en sólidos volátiles (SV) respecto al total de sustratos utilizados estuvo en torno al 18%.
Las plantas de biogás donde sería posible utilizar estas mezclas producirían 67,8 millones Nm3 CH4/año (75,5 l CH4/kg residuo) utilizando para ello cerca de 900.000 toneladas/año de sustratos agroindustriales, que representan el 1,09% del total de residuos y subproductos agroindustriales accesibles en España (según datos de PSE PROBIOGAS). Algo más del 49% de los sustratos utilizados han sido residuos ganaderos (un 37% de purín de cerdo y el 63% restante de otros estiércoles, fundamentalmente de vacuno).
En las mezclas incluidas dentro de esta categoría se han utilizado dos residuos de especial interés: glicerina y residuos lácteos (de leche, queso y helado), bien uno de ellos o ambos, en una proporción media del 3,75% sobre el total de sustratos de la mezcla y con máximos del 9% de glicerina y del 13% de lácteos. Estos dos residuos son con diferencia (ver tabla 1 ) los que tienen un mayor potencial de producción de biogás de
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entre los sustratos agroindustriales accesibles en las comarcas españolas, de ahí las productividades alcanzadas en este grupo. Junto a los residuos anteriores se emplearon otros de origen no ganadero con productividades medias (bagazo de la industria cervecera, restos de pescado y de matadero ovino y de aves, magallas de la sidra, residuos de la industria del bioetanol, melazas de azúcar y residuos hortofrutícolas, tanto excedentes y no conformes como procedentes de su transformación industrial) en cantidades que de media se han situado por encima del 35%. El resto fue lactosuero. Este último residuo, de muy baja productividad en biogás, se ha utilizado para equilibrar las mezclas por su bajo contenido en sólidos totales. Dada la dependencia que para las productividades obtenidas tienen la glicerina y los residuos lácteos, las comarcas incluidas en esta categoría se localizaron en lugares donde se ubican plantas de producción de biodiesel y/o industrias lácteas.
Comarcas con plantas de biogás de productividades entre 350 y 400 l CH4/kgSV
La media ponderada de productividad en metano de las comarcas incluidas en esta categoría ha sido de 382 l CH4/kgSV. El contenido en sólidos volátiles (SV) fue muy similar al grupo anterior.
La producción total de CH4 en las plantas de biogás de este grupo sería de 57,8 millones Nm3/año (68,4 l CH4/kg residuo) utilizando para ello en torno a 845.000 toneladas/año de sustratos agroindustriales, que representarían el 1% sobre el total de residuos y subproductos agroindustriales accesibles en España (según datos de PSE PROBIOGAS). La composición de las mezclas ha sido similar al caso anterior en lo que a tipos de residuos se refiere, variando la proporción de cada uno de ellos. Así, el porcentaje de residuos ganaderos ascendió, situándose cerca del 60%. También aumentó el porcentaje de purín de cerdo respecto de los otros estiércoles (vacuno, ovino y gallinaza), hasta representar el 52%. La presencia de sustratos de alta productividad (glicerina y residuos lácteos) disminuyó hasta una proporción media del 0,8% sobre el total de sustratos de la mezcla, existiendo comarcas donde ninguno de estos dos residuos se encontraba accesible y por tanto no se utilizaron. Otros residuos de media productividad se han empleado en porcentajes similares al primer grupo, de alrededor del 35%. Disminuyó el lactosuero, que no se empleó en aquellas comarcas donde la mezcla seleccionada no tenía residuos de alta productividad, y ha aparecido un residuo, la paja de cereal, con un 2% del total de sustratos empleados (frente a un 0,5% de las plantas de productividad > 400 l/kgSV). La paja de cereal es muy abundante en gran número de comarcas españolas, por lo que su presencia ha ido aumentando en proporción en las siguientes categorías. Tiene una productividad media, pero solo puede utilizarse en bajas proporciones (10% - 15% máximo) por su alto porcentaje de sólidos totales, teniendo en cuenta el límite máximo que debían cumplir las mezclas, establecido en el 20%. Por su alto contenido en celulosa y lignina este residuo necesita de un triturado previo para poder ser correctamente valorizado.
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Comarcas con plantas de biogás de productividades entre 300 y 350 l CH4/kgSV
En este caso, la media ponderada de productividad en metano de las comarcas que se encuentran dentro de esta categoría ha sido de 324 l CH4/kgSV, disminuyendo ligeramente el contenido en sólidos volátiles (SV) al 17,41%.
Las plantas de biogás que podrían utilizar estas mezclas producirían en total 97,9 millones Nm3 CH4/año (56,4 l CH4/kg residuo) utilizando para ello 1.735.000 toneladas/año de sustratos agroindustriales, el 2,1% del total de los accesibles en España (según datos de PSE PROBIOGAS). En cuanto a la composición obtenida de la media ponderada de las mezclas de esta categoría, el principal cambio en relación con las categorías anteriores ha sido el aumento del contenido en paja de cereal, que pasó a representar el 5,3%, además de aparecer en el 70% de los casos seleccionados. El porcentaje de residuos ganaderos aumentó aún más alcanzando el 70%, al igual que el porcentaje de purín de cerdo, que ha supuesto el 60% del total de residuo ganadero. Los residuos de alta productividad prácticamente desaparecieron, y otros residuos de media productividad disminuyeron hasta el 23,5%. También bajó el lactosuero por debajo del 2%. En su mayoría las comarcas donde se han localizado estas plantas pertenecen a provincias costeras. Cuando esto no es así se trató de comarcas donde se sitúa una industria azucarera.
Comarcas con plantas de biogás de productividades entre 200 y 300 l CH4/kgSV
Para las mezclas incluidas en esta categoría, la media ponderada de productividad en metano ha sido de 240 l CH4/kgSV.
En este grupo es donde se ha concentrado la producción de metano dentro de las mezclas seleccionadas, con 753 millones Nm3/año (42,4 l CH4/kg residuo) y una utilización de 17.760.000 toneladas/año de sustratos agroindustriales, que representan el 21,5% del total de los sustratos accesibles en España (según datos de PSE PROBIOGAS). Las mezclas incluidas en esta categoría han estado compuestas por un 82% de residuo ganadero (el 60% de purín de cerdo), un 11% de paja de cereal y un 7% de residuos de media productividad.
La mayoría de comarcas pertenecientes a esta categoría se situaron en el interior peninsular, en zonas eminentemente agrícolas y/o ganaderas. En un número elevado de casos no se alcanzó una potencia eléctrica instalada de la unidad de cogeneración de 500 kW, que es la que se ha utilizado para el análisis comparativo de sostenibilidad. Esto fue debido a la baja cantidad de sustratos accesibles en muchas de estas comarcas, fundamentalmente localizadas en zonas de montaña. También, un alto porcentaje de las mezclas seleccionadas pertenecientes a este grupo cumplirían (en cuanto a su composición) con los requerimientos que establece el Plan de Biodigestión de purines para poder acceder a subvenciones.
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Resumen de resultados obtenidos en la selección de la mejor mezcla
En la tabla 3 y figura 4 se muestra un resumen de los resultados obtenidos y una gráfica comparativa de las mezclas tipo (media ponderada de las mezclas) de cada categoría respectivamente.
Tabla 3. Resumen de resultados de la selección de mezclas más productivas por comarca Grupo
Producciones > 400 l/kgSV 350-400 l/kgSV 300-350 l/kgSV 200-300 l/kgSV
Producción (m3
CH4/año) 67.876.687 57.794.803 97.884.497 753.138.327
Producción (l/kgSV) 425 382 324 240 Producción (l/kg sustrato)
75,5 68,4 56,4 42,4
Total sustratos utilizados (t/año) 899.031 844.752 1.734.230 17.760.720
% sustratos utilizados sobre total accesible
1,09% 1,03% 2,11% 21,56%
Potencia eléctrica (MW) 30,6 26,8 44,9 334,8 Composición de las mezclas
% purín de porcino 17,91 30,89 41,85 47,74 % otros estiércoles (1) 31,14 28,54 27,01 34,23 % total residuo ganadero (purín + otros estiércoles) 49,05 59,43 68,86 81,97
% residuos de alta productividad (2)
3,75 0,80 0,56 0,11
% paja de cereal 0,56 1,90 5,26 11,10 % otros residuos no ganaderos (3)
37,42 34,49 23,53 6,45
% lactosuero 9,22 3,38 1,79 0,37 (1) suma del porcentaje de estiércoles de ovino, bovino y gallinaza (2) glicerina y residuos de leche, helado o queso (3) bagazo, magallas, melazas, residuos de la industria del bioetanol, restos de matadero y hortofrutícolas
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
>400 l/kgSV 350-400 l/kgSV 300-350 l/kgSV 200-300 l/kg SV
% lactosuero
% otros no ganaderos
% paja de cereal
% alta productividad
% otros estiércoles
% purín porcino
Figura 4. Comparativa de mezclas tipo seleccionadas
En el conjunto de todas las mezclas seleccionadas, el digerido producido, con un contenido en sólidos totales entre el 4 % y el 6 %, dependiendo del material de entrada y del tiempo de residencia hidráulico, ha supuesto el 80% del material de entrada a las plantas de biogás
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4.2.- Evaluación de la sostenibilidad de plantas de biogás
Utilizando METANIZA se ha evaluado la sostenibilidad de una planta de biogás agroindustrial en cada una de las comarcas españolas. Esta planta modelizada ha empleado como materia prima a codigerir la mezcla seleccionada en cada comarca (punto 4.1), con una cantidad de sustratos tal que (según los resultados de la herramienta) se obtuviera una potencia eléctrica de la unidad de cogeneración de 500 kW con 7.500 horas/año de funcionamiento, de tal forma que se pudieran comparar plantas de producción y uso de biogás agroindustrial con la misma producción eléctrica e ingresos por este concepto. En todos los casos la producción de electricidad ha sido de 3.750 MWh/año. En algunas comarcas, el potencial accesible de los constituyentes de la mezcla seleccionada no ha permitido alcanzar esta potencia eléctrica, lo que repercutió negativamente en los resultados obtenidos.
Otros criterios establecidos para la realización del análisis de sostenibilidad como el precio de venta de la electricidad, las localizaciones de la planta y de los orígenes de los sustratos agroindustriales, etc. se han detallado anteriormente en este documento.
Inicialmente se evaluó la sostenibilidad considerando como único ingreso la venta de la electricidad producida en motores de cogeneración según la tarifa establecida por la Orden ITC/3519/2009, si bien también se analizaron los resultados que se obtendrían de tener en cuenta (dentro de los disponibles en METANIZA) los siguientes ingresos adicionales:
- Aprovechamiento del calor residual de la cogeneración. Se refiere al posible uso del calor residual producido por la unidad de cogeneración una vez satisfechas las necesidades de la planta (calentamiento de digestores, pasteurización, etc.). Se consideró que como máximo sólo se podría utilizar el 50% de este calor residual y que el ingreso/ahorro se expresaría en términos de no uso de gas natural según la tarifa de último recurso establecida (ver punto 3.1.- Ajuste de las propiedades de la herramienta METANIZA). El calor generado en los motores podría ser utilizado para distintos usos: calefacción y agua caliente residencial, en invernaderos, plantas de secado de diferentes productos, producción de frío, etc.
- Ingresos por gestión de residuos de terceros, con una tarifa establecida de 0,75 €/tonelada.
- Subvención a la inversión: Se ha considerado en aquellos casos en que el VAN obtenido ha resultado negativo, y en la cuantía necesaria para que este indicador tuviera un valor positivo. La existencia de subvenciones para este tipo de instalaciones va a depender de la Comunidad Autónoma en la que se sitúe la planta de biogás. También dentro de este capítulo hay que mencionar el Plan de Biodigestión de purines , aprobado en Consejo de Ministros el 26/12/2008. Deriva del Plan de Medidas Urgentes de la Estrategia de Cambio Climático y Energía Limpia del MAGRAMA y que tiene como objetivo la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de los purines de porcino mediante tratamientos basados en el proceso de digestión anaerobia que permitan la captación y cuantificación del biogás, y su posterior valorización energética o eliminación por combustión.
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Además de los ingresos adicionales mencionados, METANIZA incluye otros que no se han tenido en cuenta en el estudio por no ser factible su consideración en la actualidad pero que serían interesantes de cara a mejorar o permitir alcanzar la rentabilidad económica de plantas de biogás agroindustrial de poder ser aplicados. Es el caso de la comercialización de bonos de carbono y los ingresos por la venta del digerido producido.
En el primer caso, la Ley 13/2010, de 5 de julio, por la que se modifica la Ley 1/2005, de 9 de marzo, reguladora del régimen del comercio de derechos de emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEIs), establece que la disposición adicional quinta de la Ley 1/2005 pase a referirse a “proyectos domésticos”. En ella se habla de articular “un mecanismo para la expedición de derechos de emisión o créditos en relación con proyectos ubicados en el territorio nacional para reducir emisiones de GEIs procedentes de actividades que no están sujetas al régimen de comercio de derechos de emisión”. Las actividades sujetas a este régimen se encuentran especificadas en el Anexo I de la Ley 1/2005. Es decir, se trata de que actividades que dan lugar a una reducción cuantificable en las emisiones de GEIs (las plantas de biogás agroindustrial lo serían en cuanto a que evitan la emisión de metano procedente de residuos ganaderos, en especial purines de cerdo) y que no están autorizadas a comerciar con derechos de emisión (según el Anexo I) puedan ser consideradas como “proyectos domésticos” y obtener un ingreso adicional por la comercialización de derechos/créditos de emisión. Los ingresos por estos conceptos supondrían una mejora de la TIR del proyecto.
En relación con el digerido producido en las plantas de biogás agroindustrial existentes en España, a día de hoy este material residual no se está comercializando (salvo excepciones) a pesar de tener un valor fertilizante que permitiría su uso como enmienda orgánica, biofortificante o abono. De hecho, de no existir terrenos cercanos disponibles para la aplicación de los digeridos producidos difícilmente van a poder implantarse nuevas instalaciones, debido al alto coste del transporte de este material. Uno de los subproyectos del PSE PROBIOGAS (SP3) se ha dedicado al estudio de la valorización agronómica del digerido dando como resultado la elaboración de una “Guía de utilización agrícola de los materiales digeridos por biometanización” con pautas para la correcta gestión de este producto y otras medidas necesarias que podrían contribuir a la viabilidad de las instalaciones de producción de biogás. La adecuación del proceso de digestión anaerobia para obtener un digerido de calidad (contenido en nutrientes, estabilidad microbiológica, higienización) junto con su consideración como producto puede aportar unos ingresos añadidos a las instalaciones de biogás agroindustrial.
A continuación se detallan los resultados de la evaluación de la sostenibilidad en los cuatro grupos de comarcas/plantas considerados.
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Comarcas con plantas de biogás de productividades > 400 l CH4/kgSV
En este grupo de comarcas las plantas de biogás agroindustrial modelizadas han utilizado (de media por planta) alrededor de 14.500 toneladas/año de sustratos agroindustriales, con un volumen medio de los digestores de 2.200 m3 y unos costes de inversión que se ha situado en torno a 1,5 millones de euros. La TIR obtenida en todos los casos ha sido superior al 12% considerando la venta de electricidad como único ingreso, y el periodo de retorno de 8 años.
De considerar en el análisis de sostenibilidad ingresos adicionales por aprovechamiento del calor residual, la TIR aumentaría por encima de los 350 puntos básicos (un 3,5% adicional). Este ingreso supondría algo más del 7,5% de los ingresos totales de la planta. Menor sería el ingreso por gestión de residuos, que con un aumento de 100 puntos básicos (un 1%) representaría un 2% del total de ingresos (venta de electricidad + gestión de residuos).
Comarcas con plantas de biogás de productividades entre 350 y 400 l CH4/kgSV
Para una planta de 500 kW de potencia eléctrica instalada se han utilizado de media alrededor de 16.500 toneladas/año de sustratos agroindustriales, por lo que el volumen de los digestores ha sido de 2.400 m3 y los costes de inversión de la planta de biogás se han situado en 1,7 millones de euros. En este tramo de producciones de metano la TIR osciló entre el 7% y el 11% (dependiendo de la cantidad final de residuos utilizados, su estacionalidad, la distancia media de los orígenes de sustratos a la planta, etc.) con la venta de electricidad como único ingreso, con un periodo de retorno de alrededor de 10 años. La presencia en muchos casos de residuos estacionales repercutió en los resultados económicos, al tener que dimensionar los digestores para las puntas de carga y existir periodos en los que éstos estuvieron infrautilizados.
De considerar ingresos adicionales por venta del calor residual y por gestión de residuos, la TIR se incrementaría en un rango similar al obtenido en el grupo anterior.
Comarcas con plantas de biogás de productividades entre 300 y 350 l CH4/kgSV
En este caso, se han utilizado de media 19.500 toneladas/año de sustratos agroindustriales, por lo que el volumen de los digestores aumentó hasta los 2.700 m3 y con ello los costes de inversión de la planta de biogás, que se situaron en 1,9 millones de euros.
En este grupo de comarcas todavía se obtuvieron VAN positivos, con una TIR que osciló entre el 5,5% y el 9% considerando la venta de electricidad como único ingreso. El periodo de retorno estuvo alrededor de los 12 años.
Tal y como ocurría en las comarcas pertenecientes a las categorías anteriores, la consideración de ingresos adicionales por el uso del calor residual o por gestión de residuos supondría un incremento de la TIR de 350 y 100 puntos básicos respectivamente.
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Comarcas con plantas de biogás de productividades entre 200 y 300 l CH4/kgSV
Utilizando las mezclas seleccionadas en las comarcas pertenecientes a este grupo, para una planta de 500 kW de potencia eléctrica instalada se han utilizado de media 23.500 toneladas/año de sustratos agroindustriales, con un volumen de los digestores de 3.300 m3 y unos costes de inversión de la planta de biogás superiores a 2 millones de euros. Con este tipo de mezcla y considerando la venta de electricidad como único ingreso no se ha obtenido VAN positivo. Para ello sería necesario considerar ingresos por venta del calor o gestión de residuos. También podría obtenerse un VAN positivo de considerar una subvención de al menos el 10% de la inversión inicial. En general, por cada punto porcentual de subvención, la TIR aumentaría un 0,2% (20 puntos básicos).
En la herramienta de análisis, para una distancia media de 20 Km. entre el origen de los sustratos y la planta de biogás (la más frecuentemente considerada en los análisis), el coste de transporte representaría entre el 15-20% de los costes anuales de operación de una planta de biogás de 500 kW de potencia eléctrica instalada en función de las toneladas/año de sustratos que necesite. Una reducción del 50% de estos costes supondría 150 puntos básicos de TIR (un 1,5% adicional).
Por ello, gran parte de las plantas de biogás agroindustrial existentes en España, como por ejemplo las de Requena (Valencia), Osa de la Vega (Cuenca) y Caparroso (Navarra) están asociadas y/o próximas a una explotación ganadera de gran tamaño, de tal forma que los costes de transporte del principal residuo utilizado (purín de cerdo o de vacuno) son mínimos. Así mismo, estas plantas disponen de terrenos agrícolas propios o de terceros cercanos a la instalación donde aplicar el digerido producido. El ahorro de costes de transporte en muchos de estos casos es determinante para conseguir una rentabilidad asumible y con ella la viabilidad económica de la planta.
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Resumen de resultados obtenidos de la evaluación de la sostenibilidad y consideraciones
En la tabla 4 se muestra un resumen de los principales indicadores obtenidos en el análisis de sostenibilidad de las plantas de biogás agroindustrial modelizadas en cada comarca agraria española utilizando como materia prima a codigerir la mezcla de sustratos seleccionada (por su mayor productividad en biogás) en cada una de ellas.
Tabla 4. Resumen de indicadores de la evaluación de sostenibilidad de plantas de biogás
Plantas de 500 kW de potencia eléctrica instalada d e la unidad de cogeneración
Grupo > 400 l/kgSV 350-400 l/kgSV 300-350 l/kgSV 200-300 l/kgSV
Total residuos (t/año) 14.500 16.500 19.500 23.500
Volumen de los digestores (m3)
2.200 2.400 2.700 3.300
Costes de inversión (mill €) 1,5 1,7 1,9 2
TIR (%) >12 7 - 11 5,5 - 9 --
Periodo de retorno 8 10 12 --
Además, del estudio de sostenibilidad se concluye que en todos los casos el balance energético ha sido positivo, es decir, las plantas producirían más energía que la consumida.
En el apartado de consumos energéticos , cinco son los conceptos que considera la herramienta METANIZA. Uno de ellos, acondicionamiento del biogás, ha sido equivalente en todas las plantas al depender de la potencia eléctrica del motor de cogeneración, que fue la misma en todos los casos. Sí existieron diferencias en los restantes conceptos considerados:
� Construcción de la planta. Conforme disminuyó la cantidad de residuos necesarios para alcanzar una determinada potencia eléctrica, menor fue el tamaño del digestor y los consiguientes consumos derivados de su construcción. Las plantas con mejores productividades en biogás tienen digestores más pequeños y con ello menor consumo por este concepto.
� Consumo de los equipos electromecánicos. Cuanto mayor ha sido la planta mayor fue el consumo de estos equipos.
� Transporte. Engloba los consumos energéticos derivados del traslado de las materias primas a la planta y la aplicación del digerido al terreno. A mayor producción de digerido y contenido en nitrógeno de éste, mayor ha sido la superficie de terreno que se podría fertilizar, aumentando el consumo de energía asociado. Esto ha ocurrido en las comarcas con peores resultados económicos, donde mayor ha sido el ratio de materias primas necesarias por kW instalado y la producción de digerido. También influyó en este concepto el tamaño de la comarca y la distancia media entre los orígenes de los sustratos y la ubicación de la planta.
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� Calentamiento de digestores. Los menores consumos se dieron en aquellas plantas que tenían digestores más pequeños. También ha influido (si bien no de forma significativa) la temperatura de entrada de los sustratos a la planta.
En lo que se refiere a producción de energía se han considerado tres conceptos. Dos de ellos, producción de electricidad y producción de calor, también han sido equivalentes en todas las plantas (si los referimos a kW de potencia instalado) al depender del rendimiento de la unidad de cogeneración, que fue el mismo en todos los casos. El tercero de ellos ha sido el ahorro derivado de no tener que producir un fertilizante sintético al poder utilizar en su lugar el digerido generado en la digestión anaerobia. El coste energético de producción de un fertilizante nitrogenado sintético es muy elevado (METANIZA considera 32,22 kWh/kg de N). Por tanto, a mayor cantidad de residuo utilizado por kW instalado mayor fue la producción de digerido (también influyó su contenido en nitrógeno) y el ahorro por este concepto.
El mismo comportamiento se produjo en el capítulo de emisiones de CO2. En lo referente a emisiones se tuvieron en cuenta las generadas en la construcción de la planta, transporte de sustratos a planta y digerido a campo, por consumo energético del digestor y por el acondicionamiento del biogás. En el capítulo de ahorro de emisiones se consideraron los obtenidos en la producción de electricidad y calor de fuentes renovables, por la no producción de fertilizante sintético y por el secuestro de CO2 en suelo por aplicación de digerido.
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5.- Conclusiones
Teniendo en cuenta la gran cantidad de residuos y subproductos agroindustriales (sustratos) generados, la digestión anaerobia es una vía adecuada para su gestión y valorización sostenible, permitiendo transformarlos en energía y material fertilizante, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEIs) y el mantenimiento de la población en entornos rurales.
Los residuos ganaderos (que representan el 60% del total de residuos y subproductos agroindustriales generados en España) tienen un bajo potencial de producción de biogás. Su digestión anaerobia junto con sustratos agroindustriales de otros orígenes (codigestión) aumenta esta productividad permitiendo una mejor valorización de los mismos.
Es conveniente mejorar la remuneración del kW eléctrico producido, el reconocimiento de las emisiones evitadas de GEIs en la digestión anaerobia, el desarrollo de normas básicas de producción y uso como fertilizantes o enmiendas de los digeridos obtenidos en la biometanización y profundizar en el desarrollo de otros usos alternativos del biogás para garantizar la viabilidad económica de las plantas de biogás agroindustrial en España.
6.- Evolución de la herramienta METANIZA
El CIEMAT participa junto con ainia-Centro Tecnológico, Grupo San Ramón y HERA en el proyecto agroBIOMET del programa INNPACTO, que tiene como objetivo profundizar en el uso del biogás de origen agroindustrial como biocombustible para el transporte. METANIZA es parte del esquema de trabajo definido en este proyecto. Debe contemplar este nuevo aprovechamiento del biogás, incorporar otras biomasas alternativas en su base de datos y emplearse como herramienta de validación del diseño del proceso en planta de demostración. Por ello METANIZA debe ser mejorada, para permitir seleccionar el uso que se quiere dar al biogás (producción de electricidad o como combustible). A partir de esa selección existirán propiedades específicas de cada uso y cálculos diferentes a realizar.