Aprovechamiento energético del biogás y tecnologías de obtención de biometano “upgrading”
M. Piedad Martínez
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Biometano: gas natural renovable
Ventajas
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Gas producido a partir de materia orgánica (residuos agrícolas, industriales, urbanos, etc)
Gas verde generado a partir de recursos renovables
Características similares al gas natural
Valorización energética de la biomasa
Reducción dependencia energética exterior
Desarrollo economía local
Cumplimiento objetivos UE
Utilización infraestructuras existentes
Vector energético de calidad
Almacenamiento excedentes energías renovables
Definición
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Líneas tecnológicas tradicionales de transformación de biogás en energía
Biogas
R. Agroganaderos, fracción biodegradable RSU, et c
R. Agroganaderos, fracción biodegradable RSU, et c
Digestión AnaerobiaDigestión Anaerobia
Combustión directa
Combustión directa MotoresMotores
BiometanoCaldera de
gasCaldera de
gas
Ciclo combinado existente
Ciclo combinado existente
Estación GNV
Estación GNV
RED
Vector energético calidad Flexible Sostenible Se transporta a los puntos de consumo
en infraestructuras existentes
Nuevas líneas tecnológicas: Transformación de biogas a Biometano
PCI, MJ/Nm3
Biogás (50-60% CH4): 17,7-21,3 Biometano (95% CH4): 33,6
Biogás
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Cadena de biomasa a biometano
CADENA DEBIOMASA ABIOMETANO
Reducción de las emisiones
Amento recursos renovables
- 20%+20%20% Mejora en la eficiencia energética.
Contexto:Objetivos UE2020
Hoja ruta UE. 2050
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Bio-SNG:: Synthetic natural gas orsubstitute natural gas
BiometanoUpgradingDigestión Anaerobía
Biogás
Gasificación Biometano(Bio-SNG)
Metanación, upgrading
Biosyngas
CO2Residuos ganaderos,
domésticos…o
Biomasa lignocelulósica
(madera)
Gas renovable inyectadoa la red de gas natural
Uso directo enproducción energética
Uso directo enindustria/estaciones de servicio
Biometano(Bio-SNG)Metanación
H2
Energía Renovable no gestionable
Power to Gas
Tecnologías: biometano 1G y 2G
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Potencial
Año 2013
Producción en UE: 156.000 GWh . 10,2 % más que 2012
Producción en España: 3.000 GWh. Puesto N.7 en UE
Año 2020. Potencial disponible en España. 20.000 GWh :
Biogás
Potencial de biogas disponible en Españaktep/año
FORSU+VERT.+EDAR GANADERIA RESTO AGROINDUSTRIAL‐ (no ganadería)
Fuente:Situación y potencial de generación de Biogas. IDAE
Fuentes:EuroObserver
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Biometano 1G: Upgrading biogás
Distintas tecnologías disponibles:Lavado con agua (PWS), Absorción química, Membranas, Pressure Swing Adsorption (PSA), ….
Upgrading: Proceso de eliminación del CO2 y contaminantes (H2S, siloxanos…)presentes en el biogás
UPGRADINGSeparación
CH4 50-60 %CO2: 40-50%H2S: hasta 4000 ppmSiloxanos 0-20 mg/m3
Otros: Nitrógeno, oxígeno, amonio, etc
Inyección a Red de Gas
Natural
Biometano
CH4 ≥ 95% CO2 ≤ 2 %H2S + COS ≤ 15 mg/m3Siloxanos ≤ 10 mg/m3Resto parámetros según normativa
TECNOLOGIAS ABSORCION FISICA ABSORCION QUIMICA LAVADO CON AGUA (PWS) MEMBRANAS PRESSURE SWING ASORPTION (PSA) CRIOGÉNICA
CO2
BiogásDigestión anaerobia
Más de 350 plantas en Europa.
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Tecnología upgrading: PWS
CH4 > 95% Aire+CO2
Desabsorción de CO2 del agua
Variación de la solubilidad del CO2 en H2O con la temperatura
Fuente: SGC
Relleno
Fuente: SGC. Malmberg Water
Absorción de CO2
CO2 disuelto en H2O
Lavado con agua (PWS)
Principio de separación: Diferente solubilidad del CO2 y CH4 en el agua La solubilidad del CO2 en el agua aumenta al bajar la temperatura y al
elevar la presión. El lavado separa SH2 presente en el biogás El O2 y N2 se mantienen fundamentalmente en la corriente de biogás
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Tecnología upgrading: Membranas
Membranas
Principio de separación: Circulación del biogás a presión a través de membranasde polímeros, más permeables al CO2 que al CH4.
El N2 se mantiene fundamentalmente en la corriente de biogás, el O2 se reduceparcialmente
Mayor consumo eléctrico
Carbón activo
CH4 > 95%
CO2
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Tecnología upgrading: Absorción Química
Principio de separación: absorción química del CO2 en la disolución de amina (MEA,MDEA, DEA..)
El O2 y N2 se mantienen fundamentalmente en la corriente de biogás Mayor consumo térmico, necesario en la regeneración Posibilidad de aprovechamiento del excedente de calor en usos industriales
Desabsorción
CO2CH4 > 95%
Amina .H2O+ CO2 Amina-H+ + HCO3- + calor
Absorción química CO2en Amina
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Tecnología upgrading: PSA
PSA
Principio de separación: Circulación del biogás a presión través de depósitos de carbónmolecular, donde se adsorbe el CO2. Se lleva a cabo a presión.
El O2 y N2 se adsorben parcialmente Una vez saturado, el carbón molecular se regenera (despresurización y desadsorción del
CO2). El proceso se lleva a cabo mediante ciclos de entorno 1-2 min. Mayor consumo eléctrico
Carbón activo
CH4 > 95%
CO2
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Biometano 1G: Upgrading biogás
PSA Lavado con agua (PWS)
Absorción química(aminas)
Membrana (2-3 etapas)
Demanda de electricidad (kWh/Nm³BG) (1) 0,16-0,3 0,2-0,3 0,06-0,17 0,2-0,35
Demanda de calor (kWh/Nm³BG)No No 0,4-0,8 No
Pérdidas de CH4 % 1-2 ~1 ~0,1 0,5-1
Presión de operación, bar 1-10 4-10 0,05-4 7-20
Temperatura operación, ºC - - 106-160 -
Separación de N2 y O2 Parcialmente No No Parcialmente (O2)
Necesidad de H20 No Sí Sí No
Separación de H2S Externo Si Externo Externo
La disponibilidad de todas las tecnologías es del 95-98%Alcanzan concentraciones de CH4 en el gas de salida del 96-98%
Comparación general de tecnologías
Fuentes SGC; AIE, Fraunhofer IWES,Otros
(1) Presión salida gas > 4 barg
En evolución : - Optimización según diferentes fuentes de biogas y uso final- Reducción de costes de inversión y de O&M, principalmente en plantas
de pequeño tamaño- Integración con otros procesos- Mejora de propiedades de materiales. Prestaciones
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Biometano 1G: Upgrading biogás
Instalación PSA. 500 m3/h biogás. Carbotech
Instalación Absorción con aminas. Purac
Instalación membranas. 500 m3/h biogás. Bilfinger
Instalación PWS. Okobit. 300 m3/h biogas
Instalaciones
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Licuefacción del Biometano
Limitaciones licuefacción BiometanoLimitación de compuestos a la entrada unidad de licuefacciónAgua ppm 0,5H2S ppm 3,5 CO2 ppm 50-125Temperaturas de Condensación (ºC)CH4 ºC -161CO2 ºC -78.5N2 ºC -196
Licuefacción del biometano: mediante enfriamiento hasta temperaturas inferiores a -150ºC (mediante ciclos de N2 o similar)
A temperaturas tan bajas la solubilidad de algunos compuestos en el biometano es muy baja, por lo que su concentración debe ser reducida previamente a niveles inferiores a los requeridos para inyección a red.
Ventajas del LBG
Mayor eficiencia en el transporte y mayor alcance geográfico
Nuevos mercados: Camiones, barcos
Planta de Lidköping (Suecia) Características planta de Lidköping
Sistema Ciclo Brayton inverso con Nitrógeno
Demanda eléctrica máx 1.12 kWh/Nm3 CH4
Capacidad 765 Nm3/h
Presión/Temperatura LBG 1.5 bar(a) / -163ºC
Presión almacenamiento 4-5 bar(a)
Calidad LBG Según legislación Sueca (Gas vehicular)
Inversión (2012) 83.6 MSEK (9,4M€*) (Incluye sistema intermedio de pulido)
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Biometano 1G: Upgrading biogás
Más de 350 plantas en operación en EuropaImportante aumento del grado de implantación a partir de 2008.
El país con mayor grado de implantación es Alemania, seguido de Suecia y EEUU
Las plantas utilizan biogás de diferentes fuentes y para distintas aplicaciones: inyección a red, vehicular..
Evolución implantación instalaciones upgrading
Fuente. IEA Bioenergy.
Austria; 14 Dinamarca; 6
Finlandia; 9
Francia; 8
Alemania; 178
Hungría; 2Italia; 5Luxemburgo; 3
Holanda; 21
España; 1
Suecia; 59
Suiza; 24
UK; 37
USA; 50
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Biometano 1G: Upgrading biogás
367 instalaciones en Europa en 2014 con una capacidad total de upgrading de 199,204 Nm3/h debiogas. Fuente: EBA. Biogas&Biomethane Report 2015
Evolución
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Biometano 1G: Upgrading biogás
Los costes de upgrading varían entre 15-20 Eur/MWh biometano, en plantas de~ 500 -1000 Nm3/h biogas tratado
Los costes de inyección, varían en función de presión de inyección, y distancia. Valores habituales en red de distribución, oscilan entre 2-3 Eur/MWh biometano
Fuente: AIE. Biomethane. Status and Factors Affecting Market Development and Trade. 2014
Costes de producción
Fuente: SGC
Elevados costes específicos de inversión en tamaños inferiores a 500-700 Nm3/h
Costes de producción de biometano, desglosados por componentes
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Integración Upgrading +P2G
Metanación
Biogás:CH4: 55- 60%CO2: 40-45%
CO2
CH4
Gas NaturalSintético
Upgrading
Electrolizadores
H2
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O ∆HR = -165 kJ/mol
Equilibrio entre oferta y demanda electricidad
Integración de energías renovables en la red
Es una forma de almacenar excedente de electricidad producida de fuentes renovables
En fase de demostración
Rendimiento P2G~ 56 % aprox.
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Integración Upgrading +P2G
Ejemplo: AUDI PLANT. Welte, Emsland
Primera planta piloto de demostración.
Inyecta el biometano a la red. Año de .p.e.m: 2013
Utiliza el CO2 procedente del biogas generado en la digestión anaerobia de residuos agro-ganaderos
Capacidad:3x2 MW de electrolizadores. 330 Nm3/h de BioSNG aprox.
AUDI-PLANTFuente: CO2 Utilization Summit. AUDI presentation Bremen 2014
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Normativa. Calidad del biometano
Legislación Española: Resolución de 21 de diciembre de 2012, de la Dirección General de Política Energética y Minas, por la que se modifica el protocolo de detalle PD-01 «Medición, Calidad y Odorización de Gas» de las normas de gestión técnica del sistema gasistaEstablece las especificaciones parámetros de calidad del gas en los puntos de entrada del Sistema Gasista:
Actualmente está en proceso de aprobación la norma Europea donde figuran las especificaciones que debe cumplir el biometano para poder ser inyectado en la red de gas natural (prEN 16723-1) y/o usado como combustible para vehículos (prEN 16723-2)