mejora en la producción del biogás y aprovechamiento
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Subvencionado por el CDTI y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) a través del “Programa Operativo Plurirregional de Crecimiento Inteligente 2014-2020
Ponente:Pilar Icaran LópezDep. Innovación y Tecnologia
II FORO LEQUIARETOS Y OPORTUNIDADES DE LA
PURIFICACIÓN DEL BIOGÁS
Mejora en la producción del biogás y aprovechamiento energético como
biocombustible
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Energías renovablesEl agua sucia que mueve cochesAqualia desarrolla en la depuradora de El Portal un proyecto de generación de biocombustible para vehículos con el metano de las aguas residuales.
http://m.diariodejerez.es/jerez/agua-sucia-mueve-coches_0_1086191743.html
Movilidad autóctona y sostenible
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� El proyecto SMART Green Gas investigará durante los próximos cuatro años la valorización energética de residuos y efluentes a través de la obtención de biometano.
� Este combustible autóctono y renovable se utilizará en el sector de la automoción o para la inyección en la red de distribución de gas natural.
� Para alcanzar este objetivo, se desarrollarán nuevos sistemas de máxima eficiencia para la producción de biogás y de biometano, así como procedimientos para el refino, control y distribución inteligente de biometano.
OBJETIVOS
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� Contribuir con una nueva tecnología al suministro autóctono de la demanda de energía con fuentes renovables, atendiendo las prioridades españolas y del espacio europeo (20, 2020)
� Apoyo a la Sostenibilidad Energética y Lucha contra el Cambio Climático
� El fomento de generación de energía autóctona y renovable es uno de los objetivos en la UE (Directiva 2009/28/CE).
� Dentro de la reducción de emisiones de GEI se contempla el fomento y uso de biometano (comunicación CE).
� El transporte de energía a través de gaseoductos es más eficiente y flexible (almacenamiento de energía) que a través de redes eléctricas.
� Incremento en la valorización de residuos� Reducir las emisiones de la flota de 95g CO2/km frente a 147g CO2/km
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Necesidad del proyecto
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� El problema se aborda de manera integral y global y por ello se actuará en cuatro niveles de la cadena de valor:o Pre-tratamiento de residuos.o Producción de Biogás con la máxima eficiencia.o Purificación y valorización (“upgrading”) del Biogás para producción
de Bio-Metano o Gas Natural Renovable de alta pureza o concentración.
o Distribución inteligente mediante monitorización y control remota en tiempo real de todas las fases anteriores y de la inyección a red.
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Como se ha diseñado
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Ventajas del biometano como biocombustible
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� Para ello, el proyecto se ha estructurado en tres líneas de trabajo:
1.Desarrollo de sistemas de nueva generación de máxima eficiencia para la producción de biogás.
2. Desarrollo de novedosas técnicas de tratamiento, refino y producción de biometano.
3. Desarrollo de innovadores sistemas para el control y distribución inteligente de biometano sistema distribución inteligente y especializada, SMART GRID GAS.
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ACTIVIDADES
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� Optimización de producción de biometano mediante pre-tratamiento de lodos con acido nitroso (FNA)
� Optimización mediante proceso electroquímico para el incremento de producción de biogás e Integración en digestor y ensayos de campo sistema electroquímico integrado (colabora también DIMASA grupo)
� Metanización bioelectroquímicaDoctor Colprim
� Optimización con sistemas de producción de Biometano mediante la conversión biológica de CO2 en reactores anaerobios de alta presión autogenerada.
� Optimización mediante Co-Digestión con valorización de nitrógeno y gas. Estudio de codigestión de La Ranilla (aguas glicerinosas)
Actividad I (FCC aqualia)
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� Producción de Biometano de alto valor mediante nuevas tecnologías de limpieza y purificación de biogás. Prototipo EDAR de Jerez.
� Microoxigenación para eliminación de SH2 dentro del digestor anaerobio
� Otros socios:o Desarrollo de tecnología de purificación mediante membranas de matriz
mixta (MMM) y contactores de membrana.• Desarrollo de Nuevas Membranas Híbridas.
o Producción de Biometano de alto valor mediante Hidrogenación catalítica avanzada de CO2
o Producción de Biometano de alto valor mediante Enriquecimiento del biogás a través de reacción biológica de H2 y CO2: Metanogénesis.
o Integración de tecnologías de depuración e hidrogenación catalítica y análisis de viabilidad y optimización de la Unidad de Valorización Adaptativa
Actividad II
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Estado del Arte
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TECHNOLOGY FIXED
COSTS
OPERATIONAL
COSTS
Physico-chemical technologies
Sulphide precipitation - ++
Ferric quelates ++ +
Fe(OH)3 ++ +
Fe2O3 ++ +
Activated carbon - ++
Zinc Oxide - ++
Surfactants + +
Glicols and ethanolamines ++ ++
Direct oxidation + ++
Biological technologies
Microaerobic removal - -
Biotrickling filter + -
Biofilter / Bioscrubber ++ -
Algae - +
VENTAJAS
� Sin unidadadicional
� Bajo costeoperación
� Menor dilución del biogás comparadocon biotrickling o biofiltros
COSTE TRAMIENTOS ELIMINACIÓN H2S
CONSIDERACIONES
× Seguridad
× Formación Sº
POCA INFORMACIÓN
SOBRE SU APLICACIÓN
NECESIDAD ESTUDIOS I+D
ALTO COSTE OPERACIÓN
MENOR COSTE OPERACIÓN
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�2� +1
2�2 → �
0+ �2�
�0
+ �2� +3
2�2 → ��4
2−+ 2�
+
�2� + 2�2 → ��4
2−+ 2�
+
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La predominancia sobre el azufre o sulfato como producto final de la oxidación depende de la accesibilidad al oxigeno; con lo cual, en condiciones limitadas de O2 (microaerobicas), el azufre será el mayor producto.
Microoxigenación
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EVOLUCIÓN I+D
PILOTO
LABORATORIO
200 L
PROTOTIPO
INDUSTRIAL
5 m3
DIGESTIÓN LODO EDAR
PLANTA
INDUSTRIAL
1800 m3
Aranda de Duero
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Microoxigenación en Aranda de Duero
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� Efectividad en eliminación de Sulfhídrico del 97,5 %� Coste anual (electricidad) 0,08 céntimos de euro m3 tratado� Si se incluye inversión amortizada en 1 año y mantenimiento no se
llega a un coste de 0,5 céntimos el m3 tratado
Aranda de Duero
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Deposición de S versus sales de hierro y arenas
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� Deposición “teórica” de S elemental: 1,5 kg/día; 550 kg/año� Tratamiento con sales de hierro 17.400 kg/año= 2600 euros en sales mas coste
evacuación de 17,5 toneladas mas.� 100 m3/día fango aprox 2,5 kg S/día similar a las arenas (primario) que en
parte se acumulan � Ahorro en mantenimiento por corrosión de cogeneración etc.
EJEMPLO:� 100 m3/día lodo mixto� 50 % primario y arenas 3-5%� 1000 m3 biogás/día� 2000 ppm H2S
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� Sistema inteligente de medida remota de la calidad del biometano durante el proceso integrado de produccióno Desarrollo de un prototipo y validación de equipos en Laboratorio
• Sensores para gases permanentes, H2S, siloxanos, BTX, análisis de Cl y F, microorganismos, NH3 y H2S y S total. Optimización y análisis – UVAo Desarrollo de indicadores Luminiscentes para monitorización on-line de
H2S/RSH, NH3 y O2 – UCM
� Sistema de monitorización-actuación para la inyección especializada de biometano a la red de GN
� Diseño conceptual integrado del sistema de distribución inteligente
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Actividad III
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INYECCIÓN EN RED (NORMA ESPAÑOLA)
= 48,2/57,6 MJ/M3
Esto implica la participaciónde otras empresas GNF o ENAGAS por lo que siempre será mas complicado…
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Sistema de purificación en Jerez
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81
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86
87
88
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 2 4 6 8 10
%C
H4
%N
2/%
CO
2
L/G
%CO2
%N2
% CH4
Biogas de calidad
diferentesBiometano de
calidad estable
Eliminación:
• 88 % CO2
• 97 % H2S
• CH4 lost 2-4%
Calidad suficiente para automoción:
CH4: 87.6 %N2: 8.79 %CO2: 3.6 %
Wobbe Index: 44.08 MJ/m3
Normativa L-Gas:37.8 - 46.8 MJ/m3
PRUEBAS EN EL INTERCAMBIADOR PILOTO
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ELIMINACIÓN DE SULFHÍFRICO (H2S)
PRUEBA 1 COLUMNA (ABSORCIÓN)BIOGAS 1: BIOGÁS SINTÉTICO CON 20,000 PPM H2S � SALIDA CON <200 PPM
PRUEBA 2 COLUMNAS (ABSORCIÓN + ADSORCIÓN EN SULFATREAT®)
BIOGAS REAL CON BAJO NIVEL DE H2S (200 PPM) � SALIDA CON <10 PPM *
97% ELIMINACIÓN
H2S
*según norma alemana H2S < 21 ppm para biofuel vehicular
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PRUEBAS DOBLE COLUMNA CHICLANA
Calidad H-Gas para automoción:CH4: 92,7 %N2: 1,1 %CO2: 6,2 %
Wobbe Index: 46,9 MJ/m3
Normativa H-Gas*:46,1 – 56,5 MJ/m3
Eliminación:
• 84 % CO2
•CH4 lost 2-3 %
*según norma alemana
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BIOGAS 57% CH4UP-GRADING DOBLE COLUMNA:
L MÁX = 128 M3/DIAL/G MIN = 0,8 � G MAX = 160 M3/DIA = 6 M3/H Siloxans micro g/m3
trimetilsilanol 230,71
L2 6,25
D3 26,15
L3 17,21
D4 348,18
L4 8,13
D5 4779,80
L5 1,60
D6 68,82
Total siloxans 5486,86
CHICLANA PILOTO CHICLANA DEMO JEREZ METAMORPHOSISCaudal biogas a upgrading(m3/h) 0,4 20 20 0,7Caudal biometano (m3/h) 0,27 14,4 3 0,4Nº km/año (3.5 kg/100 km) 42574 2270592 473040 63072nº coches (30000 km/año) 1,4 75,7 15,8 2,1
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ESCALADO AL SISTEMA DE TRIPLE COLUMNA
Se espera alcanzar en el sistema de triple columna un biometanode la siguiente composición (valores teóricos según simulación):
• 95 % CH4 • 3.6 % N2• 1.4 % CO2
SIMULADO
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Servicios Ciudadanos
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 500 1000 1500 2000
Inv
est
me
nt
€/(
Nm
3h
)
Capacity raw biogas (Nm3/h)
Water scrubbing
Water scrubbing + regeneration
Chemical scrubbing
Organic Physiscal scrubbing
PSA
Membrane
Cryogenic
Potencial (ABAD)
ESTIMADOS INICIAL:• CAPEX = 60% water scrubbingCOSTES PILOTO JEREZ (20 Nm3/h):• CAPEX = 3000 €/(Nm3/h) en fase de optimización
RANGO DEPURADORAS AQUALIA(<150 NM3/H)
CAPEX-OPEX ABAD (SIN AFINO)
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Servicios Ciudadanos
INICIAL ESTIMADOS:• OPEX = consumo soplantes
2,5 c€/Nm3 x3 + 33%
LA BIOGASINERA DE JEREZ UNA REALIDAD!
COSTES PILOTO JEREZ (20 Nm3/h):• OPEX = consumos reales en estudio
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
PSA Water
scrubbing
Organic
physical
scrubbing
Chemical
scrubbing
Membrane Cryogenic ABAD
kW
h/N
m3b
iog
as