Factibilidad biogas vertedero LH-MZA
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- El 3 julio, 2009
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FACTIBILIDAD DE ENERGIA DE BIOGAS DE RSU-LH
Los vertederos de Residuos Sólidos Urbanos presentan importantes impactos ambientales, sociales, visuales, degeneración de terrenos, rechazos de la población vecina, etc. pero son la producción de lixiviados y la generación de gases dos de los problemas más importantes en la gestión diaria de un vertedero.
Datos del Ministerio de Medio Ambiente reflejan que en España, en 1998, el 56,73% de la producción anual de los RSU se eliminó mediante vertido, lo cual implica que en la actualidad existen multitud de vertederos de residuos sólidos urbanos que albergan en su interior gran cantidad de materia orgánica en proceso de descomposición, o lo que es lo mismo, ingentes cantidades de gases almacenadas en el interior del vertedero o fugando incontroladamente hacia la atmósfera o el subsuelo.
En la actualidad, esta situación ha variado tras la aprobación de la Directiva 1999/31/CE del Consejo relativa al vertido de residuos, ya que restringe el vertido de materia orgánica junto al resto de residuos sin someterse a ningún tratamiento previo. Una vez aplicada esta ley, junto con la española 11/1997 de envases y residuos de envases, el Real Decreto 1481/2001 para el control de residuos depositados en vertederos y el Plan Nacional de Residuos Urbanos, va a variar drásticamente el panorama nacional de gestión de vertederos y, como consecuencia, la producción de biogás en los vertederos.
1-Impacto Ambiental
Las emisiones incontroladas de biogás generan:
a – Malos olores.
b – Diversos efectos negativos sobre la vegetación y edificaciones colindantes.
c – Explosiones en el seno del vertedero o sobre su superficie.
d – Por otro lado, el metano es un agente potenciados del efecto invernadero del planeta; muchos investigadores y autores consideran que una molécula de metano contribuye:
25 veces más que una de dióxido de carbono al efecto invernadero.
El biogás se genera en procesos de fermentación anaeróbica desarrollados en el interior del vertedero, mediante los cuales, una flora bacteriana degrada la materia orgánica existente en compuestos elementales.
2-Parámetros:
Al ser un proceso biológico los parámetros que influyen sobre el mismo son diversos y destacan principalmente:
a – Composición del residuo vertido.
B – Porcentaje de materia orgánica biodegradable.
C – Humedad, tanto del residuo como posteriormente del lecho del vertedero.
d – presencia de nutrientes o inhibidores.
e – Sistema de gestión del vertido de residuos.
f – grado de compactación del vertedero.
g – mezcla de distintos residuos.
h – recirculación de lixiviados.
i – sellado del vertedero y su recubrimiento diario, etc.
j – Edad del vertido.
K – Condiciones climatológicas de la zona, principalmente nivel de lluvias y variaciones de temperatura
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3-Volúmenes Aproximados
En cualquier caso, el resultado final, a modo orientativo y aproximado.
1(Uno) metro cúbico de biogás se genera a partir de:
5-10 Kg. de residuos con un:
50% de materia orgánica.
Resultando una mezcla de gases compuesta por:
45-60% de metano
40-60% de dióxido de carbono.
2-5% de nitrógeno.
1% de oxígeno.
Pequeñas cantidades de amoníaco, monóxido de carbono, hidrógeno, etc. y cantidades traza de otros constituyentes como mercaptanos,
Compuestos órgano sulfurados, etc.
De todo el gas generado, aproximadamente.
50 y un 80% estarán disponibles para su recolección y, de este.
60% durante los 10 primeros años.
35% en los siguientes 10 años.
El resto en un plazo posterior de 20 a 30 años.
Por todo ello es necesaria la aplicación de controles medioambientales adecuados y tratamientos finales que aseguren la completa eliminación del biogás. Además, si los caudales extraídos son suficientes, será posible el aprovechamiento energético del mismo. Las técnicas empleadas hoy en día en la desgasificación y posterior aprovechamiento energético se encuentran suficientemente desarrolladas y, han sido empleadas para abastecer eléctricamente a instalaciones de muy variada índole o, simplemente a la red general de distribución de energía eléctrica. En el caso de aprovechar también la energía calorífica desprendida de los motores de combustión, se denomina el proceso “cogeneración eléctrica”.
En consecuencia, la aplicación práctica de la desgasificación de un vertedero comienza por la instalación de un sistema de desgasificación, el cual se compone por tres elementos principales; sistema de captación de gases, conducción y control y, transporte.
La captación de gases se realiza mediante una red de pozos verticales, o zanjas horizontales, según la profundidad del vaso de vertido, distribuidos regularmente por toda la superficie del vertedero, en los que se introducen tuberías (normalmente de polietileno) ranuradas en un 20-30 % de su longitud con el objetivo de que penetre el gas y, correctamente sellados en su superficie para evitar entradas de oxígeno al caudal de gas ni salidas de este a la atmósfera.
La conducción y control de los gases hasta los colectores principales es, quizás, el punto que más diferencia las técnicas de desgasificación. Consiste simplemente en tender tuberías, habitualmente de polietileno, desde la cabeza de los pozos hasta los colectores. Actualmente, siguiendo la nueva legislación sobre sellado de vertederos, estas tuberías quedan enterradas bajo varias capas de áridos, pero, para una gestión óptima del campo de gas, conviene que se encuentren en la superficie del vertedero, de tal modo que cualquier trabajo de mantenimiento sobre la misma sea sencillo; extracción de condensados, conservación de pendientes en los tendidos, etc.
En estos tramos se ubicará la valvulería necesaria de medición y control de los caudales aportados por cada pozo con el objetivo de mantener constante el porcentaje de metano en el biogás que llega a combustión, controlando los niveles de oxígeno presentes en el gas, mediante la presión de aspiración, de forma que no exista la posibilidad de que la mezcla metano-oxígeno se vuelva explosiva.
Existen básicamente dos métodos de control de biogás en el mercado: automático o manual.
El primero consiste en dotar al sistema de analizadores de metano, oxígeno, caudalímetros y tomas de presión que, de forma automática, envían los datos a un autómata central que reacciona regulando de una forma u otra las válvulas instaladas. El sistema manual se basa en la instalación en cada pozo de válvulas de regulación y puntos de toma de muestra manuales, de tal modo que un operario, una o dos veces por semana comprueba el estado de todos los pozos y, en consecuencia, regula las válvulas. El segundo sistema, aunque parezca muy precario, resulta más adecuado para el correcto seguimiento del campo de gas ya que, las variaciones de caudal y presión en los pozos se producen de forma lenta y progresiva y casi nunca repentina, o sea, fácilmente detectables en un seguimiento continuo, por lo que no es preciso instalar un sistema automático que destaca por su alto coste de montaje y mantenimiento.
Por último, el transporte de gases hasta la estación de aspiración se realiza mediante colectores de mayor diámetro a los que se conectan los ramales de conducción. Uno de los factores más importantes a tener en cuenta para el correcto funcionamiento de estas líneas es la posibilidad de eliminación de los condensados que se forman en el interior de las tuberías por el cambio térmico, de 35 a 50ºC, entre el interior del vertedero y la gran saturación en vapor de agua del gas. En casos de tendidos sin la suficiente pendiente, pueden formarse tapones que anulan o reducen la efectividad de la red de captación.
En cualquier caso, no existe ni método ni normativa que regule el diseño de estas instalaciones, por lo que es fácil encontrar diseños de muy diversa índole, sobre todo en lo que respecta a pozos, sistemas de regulación y diámetros en las tuberías.
Empresas instaladoras en España :
EUROMERCIAL, con instalaciones en los vertederos de Gardelegui en Álava, Meruelo en Cantabria, Arico en Tenerife, etc.
CLP ENVIROGAS, con instalaciones en los vertederos de El Garraf, Vall d´en Joan en Barcelona, y Montemarta-Cónica en Sevilla, etc.
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El aprovechamiento energético del biogás viene determinado por su poder calorífico.
El metano tiene un PCI de 8.900 Kcal. /Nm3, pero teniendo en cuenta al resto de componentes del biogás, resulta finalmente un PCI de aproximadamente 4.200 Kcal. /Nm3.
En el mercado existen varias firmas que se dedican a la comercialización de motores específicos para la combustión de este gas;
JENBACHER, GUASCOR, etc., los cuales, acoplan el correspondiente alternador se obtiene energía eléctrica. Los equipos más modernos queman eficazmente el gas con una 1,2 m3 de biogás.
En la actualidad, destacan en España los vertederos de Murcia, Sevilla en Monte marta-Cónica, Vitoria Gastéis Gardelegui, Asturias el de La Zoreda, el de Artigas en Bilbao, el de San Marcos en Pamplona, etc. y, en un corto intervalo de tiempo, entrarán en funcionamiento las instalaciones de los vertederos de Valdemingomez en Madrid con 14MW y el de El Garraf, Vall d´en Joan en Barcelona con 12 MW. En fase de proyecto se encuentran muchos vertederos, aunque la mayoría, por dimensiones y sistemas de explotación desarrollados, tan solo contarán con antorchas de combustión o pequeñas unidades de generación energética
Aprovechamiento energético del biogás
Actualmente, la generación de energía eléctrica parece ser la alternativa más usada para controlar el gas de vertedero. No obstante, su uso se ve limitado a aquellos vertederos donde se puede demostrar que es beneficioso para el medio ambiente a la vez que económicamente viable. Para cumplir con los criterios financieros, se debe verificar antes que nada, que el riesgo financiero es nulo.
Cada vertedero, dependiendo de la modalidad de explotación, las condiciones climáticas, las infraestructuras, etc. dará un rango de valores para los parámetros más importantes de los que dependerá, en buena medida, las posibilidades del aprovechamiento energético del biogás.
El aprovechamiento energético del biogás, ya sea procedente de la desgasificación de un vertedero ( o de una planta de biometanización) se hará mediante la utilización como combustible para generación de energía eléctrica. La electricidad vertida a la red se venderá acogiéndose al Régimen Especial de Producción Eléctrica (RD 2818/98), sobre producción de energía eléctrica por medio de energías renovables.
La proporción de metano es la que determina el poder calorífico del biogás.
El biogás de un vertedero es rico en metano y por ello resulta muy adecuado para la producción de energía eléctrica. No obstante, su poder calorífico es hasta un 50% inferior al del gas natural, por lo que su aprovechamiento requiere la utilización de motores y turbinas de gas muy desarrollados tecnológicamente. Por éste motivo en aquellos casos en los volúmenes de biogás son bajos.
Se suele optar por utilizarlo como carburante en una caldera para obtener energía térmica.
Riesgos a verificar
Un proyecto de aprovechamiento energético de gas de vertedero debe minimizar el riesgo y mostrar que es viable durante toda la vida de un contrato a largo plazo de venta de electricidad.
Los principales riesgos a verificar en un proyecto de aprovechamiento energético del biogás son:
- Riesgo de la fuente del combustible.
- Localización del riesgo.
- Riesgo legal y administrativo.
- Riesgo de la venta de electricidad.
- Riesgo operacional a largo plazo.
Para minimizar cualquier fallo en el proyecto es recomendable plantear una serie de cuestiones encaminadas a proporcionar una valoración detallada de los riesgos implícitos en la explotación del gas de vertedero:
- ¿Cuál es el precio de venta de la energía producida y cuál es la duración del contrato?
- ¿Existe un punto de conexión con la Red Eléctrica?
- ¿Cómo puede predecirse la cantidad y calidad del gas de vertedero y durante cuánto tiempo un Vertedero concreto producirá este gas?
- ¿Cuál es el mejor uso para el gas? ¿La incineración en el vertedero, uso local directo o producción de energía?
- ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de usar gas de vertedero como combustible?
- ¿Qué equipos se necesitarían para usar el gas con éxito y cómo puede asegurarse la operación fácilmente?
- ¿Qué consideraciones de tipo seguridad y medioambientales hay involucradas en una estrategia e utilización del gas de vertedero?
Criterios a considerar
Entre los principales criterios a considerar frente a un posible aprovechamiento energético del biogás destacan:
- Distancia del vertedero (lugar de generación del biogás) al lugar de aplicación.
- Condensación.
- Calidad del biogás
- Caudal de los pozos (porcentaje de CH4).
- Cantidad de biogás necesario para abastecer a la caldera principal.
- Equipos electromecánicos para el transporte
Teniendo en cuenta estos criterios se deben establecer el mayor número posible de hipótesis más desfavorables en todos los sentidos relacionados con los valores energéticos del biogás y datos de consumo, para de este modo establecer la posible rentabilidad de la utilización del biogás para la producción de energía eléctrica y el destino de ésta.
Valorización
Valorización potencial
Para decidir si un vertedero concreto tiene el potencial suficiente para la generación de energía eléctrica es muy importante conocer la cantidad estimada de gas (caudal de los pozos) y la calidad a largo plazo del gas. Para que un proyecto sea rentable las proporciones de producción de gas estimadas deben apuntar hacia una perspectiva de capacidad de la generación de gas a largo plazo.
Cantidad y calidad
Del gas determinarán el tamaño de la planta y darán tranquilidad al operador y a los prestamistas financieros del proyecto. Además, a partir de aquí, se puede hacer una estimación del costo de capital de la instalación.
Valoración estimativa de la producción de gas
La regla de valoración estimativa para evaluar la producción de gas de un vertedero consiste en asumir que cada m3 de basura, con un contenido en torno a un 50% de basura orgánica, producirá alrededor de 150 m3 de gas durante toda su vida útil productiva, y de ella entre el 50% y el 80% estará disponible para su recogida.
1m3 residuo—50% Residuo Orgánico—50m3 gas
50%-80% disponibles.
Entonces por cada metro cúbico de basura habrá 105 m3 de gas recolectable, aproximadamente 60 m3 de gas por metro cúbico de basura los primeros 10 años, y el resto en los siguientes 10 a 50 años.
A continuación se procede a estimar el volumen total de gas disponible de la basura que suministrará un rendimiento de gas durante la fase de generación del gas de vertedero (la fase metano génica).
El ratio medio de producción de gas es:
Ratio de producción de gas (m3/hr) = Rendimiento del gas (m3/t) x Masa de la basura (t) / Período de generación del gas (año) x 8.760 (hr/año)
Los vertederos actuales normalmente mantienen un registro completo del volumen de basura, de manera que el dato sobre la masa de basura es fácil de obtener. Pero en los vertederos antiguos, éste dato puede llegar a no conocerse. Entonces se puede hacer una estimación mediante el cálculo del volumen y relacionarlo con una densidad normal.
La basura doméstica no compactada varia densidad desde los 200 a 400 Kg. /m3.
La compactación y densidad debe aumentar como mucho hasta 1.000-1.200 Kg. /m3.
Aparte de la naturaleza heterogénea de un vertedero, la selección de densidad puede conducirnos a grandes errores. La aproximación más prudente para estimar la producción potencial de un vertedero es calcularlo para el peor de los escenarios.
Riesgo legal y administrativo
fuente de combustible, se les pagará una “prima” para sufragar los costes adicionales que supone llevar esta electricidad al mercado. Esta prima se revisa anualmente teniendo en cuenta tres factores: (1) tipos de interés, (2) tarifa eléctrica para los consumidores que no pueden elegir su tarifa y (3) precio del gas. Cada uno de estos factores con idéntica ponderación Aunque la desregulación permite a los cogeneradores suministrar a energía eléctrica a la Red Eléctrica Nacional de manera diferente a cómo lo hacen los monopolios tradicionales, el trayecto hasta lograr “la puesta en marcha definitiva de un proyecto” puede llegar a ser largo y tedioso. Para lograr todos los permisos, un cogenerador independiente debe relacionarse y tratar con diferentes Administraciones (local, provincial, regional y nacional) además de la compañía eléctrica local, las autoridades fiscales y las autoridades medioambientales.
El Real Decreto 2818/1998 recoge los requisitos necesarios para alcanzar las exigentes demandas de varios Tratados Globales y Europeos diseñados para reducir la emisión de gases a la atmósfera. Este Real Decreto introduce una serie de incentivos temporales para el desarrollo de proyectos de energías renovables en España. Este Real Decreto establece que para aquellas plantas que usen fuentes de energía renovables -como los residuos sólidos urbanos- no hay límite temporal en los incentivos debido a la necesidad de los beneficios medioambientales que estas plantas producen y también debido a su especial naturaleza, como es el nivel de tecnología y mayores costes. Los incentivos creados para los proyectos que usen fuentes de energía renovables pretenden asegurar que esta forma de generar electricidad llegue al mínimo del 12% de demanda de energía en España en el año 2010.
Dentro de la industria de gas de vertedero, esto supone que además del precio pagado según el “pool” eléctrico, a los generadores de electricidad, que usen gas de vertedero como únicao peso.
La tendencia del precio de la “prima” durante los dos años que la ley lleva en vigor, ha sido descendente y no es posible obtener una estimación de la reducción ( o aumento ) antes de la publicación de la nueva prima.
Existen tres requisitos esenciales que deben obtenerse antes de iniciar un proyecto de gas de vertedero:
(1) Registro del proyecto de generación en el “Régimen Especial de Autoproductores de energía Eléctrica”.
(2) Conexión al punto de la Red Eléctrica expedido por la Autoridad Eléctrica Regional.
(3) Contrato provisional con la Autoridad Eléctrica Regional.
El primero es de obligado cumplimiento y reconoce a la compañía de generación como un “autogenerador” según el RD 2818/1998. La conexión física a la Red Eléctrica puede tener importantes repercusiones financieras. Si el punto de conexión se encuentra a muchos kilómetros de distancia del vertedero, la viabilidad del proyecto puede cuestionarse. El segundo requisito también es obligatorio mientras que el tercero es opcional pero aconsejable pues es el documento que facilita la venta de electricidad de acuerdo con la autoridad eléctrica regional. Aunque, bajo las condiciones del RD 2818/1998, la autoridad eléctrica regional está obligada a comprar la energía procedente de un autogenerador reconocido legalmente como tal, dicha compra puede verse comprometida por un requisito de financiación.
Una vez que se tienen estos documentos se procede a realizar las pruebas de bombeo. Simultáneamente se tramitan los restantes documentos del proyecto.
Por último mencionar la importancia de tener en cuenta que un proyecto de generación de energía eléctrica con gas de vertedero es como cualquier otro proyecto de cogeneración en el que hay un componente de motores, transformadores y conexiones a las líneas eléctricas, además, de un combustible. Por ello si los operadores no tienen el suficiente conocimiento y experiencia en campos de gas, o permiten que esta parte del proyecto esté bajo el control de terceros, hay una alta probabilidad de conflicto de reducción de la salida de energía y de la eficiencia en capturar y controlar el metano.
RESUMEN DE CÁLCULO
5-10 KG RSU
1m3 Biogas 50%Materia Orgánica
Contenidos 45-60% Metano
40-60%CO2
2-5 % Ni
1 % O2
Generación Total
50-80% disponibilidad 60%-1º 10 años
35% – Post.10 años
Aprovechamiento Biogás
PCI—8900 Kcal. /m3
PCI—4200 Kcal. /m3
Consumo requerido
1kw—1.2m3 biogás
Generación de gasVerificación
1m3 Resid.—-50%Res.Org. —50m3 biogás
50m3 biogás—
20m3—1º 10 años
18m3—Post. 10 años
Rendimiento
n=m.biogás/m.RSU
Caudal Q (m3/h)
Q=n.Vol.gas/T.8760hs/año
Densidad:
200/400 (Kg. /m3)
Vertederos Existentes (200)
ANALISIS DE FACTIBILIDAD VERTEDERO RSU –EL BORBOLLON-LAS HERAS
Se intenta generar Energía a partir de combustible, de residuo producido en el vaciadero del campo Espejo de Las Heras.
En el mismo de descargan los residuos urbanos del Gran Mza.
Previamente sin procedimiento preestablecido se realizan separación de Plásticos, metales; vidrios, papeles, etc., en dos etapas
a – Posterior a la carga en camiones recolectores.
b – En el vaciadero antes del enterramiento sin compactación.
1º Etapa (Vaciadero existente)
Superficie aproximada:
3000m x 2500 m x 3.5 m =26.250.000m3
Volumen aprox. = 26.250.000m3RSU
Concentración 200 Kg. /m3 x 26.250.000m3=
= 5.250.000.000 Kg.
Generación bg
5kg RSU———————–1m3biogas
5.250.000.000 kgRSU—X= 1.050.000.000 (Kg. x m3bg/kgRSU)
=1.050.000.000 m3biogàs
Verificación Generación bg
1m3 RSU——————-50m3 bg
26.250.000m3RSU—- x=1.312.500.000 (m3RSU x m3bg/m3RSU)
1.312.500.000 m3bg
1º 10años
840.000.000m3bg
Post.- 10 años
315.000.000 m3bg
Rendimiento
n=.bg/.RSU=840.000.000/26.250.000=32%
1º 10 años
Q; Caudal (m3/h)
Q=n.x Vol.gas/T.x 8760hs/año
Q=32 x 840.000.000m3bg/ 10 años x 8760 hs/año
Q=306.849.32 m3/hs
Post.10 años
Q=32 x 315.000.000 m3bg/10 años x 8760hs/año
Q=115068.49 m3 bg
Capacidad de Generación
1º 10 años
1kw.h———–1,2 m3/h bg
X (kWh.) ——– (306.849.32 m3/h bg). 1kwh / 1.2 m3/h Vd.
X =255.707,76 kw h
1 kW. h——————3,6 x 10 6 w .s
255.707,76 kw.h —x= (255.707,76 Kw. h). 3.6 x 10 6 ws / 1kw h
x=9.21 x 10 11 w.s
x= 1MW x (9,21 x 1011 w.s) x / 10 6 w x 3600 s
x=25,58MW
Post. a 10 años
1 kw.h——–1,2m3/h biogas
x ——-115.068,49 m3/h biogas
x=95890.41kwh
1kwh——–3.6 x 10 6 w.s
95890,41 kwh—-x=(95890,41kwh) . (3.6×10 6ws)/ 1 kwh
X=3.45 x 10 11 w.s
X=1 MW x (3.45 x 10 11 w.s) / ( 10 6 w) x 3600 s
X=9.58 MW
Se adopta :
Este valor por ajustarse a la regla de cálculo de aplicar el menor valor obtenido, dado que se consideraron:
2-Parámetros mínimos generales.
3-volúmenes aproximados.
2ª Etapa Vertido de RSU –Potenciación.
Luego de la puesta en marcha del sistema en el vertedero existente, se procede a continuar con los rellenos conforme a las normas actuales, esto es el aprovechamiento del lixiviado en estado de metano (Biogás), para los vertidos se deberá preparar:
- Realizar los movimiento de suelo normalmente.
- Se procede a colocar membrana del tipo geotextil.
- Rellenos con tierra/áridos del tipo tapada mínima de diferentes calidades.
- Separado lo mayor posible de los RSU orgánicos de los inorgánicos.
- A los RSU orgánicos:
a-Llevarlos una concentración cercana al 50%.
b-Realizarles una compactación del orden de los 1000-1200 Kg. /m3. - Colocar una armadura de tela metálica del tipo romboidal.
- Ubicar a dichos bloques alineados de modo de obtener potenciales galerías de gas.
- Tapado con tierra/áridos.
- Montado de los conductos verticales captadores y horizontales conductores a la línea colectora de material polietileno apto para gas, con la etapa 1ª con la 2ª de aspiración del compresor.
De esta manera con el aumento de volumen de vertido garantiza la potenciación a los valores de generación.
Si consideramos que llevamos la concentración aproximadamente de 200 Kg. /m3 a 1000 Kg. /m3, Es decir el 500 %.
Si verificamos en lo cálculos, considerando las perdidas, etc. lograremos la potenciación buscada, mayor al 250%
Lo cual verifica la ecuación de:
9,58 MW——–100%
X ———267%
x=25,58MW
Fuente de Información
Tratado Gral. De Gas-Ing.Llobera
Los Gases Combustibles-Repsol Butano.J.L.Lorenzo Becco
La combustion.Giulano Salvi.Ed.Dossat,sa
Manual de Fòrmulas Tècnicas.Kurt Gieck.
www.milarium.com.
www.revista ambientur
Por: Diplomado Tomás Gómez Loyola
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