Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

Termodinámica. Producción energética. Aguas residuales. Autoabastecimiento de energía

  • Enviado por: Ana Fernández
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 50 páginas

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1.1.1 OBJETO DEL PROYECTO.

El presente proyecto tiene como objetivos tres apartados bien diferenciados:

  • Dar solución a la depuración de las aguas residuales de carácter orgánico y semilíquido (purines) que presenta la Granja Porcina "La Molinera" disminuyendo la carga orgánica en cuanto a parámetros tales como la DBO5 (demanda biológica de oxígeno), DQO (demanda química de oxígeno), ST (sólidos totales en suspensión) y SV (sólidos volátiles) mediante la utilización de la tecnología de filtro anaerobio.

  • La producción de energía en forma de gas combustible (biogás) obtenido del propio proceso de depuración.

  • El estudio tecnológico y económico de una planta de cogeneración alimentada total o parcialmente con el gas procedente del proceso de depuración para el autoabastecimiento energético (eléctrico y térmico) tanto de la planta de depuración (pretratamiento, digestor anaerobio, balsa aeróbica, y sistemas auxiliares) como de la granja en la práctica totalidad de su actividad (alimentación, higiene, etc.) dando así utilidad al biogás generado en el proceso de depuración.

  • 1.2 UBICACIÓN.

    La granja se encuentra ubicada en la Ctra. Nacional IV, km 344, en el término municipal de la ciudad de Mengíbar a 7 km de la misma en dirección Bailén.

    La granja no presenta en su actividad ninguna incompatibilidad con el desarrollo normal de la ciudad, dada su apartada situación de ésta.

    La topografía donde se encuentra ubicada la granja es plana, pudiendo destacar la cercanía del cauce del río Guadalquivir a su paso por Mengíbar, al que no existe peligro de causar daño en caso de vertido incontrolado o incidente por escape de las aguas residuales.

    Sólo la presencia de acuíferos subterráneos del que se abastecen de agua los agricultores de las tierras de cultivo adyacentes hace temer un suceso de este tipo.

    Por otro lado, dado el carácter del poco desnivel que existe en el terreno y que los suelos cercanos a la granja son de origen sedimentario aluvial, permite una buena filtración y con condiciones hidráulicas favorables permitirían un daño a las tierras y acuíferos cercanos.

    La granja se sitúa a unos 460 metros sobre el nivel del mar, y la temperatura media a los largo del año oscila los 25ºC.

    1.3 ANTECENDENTES.

    Hasta la presente, la Granja no se encuentra en disposición de tratamiento específico de los purines, salvo la excepción de almacenarlos en una balsa a la espera de su recogida por agricultores de la zona que lo usan directamente como fertilizante, debido a la facilidad relativa de manipulación y transporte (bombeo y vertido en depósitos) dada la naturaleza semilíquida de los purines.

    La balsa de almacenamiento cumple todos los requisitos exigibles a una instalación de este tipo, tanto en los aspectos de construcción de obra civil tales como aislamientos, elementos constructivos, equipos auxiliares de bombeo y transporte, como en cuanto a permisos recogidos en el Reglamento de Residuos Tóxicos y Peligrosos.

    La actividad de la granja, actualmente, no presenta incompatibilidades en cuanto a su actividad respecto al entorno, limitándose con ello a cumplir lo reglamentado en las siguientes directrices: Ley 29/1985, de 2 de agosto, de Aguas; Real Decreto 2611/1986 de 16 de febrero referente a la contaminación producida por los nitratos procedentes de fuentes agrarias; Decreto 2414/1961 de 30 de noviembre sobre actividades molestas, insalubres, nocivas y peligrosas; Ley 38/1972 sobre Protección del Ambiente Atmosférico.

    El abastecimiento energético se divide en dos partes:

  • Demanda de energía térmica, cubierta mediante gas natural, almacenado en dos depósitos de 500 m3 cada uno, cumpliendo las especificaciones que se hacen respecto a este tipo de instalaciones en el Reglamento de Aparatos a Presión en su apartado AP15.

  • El abastecimiento de energía se lleva a cabo mediante transporte específico en camiones cisterna y es suministrado por la compañía gas meridional. La frecuencia del suministro se produce 4 veces al mes para cada uno de los depósitos.

  • Demanda de energía eléctrica, cubierta por la Compañía Sevillana de Electricidad, mediante conexión a la red nacional, con la que se tiene contratado el suministro mediante la tarifa tipo 5, aplicable para uso normal en la industria, basándose para ello en el anexo I del Real Decreto 2066/1999 de 30 de diciembre donde se incluye las tarifas de suministro de energía eléctrica en relación a las tarifas básicas con los precios de sus términos de potencia y energía.

  • 1.4 DATOS DE PARTIDA.

    Los datos necesarios para realizar los cálculos y describir convenientemente la instalación a proyectar podemos clasificarlos en dos grupos:

    1.4.1 Generación de purines.

    La granja cuenta con 6350 cabezas de cerdo blanco, entre los que podemos distinguir varios tipos de animales, respecto a su situación en la actividad, es decir, cerdas de cría (preñadas), cerdas que se encuentran criando, cerdos destinados a engorde, sementales y crías. Cada uno tendrá unas condiciones de alimentación, por lo que la heterogeneidad en las características del purín está asegurada. Las características que se ofrecen en el siguiente apartado, nos muestran las medias ponderadas de diversos estudios que existen en el registro de la granja.

    De la granja se obtienen 278 m3 de purín al día dado que la limpieza de la granja se produce con agua caliente con una frecuencia de 3 veces al día, de 6:30 a 8:30, de 14:00 a 16:00 y de 22:00 a 24:00.

    Los 278 m3 de obtienen de la media ponderada durante un periodo de 6 meses (enero a junio) de 1999, no habiéndose producido cambios importantes en la estructura productiva de la granja desde entonces.

    1.4.2 Características del purín generado.

    En lo que respecta al purín de cerdo podemos decir que es un material del todo heterogéneo, es decir, posee gran variedad de materiales de tipo orgánico principalmente, así como su estado de agregación. Desde líquidos, procedentes tanto de aguas de lavado (en su mayoría) como derrames, aguas menores, hasta sólidos, en su mayoría orgánicos también y susceptibles de decantación, en mayor o menor grado dependiendo de su tamaño particular.

    La principal característica de estos purines es su estado semisólido, lo que provoca una manejabilidad que los hacen susceptibles para un tratamiento de tipo anaerobio.

    Para obtener un purín con las propiedades de tratamiento óptimas se deberá ser cuidadoso con los sistemas de recogida, la calidad de los mismos, y las fluctuaciones de sus parámetros fundamentales, como densidad o conductividad térmica, así como la estabilidad y uniformidad en estos parámetros y de los que nos indican su grado contaminante.

    Los parámetros más destacables y que se utilizarán para los cálculos se pueden ver en la siguiente tabla:

    Parámetros

    Valores

    Ph

    7.3

    DQO (ppm)

    29941.8

    Sólidos totales (g/l)

    29.1

    Sólidos volátiles (g/l)

    16.28

    AcH (ppm)

    593.5

    Nitrógeno amoniacal (ppm)

    1484

    Fósforo total (P2O5) (ppm)

    10.74

    Los análisis por los cuales se han obtenido los resultados de la tabla responden a los oficiales, registrados en el ...

    1.4.3 Composición y características del biogás.

    La composición del biogás podemos verla en la siguiente tabla. Como podemos apreciar las cantidades de los distintos gases es variable, pudiendo depender de los factores que en el punto siguiente se describen.

    GAS

    SÍMBOLO

    PORCENTAJE

    Metano

    CH4

    55-80%

    Dióxido de carbono

    CO2

    45-20%

    Hidrógeno

    H2

    0-10%

    Oxígeno

    O2

    0.1-1%

    Nitrógeno

    N2

    0.5-10%

    Monóxido de carbono

    CO

    0-0.1%

    Gases diversos

    SH2;NH3; Cn-H2n

    1-5%

    Vapor de agua

    H2O

    Variable

    De forma conjunta, es decir, teniendo en cuenta la mezcla de todos los gases, el biogás puede presentar las siguientes características físicas:

    • Grado de inflamación: 6-12% de volumen de aire

    • Temperatura de inflamación: 600ºC.

    • Presión crítica: 82bar.

    • Temperatura crítica: -82.5ºC.

    • Densidad: 1.2kg/m3

    • Poder calorífico (90% CH4): 7600kcal/m3.

    1.4.4 Demanda energética de la granja.

    Esta demanda podemos dividirla a su vez en dos aspectos:

    1.4.4.1 Demanda de energía calorífica.

    Esta demanda se evaluará mediante los datos que se han obtenido del registro de la granja durante el ejercicio de 1999, referida a la facturación de gas combustible consumido durante este año. Se puede ver desglosada en meses en la tabla siguiente:

    Mes

    Consumo (m3/mes)

    Enero

    Febrero

    Marzo

    Abril

    Mayo

    Junio

    Julio

    Agosto

    Septiembre

    Octubre

    Noviembre

    Diciembre

    9890

    8824

    9003

    8475

    7987

    7516

    7502

    7405

    7650

    7917

    8573

    9010

    El volumen total facturado de combustible resulta 103895 m3 al año. Teniendo en cuenta que el combustible consumido es gas natural, con un PCI de 8179 kcal/m3 tendremos el calor total facturado de 849757.2 Mcal/año.

    La capacidad global de la caldera instalada es de 320 Mcal/h, con un rendimiento que se estima en 0.9.

    1.4.4.2 Demanda de energía eléctrica.

    Esta demanda al igual que la anterior se evaluará teniendo en cuenta los datos del registro de la granja pero referente a los consumos de energía eléctrica, desglosado igualmente por meses. Los datos se visualizan en la tabla siguiente en kWh facturados.

    Mes

    kWh/mes

    Enero

    Febrero

    Marzo

    Abril

    Mayo

    Junio

    Julio

    Agosto

    Septiembre

    Octubre

    Noviembre

    Diciembre

    27405

    19312

    34223

    35032

    40980

    41010

    60480

    53483

    50985

    88965

    72404

    28711

    La potencia instalada en la granja es de 200 kW.

    1.4.5. Condiciones de funcionamiento de la granja.

    La granja funciona durante los 365 días al año, pues la dependencia de los cuidados de los animales no se pueden descuidar durante periodos espaciosos de tiempo. Por lo que la granja estará en funcionamiento durante todo el año, traduciéndose en un consumo energético casi permanente.

    El horario de trabajo para los operarios encargados de las granjas (cuidados, asistencia y alimentación e higiene) se distribuye en tres turnos de 8 horas durante las 24 horas del día.

    El personal de almacén para la alimentación y productos de higiene del ganado realiza su actividad en jornadas de 6 horas, a jornada completa en dos turnos. El primero de los turnos va desde las 6:30 a 12:30h, siendo el segundo de 12:30 a 18:30.

    El personal administrativo y de oficina empieza su jornada de 6 horas en jornada completa, desde las 9:30 a 15:30.

    1.5. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE BIOGÁS Y COGENERACIÓN.

    La planta en su totalidad (depuración y generación de biogás y cogeneración) se puede dividir para su descripción en partes diferenciadas, teniendo en cuenta que están interrelacionadas, por lo que se considera que para una mayor claridad de la explicación se procederá de este modo.

    1.5.1 Depuración de aguas residuales.

    En el presente apartado se abordará la descripción del sistema de tratamiento anaerobio elegido para los purines.

    La elección se decanta por los "sistemas anaerobios avanzados" o también denominado digestor de filtro anaerobio, cuya principal característica reside en el impedimento que se pone al arrastre de los microorganismos, con lo que se gana en el tiempo de retención y contacto de los mismos con el residuo.

    El sistema de filtro anaerobio permite la absorción en continuo de los residuos, con lo que se provoca la producción continua de biogás, que es realmente lo que interesa.

    La reducción del tiempo hidráulico para los residuos es notable frente a otros sistemas sin por ello reducir la eficacia de la descontaminación ni disminuir el rendimiento en la producción de biogás.

    1.5.1.1 Digestor anaerobio.

    Dentro de los distintos sistemas de filtro anaerobio se ha seleccionado el de película fija de microorganismos sobre soporte móvil SGN, teniendo en cuenta la posibilidad de que la movilidad de los elementos de la matriz permitan evitar la colmatación y la creación de vías preferenciales dentro del reactor lo que provocaría la recarga de algunos organismos, dando como resultado una disminución del rendimiento en todos los aspectos.

    El digestor es vertical para facilitar el transporte del substrato por gravedad (ausencia de bombeo), de forma cilíndrica con la base y cabecera troncocónicas. En la parte interior llevan acoplados entramados metálicos situados a 1 metro de altura de cada una de las bases, las cuales tienen la función de retener los anillos de matriz inerte móvil que forman el filtro.

    Los anillos de la matriz, parte fundamental del filtro anaerobio, están constituidos por cilindros flocor, que es principalmente plástico corrugado de aproximadamente 30 mm de longitud y 25 mm de diámetro (figura).

    El reactor tiene un volumen de 150 m3 de capacidad nominal de los cuales 130 m3 van rellenos de flocor.

    El fondo del digestor va equipado con un sistema de Recirculación hidráulico de agitación y un sistema de recirculación del biogás, el cual provocará la agitación de la matriz.

    La justificación de utilizar estos dos sistemas auxiliares dentro del propio reactor viene indicada por la facilidad que tienen de decantar los purines de cerdo además, que este tipo de reactores tienen a priori el inconveniente de soportar mal el tratamiento de purines con una alta carga en sólidos en suspensión, provocando los antes mencionados problemas de colmatación y creación de vías preferenciales.

    Se recurrirá al uso de los propios productos del digestor para evitar el contacto de los microorganismos con sustancias ajenas al proceso de digestión, lo que podría bajar el rendimiento tanto de la depuración como de la producción de biogás.

    La principal diferencia respecto a otros sistemas de fermentación, además de las reseñadas, residen en hacer pasar por la matriz el efluente a digerir, por lo que en el fondo se instalará un sistema de recirculación del purín de abajo a arriba por el exterior del reactor, que se hará pasar por un intercambiador de calor líquido-líquido para elevar la temperatura del purín hasta los 37º C aproximadamente, alcanzando la temperatura mesófila a la que tendrá lugar la reacción de digestión. Esto es posible gracias a que el flujo de purín dentro del digestor es constante, debiendo adaptar las condiciones de funcionamiento del intercambiador al tiempo de retención que se pretende para los purines.

    El intercambio de calor se llevará a cabo mediante agua caliente procedente de otro intercambiador que aprovecha el calor residual procedente del motor de biogás que nos propiciará la cogeneración.

    La fuente de calor para el agua que utilizaremos en el primer intercambio será la procedente de la calefacción de la granja, la cual habrá bajado considerablemente su carga térmica, siendo suficiente ésta para el intercambio necesario para los purines. Con lo que se estima que las necesidades de calor para alcanzar la temperatura mesófila (35-37º) para los purines es de 90000 kcal/h.

    Según los datos que se han obtenido en experiencias en plantas piloto, el proceso de filtro anaerobio ha funcionado bien en cuanto a su estabilidad, demostrando un alto nivel de recuperación del nivel de producción de biogás ante alguna parada, siempre y cuando la parada no exceda de un mes.

    En estas paradas, es decir, cuando se deja de aportar carga de alimentación, la producción de biogás descenderá de forma considerable, situándose en valores muy bajos transcurridos de 3 a 4 días, por lo que el tiempo de retención hidráulica de los substratos se puede situar alrededor de este tiempo. La razón de este descenso de deberá a que la mayoría del los purines estarán digeridos en este tiempo, siendo por tanto correcta la estimación de los 3 días con el objetivo de maximizar la producción.

    Con este tratamiento biológico se pretende que como mínimo el 70-80% de la DQO inicial al entrar en el digestor sea removida.

    1.5.1.2 Sistema de pretratamiento.

    Este sistema permitirá hacer llegar los purines en un estado tal que el tratamiento dentro del digestor no sufra ningún impedimento ajeno a él mismo y que proceda de los purines, como por ejemplo, una alta carga de sólidos en suspensión, sólidos groseros, etc. Consta de tres etapas fundamentales:

    • Fosa de recepción y almacenamiento que será la primera operación con la se contará para la separación mediante decantación de los sólidos más gruesos como jeringuillas, cápsulas o alimentos sin digerir, plásticos.

    • Separador sólido-líquido del tipo tamiz vibrante. Principalmente consta de dos cámaras que se encuentra provisto de sistemas de anillos autolimpiadores y regulación, con una luz de malla de 0.5 mm que separan ambas cámaras. La inclinación del tamiz es de 25º. La capacidad del tamiz se estima en 25 m3/h. El tamiz de dispondrá en acero para evitar corrosiones por efecto de los purines. Por la acción vibrante del tamiz será necesario la sujeción del mismo mediante bridas de anclaje, lo que podría ocasionar pérdidas en la trepidación, disminuyendo la eficacia del tamiz.

    • Fosa de homogeneización de los purines tamizados tiene un volumen de 10 m3. Esta fase tiene como objetivo la búsqueda de la distribución más uniformemente posible de los sólidos mas finos y por lo tanto evitar la decantación de los materiales en suspensión, ya que se perderá un porcentaje importante de la materia orgánica susceptible para ser tratada disminuyendo la producción biogás. Para este tratamiento se dispondrá de un sistema de Recirculación del purín mediante bombeo, para el cual se instalará una bomba centrífuga sumergida de 15 CV, en lugar del típico sistema de agitación, el cual puede ser desaconsejable por motivos energéticos y un mayor mantenimiento.

    • Sistema de conducción de purines pretratados, se deben evitar a toda costa un exceso de codos y estrechamientos que provocarían obturaciones en la conducción y una innecesaria pérdida de carga, por si surge la necesidad de bombearlos. Hasta ahora se dará un desnivel del 10% en las conducciones para aprovechar la gravedad. El diámetro de dichas conducciones se situará en 3", en acero para evitar las acciones corrosivas del purín.

    Los purines no se almacenarán en bruto debido a lo costoso que supondría tal almacenamiento, energéticamente hablando, pues los purines precisan equipos potentes para mantener la homogeneidad al agitarlos para evitar la decantación de la fracción sólida, por lo que se tenderá a acortar el tiempo de almacenamiento y se pasarán directamente al tamizado, donde las labores de homogeneización son menos engorrosas.

  • Conducción y almacenamiento de biogás.

  • Donde podemos integrar los siguientes elementos:

    • Un gasómetro, para el cual podemos reutilizar al menos uno de los depósitos que se utilizaban para almacenar el propano en la instalación antigua. Como se ha referido anteriormente el volumen del depósito es de 500 m3, el cual se encuentra equipado con indicadores de nivel de máximo y mínimo. El depósito se calculó en su día para trabajar para una presión máxima de 50 mbar, siendo de nylon recauchutado, de forma octogonal y con base de hormigón armado instalado sobre una estructura de ocho perfiles laminados. El gasómetro cuenta con un sistema de seguridad contra sobrecarga que consta de una electroválvula de salida, comandada desde el motor de cogeneración según las necesidades de caudal de combustible que éste tenga, y dos válvulas de bola de accionamiento manual, y un cierre hidráulico de seguridad.

    • Un medidor de caudal de biogás de paletas, dimensionado para un caudal máximo de 40 m3/h.

    • La conducción del biogás será en tubo de polietileno de alta densidad de 1" como diámetro nominal y cumplirá con el Reglamento de Redes y Acometidas de Combustibles Gaseosos en su apartado ITC-MIG-5.5 referente a canalizaciones de gas a baja presión.

    1.5.2 Sistema eléctrico y automatismos.

    En la planta de generación de biogás la automatización del proceso es parcial, debido a la conveniencia que maneja manualmente los purines brutos, principalmente debido a la heterogeneidad de los mismos.

    Por el contrario, los purines tamizados si poseen a priori mayor disponibilidad de ser automatizado. Por lo que el sistema de automatización será mixto.

    Para evitar señales de corte producidas por la boyas de nivel situadas en la fosa de homogeneización, se dispondrán sistemas de anclaje de las mismas evitando movimientos bruscos de las mismas durante el bombeo.

    Por último reseñar que la actividad de producción y gestión de los residuos ganaderos está regulada por el Reglamento de Residuos Tóxicos y Peligrosos, donde se encuentran tipificadas las normas y trámites a seguir para la evaluación, y proyecto de este tipo de instalaciones.

    1.5.3 Planta de Cogeneración y sistema energético.

    Este apartado servirá como descripción del motor de cogeneración, los sistemas de intercambio de calor que se utilizarán en la instalación para obtener energía térmica aprovechable, y la instalación eléctrica presente en la granja.

    El equipo de cogeneración se estima que funcionará los 365 días del año, ya que el periodo de vacaciones coincide con el periodo de demanda alta de energía térmica (febrero), y además que la demanda térmica para el reactor son constantes debido a la inconveniencia de una parada del mismo, aunque las horas de funcionamiento diarias quedarán fijadas en 16 horas, en un horario de 6:00 de la mañana a 22:00 de la noche.

    Para suplir la demanda de energía eléctrica durante las horas de más bajo consumo, es decir de 22:00 a 6:00 de contratará con la compañía eléctrica suministradora la tarifa la cual tiene un precio de adquisición de la energía de 10.52 ptas/kWh.

    Para cubrir la demanda de energía térmica durante estas horas podemos dejar el equipo antiguo funcionando las horas establecidas en este periodo. El consumo de energía primaria para este equipo correrá a cuenta del depósito auxiliar que se ha mantenido de la instalación anterior y que contiene gas natural de reserva.

    1.5.3.1. Descripción de la solución para cogeneración.

    Para la planta de cogeneración de utilizará un motor alimentado con el biogás producido de la marca Jenbacher, modelo J156GS-A21 con las siguientes características:

    Potencia nominal eléctrica (kW): 143

    Potencia eléctrica aprovechable (kW): 213

    Consumo de biogás en base al PCI (7600kcal/m3): 47m3/h

    Entrada de energía con el combustible: 416 kW.

    Rendimiento eléctrico (%): 34.3.

    Rendimiento térmico (%):51.2.

    Rendimiento total (%): 85.5.

    Configuración: en línea.

    Nº de cilindros: 6

    Diámetro del cilindro (mm): 122.

    Carrera (mm) 142.

    Desplazamiento del pistón (l): 9.96.

    Velocidad nominal (rpm): 1500

    Relación de consumo de combustible respecto a la generación (kWh/kWh): 2.77

    Nivel de ruido (dB): 88

    Nivel de ruido a la salida del gas (dB): 106

    Salida promedio de gases de escape en base húmeda másica (kg/h): 892.

    Salida promedio de gases en base húmeda volumétrica (m3/h): 697.

    Presión máxima admisible de salida del gas de escape (mbar): 60

    Temperatura de salida del gas de escape (ºC): 535.

    Masa de aire necesaria para la combustión (kg/h): 818.

    Temperatura de entrada máxima de agua para refrigeración (ºC): 70

    Temperatura de salida del agua de refrigeración (ºC): 90

    Caudal promedio de agua caliente (m3/h): 9.2.

    El motor de cogeneración se caracteriza por su versatilidad ante diversidad de procedencia de combustibles, es decir, el modelo que hemos elegido puede utilizar tanto biogás, como en su defecto gas natural (ambos contienen metano en composición variable).

    El modelo escogido es de encendido provocado o explosión (MEP), en el cual el aire comburente es introducido en el pintón y comprimido produciendo la autoinflamación del combustible debido a la alta presión que se alcanza.

    La energía suministrada por el combustible en el motor se puede distribuir por 3 caminos, el primero que nos da la eficiencia eléctrica del motor (34.3%) se convierte en trabajo eléctrico de salida por el alternador (143 kWe). Los restantes tres caminos se reparten el aprovechamiento de la energía que queda del combustible, el cual nos da energía térmica, en su mayor parte aprovechable, obteniendo la eficiencia térmica del motor, que se sitúa en el 51.2%. Estos caminos son el agua de refrigeración (camisa) del motor, la cual puede llegar a representar el 30% de la energía aportada por el combustible, y que resulta recuperable en un 100%; el siguiente camino en importancia es la recuperación del calor de los gases de escape, recuperables aproximadamente en un 60% mediante intercambio de calor.

    La energía obtenida del aprovechamiento de la energía térmica procedente del motor, se distribuye principalmente en agua caliente, utilizable en funciones de calefacción y sanitaria.

    1.5.3.2. Sistema de combustión.(4)

    1.5.3.2.1 Regulador de presión de gas de entrada.

    Será muy útil en este caso, ya que el poder calorífico del biogás es variable (depende de la concentración de metano). Este regulador mantiene la presión de entrada al carburador, alcanzando un nivel que depende del poder calorífico del biogás entrante. Se encarga de reducir la presión de la línea de biogás hasta una presión ligeramente superior a la del aire de admisión.

    1.5.3.2.2 Carburador.

    El cuerpo principal está constituido por dos válvulas de diafragma y una de mariposa. El carburador es el precursor de la mezcla del aire y el combustible. De la entrada de aire se encargan las dos válvulas de diafragma cuya apertura es dependiente de la presión de la línea de biogás, buscando por tanto la mezcla más adecuada en cada momento.

    1.5.3.2.3 Sistema de encendido.

    Encargado de generar la chispa procedente de la bujía que haga arder la mezcla de combustible y comburente. La chispa saltará al final de la carrera de compresión. Para que salte la chispa se tiene dispuesto una magneto que genera la señal de baja tensión que alimentan el primario de la bobina de cada cilindro. Las bobinas una vez excitadas provocan alta tensión en el secundario que provocan la chispa de la bujía. Se encuentra instalado una magneto electrónica, que genera impulsos por descarga de un condensador.

    1.5.3.2.4 Tren de válvulas.

    Se encuentra a la entrada del motor y se encuentra compuesto por una válvula de accionamiento manual para la llave de paso, manómetro de gas, electroválvulas de corte en serie y una válvula de derivación para venteo, actuando en caso de emergencia o en caso de parada normal.

    1.5.3.3 Circuito de entrada de aire.

    Este circuito es el que aporta el aire suficiente para que la combustión, buscando una buena relación de mezcla combustible/comburente y en consecuencia el rendimiento del motor sea el adecuado.

    1.5.3.3.1 Filtrado.

    Es el encargado de limpiar el aire que entra en el motor, con el fin de eliminar antes que entre en el carburador y posteriormente al cilindro con impurezas, sobre todo de carácter sólido. El volumen de aire que deja pasar el filtro es el adecuado para el correcto funcionamiento del motor.

    1.5.3.4 Circuito de salida de los gases de escape.

    Los gases de combustión salen al exterior de los cilindros a través de las válvulas de escape. Se deberá tener en cuenta la contrapresión de los gases al salir, pues desciende el rendimiento de los motores. Estos dos parámetros se encuentran en relación inversa.

    Para la evacuación de los gases de escape, se dispondrá de tubo flexible para evitar dilataciones, por medio de juntas, provocadas por la temperatura innecesarios en las uniones por vibraciones del motor.

    El aislamiento del conducto de escape será obligatorio para evitar radiaciones de calor a la sala de máquinas, elevando la temperatura ambiente de ésta, pudiendo afectar sensiblemente al rendimiento del motor.

    1.5.3.5 Sistema de recuperación de calor.

    Principalmente la recuperación de parte del calor de combustión procede del agua de refrigeración de la camisa del motor y de los gases de escape, produciendo agua caliente por intercambio de calor en un cambiador, tubular. La temperatura que se obtiene de salida del agua es de 90ºC, pudiendo variar la temperatura de entrada del mismo agua que circula en circuito cerrado, de la magnitud del intercambio. El calor que se ha citado de intercambio de destinará a calefacción de las dependencias tanto de la granja como de las oficinas en invierno y otoño, aunque sin embargo se destinarán a las necesidades de calefacción del digestor en primavera y verano, cuando la demanda térmica por calefacción de las dependencias baja.

    El circuito primario de enfriamiento de las camisas como hemos referido anteriormente será cerrado, con Recirculación para evitar contaminación de tipo térmico y evitar un gasto innecesario de agua además de energía. No olvidemos que el caudal de agua necesario para el enfriamiento del motor es de 9.2 m3/h.

    La temperatura de los gases de escape alcanza los 535ºC, teniendo un caudal másico de 818 kg/h. Por requerimientos de temperatura, el tubo de escape de los gases será de acero, siendo necesario la instalación de un aislamiento que proteja la sala de máquinas de radiaciones de calor. Como se ha referido igualmente.

    Como se ha referido igualmente, la cantidad de energía recuperable depende de la temperatura de salida tanto de los gases de escape como del agua de refrigeración. En el caso concreto de los gases de escape, un peligro a evitar es la formación de condensados en el tubo de escape, lo que se traducirá en una bajada del rendimiento de intercambio. Se evita manteniendo a suficiente temperatura el tubo, mediante el aislante antes referido, que priva al tubo de cualquier contacto térmico con el exterior.

    1.5.3.6 Sistemas de seguridad.

    La seguridad en la operación del motor se basa en la detección de anomalías en el funcionamiento del mismo, y en la actuación automática por medio de elementos de regulación y control de los elementos de parada del motor (interrupción de la alimentación de aire y combustible).

    Las situaciones por las que se pueden dar paradas son: baja presión del aceite, alta temperatura del agua de entrada de refrigeración, alta temperatura del aceite de lubricación, alta presión del aire en la admisión, bajo nivel de aceite, baja presión del gas combustible en la admisión, exceso de velocidad y exceso de temperatura en los gases de escape.

    El motor dispondrá de una válvula de accionamiento manual para la parada de emergencia del suministro de gases combustibles. En el cuadro eléctrico de dispondrá de un pulsador que provoque igualmente la parada del motor. Así como de los elementos de regulación y control que vengan equipados en el propio motor.

    1.5.3.7 Sala de máquinas.

    Debido a la radiación térmica y acústica, producida por el motor, deberá estar confinado en una sala aislada del exterior, siendo conveniente el cerramiento total de ésta.

    El motor seleccionado emite como valor máximo 106 dB.

    El motor se apantallará con los elementos propios constructivos de la sala de máquinas, como hormigón y mortero de arena, aunque no se descarta instalar algún aislante específico.

    El motor se apuntalará a piso mediante elementos constructivos de la sala de máquinas, especialmente instalados para evitar vibraciones que pueden ser perjudiciales para el propio motor y sus sistemas auxiliares. Estos elementos serán hormigón y perfiles laminados.

    La sala debido a las necesidades de ventilación, dispondrá de dos elementos ventiladores, uno extractor y otro introductor de aire del exterior, con dos fines, uno disipar la radiación acumulada en la sala de máquinas, y otro, alimentar al motor con el aire necesario para la combustión. Se deberán por tanto proporcionar las condiciones más favorables para la presencia de los operadores de la sala.

    2. MEMORIA JUSTIFICATIVA.

    2.1 Curvas de demanda energética.

    Para realizar las curvas de demanda tendremos en primer lugar, en cuenta los datos de consumo que se dan en el apartado 1.2 Datos., donde se nos da los datos de consumo desglosado en meses tanto de energía eléctrica como térmica de la granja.

    Antes de comenzar se debe aclarar que la demanda de la planta de biogás se ha introducido en forma de cantidad fija en cada una de las cifras citadas para la demanda global. La demanda de energía eléctrica se sitúa en 400 kWh y mes, abasteciendo a los equipos auxiliares de regulación y control tanto de los parámetros de funcionamiento del reactor como de los equipos de agitación y bombeo. La demanda térmica se centra en forma de agua caliente para la calefacción del digestor para mantener la temperatura mesófila de funcionamiento, que se estima en 120000 kcal/h.

    Para realizar las curvas de demanda debemos fijar los días tipo de la instalación, que nos servirán como referencia para dilucidar el funcionamiento de la granja. Podemos verlos en la siguiente tabla.

    Días tipo

    1

    2

    3

    4

    5

    Nº días año

    28

    108

    62

    31

    134

    • Se considerará periodo vacacional: Mes de febrero con 28 días, siendo el DIA TIPO 1.

    • Fines de semana (sábados y domingos) + festivos: 96 + 12 =108 días, siendo el DIA TIPO 2.

    • Dos meses de verano donde el consumo eléctrico se eleva por refrigeración: meses de julio y agosto con 62 días, siendo el DIA TIPO 3.

    • Temporada de mayor actividad de la granja: mes de diciembre con 31 días, siendo el DIA TIPO 4.

    • Días laborables normales con un total de 134 días, siendo el DIA TIPO 5.

    2.1.1 Curvas de demanda de energía eléctrica.

    Para comenzar con el cálculo realizamos la tabla de demanda de potencia eléctrica en % por intervalo de tiempo. Debemos recordar que la potencia instalada en la granja es de 200kW.

    Intervalo horario

    DT1

    DT2

    DT3

    DT4

    DT5

    0-2

    22.5

    22.5

    40

    22.5

    22.5

    2-4

    25

    25

    40

    22.5

    22.5

    4-6

    25

    25

    40

    25

    25

    6-8

    25

    25

    40

    35

    30

    8-10

    30

    35

    35

    35

    30

    10-12

    35

    50

    40

    40

    40

    12-14

    35

    50

    70

    50

    45

    14-16

    35

    35

    70

    50

    45

    16-18

    30

    30

    50

    50

    45

    18-20

    30

    30

    40

    45

    40

    20-22

    25

    25

    35

    35

    30

    22-24

    22.5

    22.5

    30

    22.5

    22.5

    Totales

    340

    375

    530

    432.5

    372.5

    Construimos la tabla de potencia eléctrica media para cada intervalo de tiempo:

    Intervalo horario

    DT1

    DT2

    DT3

    DT4

    DT5

    0-2

    45

    45

    80

    45

    45

    2-4

    50

    50

    80

    45

    45

    4-6

    50

    50

    80

    50

    50

    6-8

    50

    50

    80

    70

    60

    8-10

    60

    70

    70

    70

    60

    10-12

    70

    100

    80

    80

    80

    12-14

    70

    100

    140

    100

    90

    14-16

    70

    70

    140

    100

    90

    16-18

    60

    60

    100

    100

    90

    18-20

    60

    60

    80

    90

    80

    20-22

    50

    50

    70

    70

    60

    22-24

    45

    45

    60

    45

    45

    La tabla de frecuencias simples:

    Potencia media

    Frecuencia (días/año)

    140

    100

    90

    80

    70

    60

    50

    45

    248

    310

    1002

    1206

    910

    2036

    1422

    1546

    La tabla de frecuencias acumuladas:

    Potencias

    Días aculados

    140

    100

    90

    80

    70

    60

    50

    45

    248

    558

    1560

    2766

    3676

    5712

    7134

    8640

    Se calcula la demanda energética en relación a la energía eléctrica, tanto diaria como anual para cada día tipo.

    Día tipo

    Demanda energética

    Diaria (kWh)

    Anual (MWh)

    DT1

    DT2

    DT3

    DT4

    DT5

    1360

    1420

    1960

    1730

    1570

    38.08

    153.36

    121.52

    53.63

    210.38

    TOTAL:576.97

    Para realizar las operaciones utilizamos la siguiente expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Para finalizar obtenemos el coeficiente de corrección de la demanda de energía eléctrica por medio de la expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    donde Ef es la energía facturada y Ee es la energía estimada. Como vemos se obtiene un factor de corrección próximo a la unidad por lo que podemos aceptar la demanda relativa estimada.

    La curva de demanda podemos verla en el gráfico de la siguiente página.

    2.1.2 Curvas de demanda de energía térmica.

    Para el cálculo de estas curvas se procede de igual forma que en las anteriores. Debemos recordar que el rendimiento global del equipo instalado es 0.9 y que su capacidad global se sitúa en 320 Mcal/h.

    Obtenemos la tabla de demanda de potencia térmica en % por intervalo de tiempo.

    Intervalo horario

    DT1

    DT2

    DT3

    DT4

    DT5

    0-2

    30

    30

    22.5

    30

    35

    2-4

    30

    30

    22.5

    30

    35

    4-6

    30

    30

    22.5

    30

    35

    6-8

    35

    40

    25

    40

    40

    8-10

    35

    40

    25

    50

    40

    10-12

    35

    40

    25

    60

    50

    12-14

    30

    35

    25

    50

    50

    14-16

    30

    35

    25

    50

    40

    16-18

    30

    35

    30

    45

    35

    18-20

    25

    30

    22.5

    30

    30

    20-22

    25

    25

    22.5

    30

    30

    22-24

    25

    25

    22.5

    30

    30

    Totales

    360

    395

    285

    475

    450

    Construimos la tabla de potencia media demandada para cada intervalo de tiempo.

    Intervalo horario

    DT1

    DT2

    DT3

    DT4

    DT5

    0-2

    96

    96

    72

    96

    112

    2-4

    96

    96

    72

    96

    112

    4-6

    96

    96

    72

    96

    112

    6-8

    112

    128

    80

    128

    128

    8-10

    112

    128

    80

    160

    128

    10-12

    112

    128

    80

    192

    160

    12-14

    96

    112

    80

    160

    160

    14-16

    96

    112

    80

    160

    128

    16-18

    96

    112

    96

    144

    112

    18-20

    80

    96

    72

    96

    96

    20-22

    80

    80

    72

    96

    96

    22-24

    80

    80

    72

    96

    96

    Las tablas de frecuencia simple:

    Potencias

    Horas/año

    192

    160

    144

    128

    112

    96

    80

    72

    62

    722

    62

    1514

    1888

    2452

    1220

    620

    La tabla de frecuencias acumuladas:

    Potencias

    Frecuencia acumulada

    192

    160

    144

    128

    112

    96

    80

    72

    62

    784

    846

    2360

    4248

    6700

    7920

    8540

    Se calcula la demanda energética respecto a la energía térmica tanto diaria como anual para cada día tipo, mediante la siguiente tabla:

    Día tipo

    Demanda energética

    Diaria (Mcal)

    Anual (Mcal)

    DT1

    DT2

    DT3

    DT4

    DT5

    2304

    2528

    1824

    3040

    2880

    65512

    273024

    113088

    9424

    385920

    TOTAL:846968

    De donde se obtiene el factor de corrección para validar la estimación:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Con los datos que obtenemos de la tabla de frecuencias acumuladas realizamos la gráfica que aparece en la página siguiente:

    2.2 Elección del equipo.

    Habiendo calculado las curvas de demanda de calor y electricidad, se procede con la elección del equipo más adecuado para la instalación. Para ello se tendrán en cuenta la tasa de cobertura que el equipo ofrecerá cuando esté en funcionamiento, tanto para energía eléctrica como para térmica.

    Para hallar la citada tasa de cobertura del equipo que se instalará se procede a la construcción de la siguiente tabla:

    Potencia (Mcal/h)

    Horas/año

    Energía(Mcal)

    Tasa de cobertura

    140

    1400

    196000

    0.23

    130

    2350

    305500

    0.36

    120

    3390

    406800

    0.48

    115

    3995

    459450

    0.54

    110

    4650

    510500

    0.60

    105

    5400

    567000

    0.67

    100

    6150

    615000

    0.73

    95

    6850

    650750

    0.77

    90

    7200

    648000

    0.76

    85

    7600

    646000

    0.76

    Se tiene en cuenta que los datos son tomados de la curva de frecuencias acumuladas para la demanda de calor, pues se tiene intención de vender energía eléctrica.

    Los valores de la tasa de cobertura se obtienen dividiendo los valores de energía para las potencias seleccionadas entre la energía estimada para la demanda de calor.

    La potencia a la que corresponde una mayor tasa de cobertura, nos dará la potencia térmica del equipo a elegir. Se puede apreciar que éste corresponde a 95 Mcal/h, con una tasa de cobertura del 77%. El equivalente de la potencia térmica del motor es de 110 kWt.

    El hecho de haber elegido el motor descrito en el apartado 1.5.3.1, se basa en dos razones:

    • Producir un excedente de energía eléctrica que ayude a paliar los gastos producidos por la inversión en el propio equipo de cogeneración y en la planta de depuración de purines.

    • La granja está en proceso de construcción de una nueva nave para albergar alrededor de 1750 cabezas de cerdos destinados a engorde, con instalaciones como matadero por lo que se estima que incrementará la demanda de energía tanto térmica como eléctrica en torno al 50%, a la vez que crece el potencial de producir más biogás.

    2.3 Rendimiento eléctrico equivalente.

    Es el paso previo a realizar cualquier cálculo sobre ahorro. Mediante este rendimiento obtendremos la principal autorización para la instalación de cogeneración en la granja. Nos dará la viabilidad legal del equipo a instalar.

    El cálculo se basa en el anexo I del Real Decreto 2818/1998 de 23 de diciembre sobre la producción de energía eléctrica por instalaciones abastecidas por recursos renovables, residuos y cogeneración.

    El cálculo se realiza por la expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    donde Q es el consumo de energía primaria con referencia al poder calorífico inferior (PCI) del combustible utilizado (biogás) =

    =Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    Mcal

    V son las unidades térmicas de calor útil demandado por la instalación para su uso. Se considerarán los equipos consumidores de energía térmica a los que abastecerá la instalación en régimen especial. Se puede tomar como la potencia estimada para la instalación =846968 Mcal/año.

    E es la energía generada medida en bornes del alternador expresada como energía térmica = Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    Mcal

    Por lo que el equipo cumple con el dictamen para ser instalado y puesto en funcionamiento.

    2.4 Cálculo del ahorro energético.

    Para la realización del cálculo energético que nos producirá el equipo de cogeneración se tomará como referencia la instalación convencional que estaba instalada previo a este estudio.

    Para apoyarnos para este cálculo se realizarán las siguientes tablas, donde podemos obtener para día tipo información sobre la energía demandada, la cogenerada, diferencias y los excedentes, tanto de energía térmica como eléctrica. Tienen la siguiente configuración:

    DIA TIPO 1.

    En. demandada

    En. cogenerada

    Diferencias

    Excedentes

    Interv. Horario

    Escg

    Qscg

    Ecg

    Qcg

    E

    Q

    E

    Q

    0-2

    90

    192

    0

    0

    90

    192

    0

    0

    2-4

    100

    192

    0

    0

    100

    192

    0

    0

    4-6

    100

    192

    0

    0

    100

    192

    0

    0

    6-8

    100

    224

    286

    426

    -186

    -202

    186

    202

    8-10

    120

    224

    286

    426

    -166

    -202

    166

    202

    10-12

    140

    224

    286

    426

    -146

    -202

    146

    202

    12-14

    140

    192

    286

    426

    -146

    -234

    146

    234

    14-16

    140

    192

    286

    426

    -146

    -234

    146

    234

    16-18

    120

    192

    286

    426

    -166

    -234

    166

    234

    18-20

    120

    160

    286

    426

    -166

    -266

    166

    266

    20-22

    100

    160

    286

    426

    -86

    -266

    86

    266

    22-24

    90

    160

    286

    426

    90

    100

    0

    0

    DIA TIPO 2

    En. demandada

    En. cogenerada

    Diferencias

    Excedentes

    Interv. Horario

    Escg

    Qscg

    Ecg

    Qcg

    E

    Q

    E

    Q

    0-2

    90

    182

    0

    0

    90

    182

    0

    0

    2-4

    100

    182

    0

    0

    100

    182

    0

    0

    4-6

    100

    182

    0

    0

    100

    182

    0

    0

    6-8

    100

    256

    286

    426

    -186

    -170

    186

    170

    8-10

    140

    256

    286

    426

    -146

    -170

    146

    170

    10-12

    200

    256

    286

    426

    -86

    -170

    86

    170

    12-14

    200

    224

    286

    426

    -86

    -202

    86

    202

    14-16

    140

    224

    286

    426

    -146

    -202

    146

    202

    16-18

    120

    224

    286

    426

    -166

    -202

    166

    202

    18-20

    120

    182

    286

    426

    -166

    -244

    166

    244

    20-22

    100

    160

    286

    426

    -186

    -266

    186

    266

    22-24

    90

    160

    0

    0

    90

    160

    0

    0

    DIA TIPO 3.

    En. demandada

    En. cogenerada

    Diferencias

    Excedentes

    Interv. Horario

    Escg

    Qscg

    Ecg

    Qcg

    E

    Q

    E

    Q

    0-2

    90

    192

    0

    0

    90

    192

    0

    0

    2-4

    100

    192

    0

    0

    100

    192

    0

    0

    4-6

    100

    192

    0

    0

    100

    192

    0

    0

    6-8

    100

    256

    286

    426

    -186

    -170

    186

    170

    8-10

    140

    256

    286

    426

    -146

    -170

    146

    170

    10-12

    200

    256

    286

    426

    -86

    -170

    86

    170

    12-14

    200

    224

    286

    426

    -86

    -202

    86

    202

    14-16

    140

    224

    286

    426

    -146

    -202

    166

    202

    16-18

    120

    224

    286

    426

    -166

    -202

    166

    202

    18-20

    120

    192

    286

    426

    -166

    -234

    166

    234

    20-22

    150

    160

    286

    426

    -236

    -266

    236

    266

    22-24

    90

    160

    0

    0

    90

    160

    0

    0

    DIA TIPO 4.

    En. demandada

    En. cogenerada

    Diferencias

    Excedentes

    Interv. Horario

    Escg

    Qscg

    Ecg

    Qcg

    E

    Q

    E

    Q

    0-2

    90

    192

    0

    0

    90

    192

    0

    0

    2-4

    90

    192

    0

    0

    90

    192

    0

    0

    4-6

    100

    192

    0

    0

    100

    192

    0

    0

    6-8

    140

    256

    286

    426

    -146

    -170

    146

    170

    8-10

    140

    320

    286

    426

    -146

    -106

    146

    106

    10-12

    160

    384

    286

    426

    -126

    -42

    126

    42

    12-14

    200

    320

    286

    426

    -126

    -106

    126

    106

    14-16

    200

    320

    286

    426

    -86

    -106

    86

    106

    16-18

    200

    288

    286

    426

    -86

    -138

    86

    138

    18-20

    180

    192

    286

    426

    -100

    -234

    100

    234

    20-22

    140

    192

    286

    426

    -146

    -234

    146

    234

    22-24

    90

    192

    0

    0

    90

    192

    0

    0

    DIA TIPO 5.

    En. demandada

    En. cogenerada

    Diferencias

    Excedentes

    Interv. Horario

    Escg

    Qscg

    Ecg

    Qcg

    E

    Q

    E

    Q

    0-2

    90

    224

    0

    0

    90

    224

    0

    0

    2-4

    90

    224

    0

    0

    90

    224

    0

    0

    4-6

    100

    224

    0

    0

    100

    224

    0

    0

    6-8

    120

    256

    286

    426

    -166

    -170

    166

    170

    8-10

    120

    256

    286

    426

    -166

    -170

    166

    170

    10-12

    160

    320

    286

    426

    -126

    -106

    126

    106

    12-14

    180

    320

    286

    426

    -106

    -106

    106

    106

    14-16

    180

    256

    286

    426

    -106

    -170

    106

    170

    16-18

    180

    224

    286

    426

    -106

    -202

    106

    202

    18-20

    160

    192

    286

    426

    -126

    -234

    126

    234

    20-22

    120

    192

    286

    426

    -166

    -234

    166

    234

    22-24

    90

    192

    0

    0

    90

    192

    0

    0

    La información que obtendremos de estas curvas será muy útil para los posteriores cálculos tanto de ahorro energético como térmico.

    2.4.1. Cálculo del ahorro energético sin excedentes de energía cogenerada.

    El sistema convencional hasta ahora en funcionamiento tiene el consumo de energía primaria derivado en dos vertientes. Este consumo viene dado por la expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    siendo:

    • E la demanda de energía eléctrica de la granja.

    • Q es la demanda de energía térmica de la granja.

    • e es el rendimiento global de la red nacional de distribución y producción de energía eléctrica =0.33

    • q es el rendimiento global del sistema de producción de calor instalado =0.9

    Los datos de energía eléctrica y térmica demandados los obtendremos de las tablas del apartado 2.4.

    Así par el día tipo 1:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    para el día tipo 2:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    para el día tipo 3:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Para el día tipo 4:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Para el día tipo 5:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    A estos datos de consumo de energía primaria le realizamos la media ponderada, para obtener un dato de energía primaria sin cogeneración equiparable y significativo a los días tipo de la granja.

    Para aplicar la media ponderada tendremos en cuenta la siguiente expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    siendo xi la variable; ni la frecuencia absoluta; ki un coeficiente de importancia.

    Se sabe que cada día tipo ocurre una vez cada año, es decir que no se repite la misma situación tanto de duracxión como de demanda de energía a lo largo del año, por lo que ni = 1 para todos los casos; el coeficiente de importancia, dependerá de lo que contribuya cada día tipo a la demanda anual, por lo que se estimará como el % que ocupa cada día tipo tomando como la unidad los 365 días del año en que la instalación precedente estaba funcionando, así, k1 = 0.077, k2 = 0.29, k3 = 0.17, k4 = 0.085, k5 =0.37.

    La energía primaria consumida por el equipo de cogeneración para cubrir la demanda viene dada por la expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    siendo Ea la energía eléctrica de apoyo tomada de la red; Ecg es la energía cogenerada por el equipo; Qa es el calor de apoyo de producción convencional; cg es el rendimiento eléctrico del sistema de cogeneración.

    De donde se puede obtener que el ahorro en energía primaria debido a la instalación de cogeneración es igual a:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Introduciendo la tasa de cobertura del equipo de cogeneración, que viene dada por:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Agrupando, se obtiene una expresión para el ahorro de energía primaria tal que.

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    donde Rcg es la relación calor electricidad del equipo de cogeneración, y que la podemos obtener dividiendo las potencias térmica y eléctrica de salida del aparato. Para el motor que se aborda se sitúa en 1.49.

    La demanda de energía eléctrica (E), la calcularemos seguidamente para cada día tipo y posteriormente le haremos la media ponderada.

    Para el día tipo 1: 38080 kWh

    Para el día tipo 2: 162000 kWh

    Para el día tipo 3: 96100 kWh.

    Para el día tipo 4: 53630 kWh.

    Para el día tipo 5: 213060 kWh.

    De lo que se tiene que Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    =149639.9 kWh =E

    Por tanto el ahorro de energía primaria sin excedentes:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Se debe tener en cuenta que el equipo elegido es mayor que el que teóricamente hubiera cubierto la demanda de manera aceptable, por las razones que se exponen en el apartado 2.2., por lo que tendremos una nueva tasa de cobertura. Para calcularla se debe tener datos sobre la energía cogenerada (Ecg). Se procede a su cálculo por el mismo procedimiento anterior.

    Para el día tipo 1: 64064 kWh.

    Para el día tipo 2: 247104 kWh.

    Para el día tipo 3: 141856 kWh.

    Para el día tipo 4: 70928 kWh.

    Para el día tipo 5: 306592 kWh.

    De lo que se tiene: Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    =220176.53 kWh =Ecg

    La tasa de cobertura eléctrica: e=Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Justificado la elección del equipo, se tendrá un excedente de energía tanto eléctrica como térmica. Este excedente dará a un ahorro extra de energía, debido al grado de reutilización o autoabastecimiento que tengamos. Este ahorro extra viene dado por la expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Debemos conocer datos sobre la energía eléctrica excedente (Eex), pudiendo acceder a ellos mediante el método aplicado hasta ahora:

    Para el día tipo 1: 36624 kWh.

    Para el día tipo 2: 126144 kWh.

    Para el día tipo 3: 76756 kWh.

    Para el día tipo 4: 29822 kWh.

    Para el día tipo 5: 143112 kWh.

    De lo que se tiene. Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    =107936.64 kWh = Eex.

    Por lo tanto: Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    .

    El ahorro total de energía primaria vendrá dado por la suma de los dos ahorros:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    kWh

    2.4.2 Cálculo del ahorro económico.

    Se compara el coste del sistema convencional con el de cogeneración, teniendo en cuenta el gasto extra de inversión, que deberá amortizarse con el ahorro obtenido.

    El coste económico del sistema convencional viene dado por:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    siendo ve el coste unitario de la energía obtenida de la red = 17 ptas/kWh; vq el coste unitario del calor útil = 2.07 ptas/kWht.

    Para calcularlo necesitaremos la demanda de calor para cada día tipo y obtener posteriormente la media ponderada:

    Para el día tipo 1: 64512 kWht.

    Para el día tipo 2: 268704 kWht.

    Para el día tipo 3: 156736 kWht

    Para el día tipo 4: 94240 kWht.

    Para el día tipo 5: 385920 kWht.

    De donde se obtiene que el calor demandado (Q) = 260337.5 kWht

    El coste será:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Se obtiene ahora el coste de cogeneración sin excedentes, que viene dado por:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    donde Ea es la energía eléctrica de apoyo durante las horas de parada del equipo. Se deben calcular por el método seguido hasta ahora.

    Para el día tipo 1: 10640 kWe.

    Para el día tipo 2: 41040 kWe.

    Para el día tipo 3: 23560 kWe.

    Para el día tipo 4: 11470 kWe.

    Para el día tipo 5: 49580 kWe.

    De donde Ea = 36045.63 kWe.

    Igualmente sucede para Qa que responde al calor de apoyo para las horas de parada del equipo:

    Para el día tipo 1: 20608 kWt.

    Para el día tipo 2: 76248 kWt.

    Para el día tipo 3: 45632 kWt.

    Para el día tipo 4: 23808 kWt.

    Para el día tipo 5: 115776 kWt.

    De donde Qa = 76316.9.

    La energía cogenerada se había calculado anteriormente, dando 220176.53 kWe.

    ve es el coste unitario de la electricidad comprada a la red = 7.32 ptas/kW.

    vq es el coste unitario del calor útil =1.86 ptas/kWt.

    vcg es el coste del combustible utilizado en cogeneración. Se debe tener en cuenta que el combustible se producirá en la misma planta, por lo que en el coste incidirán aspectos tales como el mantenimiento de la instalación de depuración, incluyendo la mano de obra , que se estima en 900.000 ptas/año, y el seguro para accidentes cifrado en 200000 ptas/año. Estas cantidades se comparan con la cantidad de biogás producido a lo largo del año, que viene dado por:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    de donde se obtiene:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    con todos los datos se procede a calcular los costes de cogeneración:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Se calcula ahora el ahorro económico teniendo en cuenta los excedentes de energía. En este caso la expresión viene dada por.

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Cex son los ingresos relacionados con la venta de la energía excedentes (eléctrica) y con los costes relacionados con la eliminación de esta energía (térmica). El excedente de energía térmica no se aprovecha ni se vende, por lo que será necesario disiparla mediante torre de refrigeración, cuyos costes operativos se estima en 2.3 ptas/kW disipado = vq .

    Para completar la expresión falta calcular la Qex, haciéndolo por el método seguido hasta ahora:

    Para el día tipo 1: 51520 kWt.

    Para el día tipo 2: 175608 kWt.

    Para el día tipo 3: 100192 kWt.

    Para el día tipo 4: 27962 kWt.

    Para el día tipo 5: 186072 kWt.

    De donde se obtiene: Qex = 148072.04 kWt.

    Así,

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    De donde:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    2.5 Viabilidad de implantación.

    Para evaluar la viabilidad de implantación se estudiará el valor neto de la inversión (VAN), que se obtiene a partir de los abonos netos actualizados para un año 0 de partida a lo largo de la duración del periodo de estudio del proyecto. Este método permite conocer los beneficios obtenidos o por lo menos esperado a lo largo de la vida del proyecto.

    Se utilizará una tasa de actualización cifrada en un 6.5% en tanto por uno, siendo este parámetro de las condiciones del tipo de interés al que se nos ofrezca la financiación del proyecto. El periodo de estudio datará de 10 años.

    Para su estudio se fijará la condición que la sobreinversión se desarrolla durante el año cero y la instalación empezará a rendir después del primer año, caso lógico en este caso donde la puesta en marcha de la instalación en su conjunto puede llegar a ser superior a 6-7 meses, situándonos en una condición desfavorable. El rendimiento de la instalación se supondrá constante a partir del primer año en que se empieza a producir energía con garantías suficientes.

    El VAN viene dad por la expresión:

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    donde n es el número de años de estudio = 10; I es la inversión inicial, que se desglosará en dos tramos, la del equipo de cogeneración que se cifra en 50750ptas/kWe instalado y la del equipo de depuración, cifrada en 34125 ptas/m3 de digestor: El valor de la inversión total data de 12376000 ptas; Ae es el ahorro neto actual; i es la tasa de actualización en tanto por uno: 0.065.

    Si tenemos en cuenta que la Administración subvenciona la inversión inicial en un 30% según la Orden de 1 de octubre de 1988 por el que se desarrolla el Real Decreto 808/1987 de 19 de junio para la mejora de la eficiencia de las estructuras agrarias en el apartado e) sobre ahorro de energía de capítulo III referente a los objetivos de las inversiones, podremos tomar I' como 8663200 ptas.

    Los valores de VAN para los distintos años de estudio los podemos ver en la siguiente tabla:

    Año

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    VAN

    -5.357

    -2.254

    1.076

    3.396

    5.966

    8.379

    10.64

    12.77

    14.77

    16.65

    Los resultados están expresados en millones de pts.

    Como se puede ver la instalación puede ser rentable y empezaría a dar beneficios a partir del 3º año.

    3. ANEXOS

    3.1 Los residuos orgánicos agroalimentarios. Necesidad de tratamiento.

    En España la cifra de residuos ganaderos generados anualmente superan la cifra de 60 millones de toneladas, dosificados en la siguiente tabla:

    Especie

    Producción de estiércol (mill. Tm)

    Bovino

    36075

    Ovino

    9108

    Porcino

    15588

    Estas cifras suponen una contaminación medida en función de la demanda biológica de oxígeno (DBO5) por encima de los dos millones de toneladas al año, por lo que si tenemos en cuenta el valor medio de consumo para los residuos humanos de 61 gramos de oxígeno por habitante y día, de acuerdo con la Ley de Aguas en su artículo 293, el total de las especies ganaderas supone una población equivalente de 83 millones de habitante, por lo que podemos hacernos una idea la problemática que supone, en cuestión de contaminación de suelos acuíferos naturales, etc.

    Los residuos ganaderos constituyen una de las fuentes de mayor potencial de uso energético, siendo muy adecuados para el tratamiento por digestión anaerobia debido a su naturaleza semilíquida, que como se ha descrito en la memoria tiene un doble objetivo principalmente, por un lado reducir la carga orgánica contaminante de los purines y por otra la obtención de un gas combustible rico en metano procedente del proceso, parte del cual es autoconsumido por el propio proceso de fermentación para alimentar los equipos que funcionan con energía eléctrica y para mantener la temperatura mesófila (35-37ºC) que provocan las condiciones óptimas de funcionamiento del reactor.

    El agua es un recurso natural renovable, pero como sabemos es del todo escaso en países como el nuestro, con grandes desigualdades, por lo que como respuesta al uso indiscriminado que surge de las necesidades de la sociedad, se han desarrollado sistemas avanzados de tratamiento con el fin de reducir la carga orgánica procedente, mayoritariamente de las explotaciones agropecuarias intensivas.

    El resultado de los vertidos sin tratamiento se traducen en problemática para ríos y embalses, en el que podemos citar aspectos tales como:

    • Reducción del contenido de O2 disuelto por la bioxidación de los compuestos orgánicos residuales (DBO5).

    • Descomposición orgánica de aguas y los altos contenidos en sólidos sedimentables.

    • Eutrofización (crecimiento indiscriminado de algas aeróbicas) por aporte extra de nutrientes (fosfatos y nitratos) procedentes de los vertidos.

    Por lo que las necesidades de tratamiento de las aguas viene dado por dos objetivos principales:

    • Evitar los contaminantes en las aguas superficiales y subterráneas.

    • Reducir las posibilidades de propagación de enfermedades por los diferentes patógenos.

    La tecnología para la depuración y el tratamiento de las aguas residuales es muy variada, por lo que deberemos tener en cuenta una serie de criterios para la elección de la más adecuada, son los siguientes:

    • Objetivo del tratamiento y características necesarias que se quieren obtener del efluente para su vertido, o disposición posterior en la práctica.

    • Aprovechamiento de las condiciones locales naturales tales como pluviometría, temperatura, horas de sol, y ubicación relativa de la instalación en relación a zonas pobladas.

    • Costes relativos a la construcción de las instalaciones de tratamiento y del equipo de cogeneración, y eficiencia de los mismos en cuanto a la reducción de contaminantes y patógenos y producción de energía tanto térmica aprovechable como eléctrica, respectivamente.

    • Coste y facilidades de operación y mantenimiento, teniendo en cuenta los consumos de energía, principalmente para la operación y mano de obra.

    Con la planta de biogás estamos solucionando con un solo proceso dos de los mayores problemas medioambientales: El energético y los vertidos en suelos y acuíferos subterráneos y superficiales por lo que puede servir como solución a medio y largo plazo a problemas tales como salud, higiene, agua, suelo y ambiente fundamentalmente en zonas rurales, siendo una fuente fiable de empleo en estas zonas, además de hacer una apuesta importante por el potencial turístico de la zona.

    3.2 El proceso de digestión anaerobia.

    Se denomina proceso de digestión, a la transformación de la materia orgánica compleja en otros compuestos más simples y de mejor asimilación por los distintos microorganismos presentes en el medio del reactor, así como útiles o aprovechables desde el punto de vista práctico.

    Principalmente el proceso de digestión anaerobia consiste en la degradación por microorganismos y en ausencia de oxígeno (molecular) de la materia de acuerdo con la siguiente reacción general:

    materia orgánica + microorganismos + nutrientes Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas

    Planta de depuración y cogeneración a partir de biogas
    productos finales + energía + microorganismos nuevos

    Dada su naturaleza, el proceso no es simple, ya que requiere de varias etapas, en las que intervienen varias especies diferentes (población heterogénea) de bacterias fundamentalmente, por la acción de las cuales podemos completarlo. Si se llevan a cabo varias etapas, es lógico que las reacciones no sean únicas, por lo que el medio promueve una concatenación

    de reacciones bioquímicas que provoquen la ruptura de moléculas más complejas en otras que lo son menos, dando como productos finales moléculas de naturaleza simple, fundamentalmente metano y dióxido de carbono.

    Las etapas que se llevan a cabo en un proceso de estas características podemos verlas en el esquema de la figura 1.

    Aunque el proceso puede resumirse en dos etapas bien diferenciadas, la primera hidrolítica fermentativa donde se produce la asimilación metabólica mediante hidrólisis (reacción con agua como medio) de los polímeros orgánicos dejando una mezcla de ácidos volátiles (acético, propiónico, butírico, láctico, etc.) CO2 y H2O y la segunda, firmemente encadenada con la primera, consiste en la transformación de los productos que se acaban de citar en los componentes del biogás (metano y CO2) mediante la metanogénesis, proceso estrictamente anaerobio (en ausencia de oxígeno), podremos diferenciar hasta o cuatro etapas dependiendo del grado de detalle de la explicación del proceso.

    Se cuenta con la ventaja que los residuos contienen la concentración o población suficiente de bacterias como para poder iniciar la puesta en marcha de la instalación. Contando con este detalle podemos empezar a describir las tres etapas del proceso haciendo hincapié en el tipo de bacteria predominante y su función en la etapa.

    Las bacterias formadoras de ácidos (acidogénicas e hidrolíticas) degradan a los hidratos de carbono, lípidos y proteínas produciendo ácidos volátiles, H2 y CO2. El mecanismo por el cual se produce estas reacciones podría ser perfectamente el siguiente: las enzimas hidrolíticas (que reaccionan en medio acuoso) a partir de los hidratos de carbono dan lugar a glúcido, los cuales entran en el ciclo de glucólisis originando ácido pirúvico. Este a su vez por fermentación homoláctica, butírica y propiónica dan lugar al carbónico (CO2), hidrógeno, y los correspondientes ácidos volátiles mencionados. Normalmente se obtienen en mayor proporción el propiónico, que tiene un efecto regulador sobre el potencial redox que es perjudicial para las bacterias y el acético, causante del descenso momentáneo del pH.

    Las proteínas, por acción de las enzimas hidrolíticas desembocan en sus aminoácidos correspondientes mediante mecanismos de desaminación, descarboxilación, etc. generando compuestos volátiles tales como el NH3.

    Los lípidos, por medio de -oxidación dan lugar a sus ácidos grasos constituyentes (de dos a tres átomos de carbono).

    Las bacterias acidogénicas poseen un nivel de reproducción muy alto, pudiendo duplicar su población en menos de dos o tres horas.

    Las bacterias acetogénicas, como su nombre indica, producen acetatos, hidrógeno y carbónico partir de los ácidos grasos que se obtuvieron en la etapa anterior. Su velocidad de reproducción es más lenta que las anteriores, necesitando de 2 a 4 días para duplicar su población.

    Las bacterias metanogénicas, constituyen el tercer grupo principal de microorganismos presentes en la digestión y serán las que nos proporciones el biogás. utilizan los acetatos, el CO2 y el hidrógeno para producirlo. Este grupo podemos derivarlo en dos grupos bien diferenciados.

    • Las metanogénicas acetoclásticas que transforman o destruyen los acetatos y los transforman en CO2 y CH4 componentes principales del biogás. Su velocidad de crecimiento es lento, llegando a duplicar su concentración en 2 ó 3 días. Además de su utilidad en la producción del biogás, pues de ellas sale aproximadamente el 70% del producido, podemos destacar su poder como reguladoras del pH, ya que eliminan el acetato del medio.

    • Las metanogénicas que usan H2 que se encuentra en el medio y CO2 producido en las anteriores etapas en la producción de metano. El crecimiento es superior a las otras, pudiendo duplicar su población en tan sólo 6 horas. También tienen acción reguladora pero sobre el potencial redox ya que tienden a eliminar el H2 del medio.

    Como grupo adicional podemos considerar las bacterias sulforeductoras que compiten con las metanogénicas en el uso del substrato de esta etapa (acetatos, CO2 y H2) para producir principalmente ácido sulfhídrico (SH2), responsable tanto del mal olor como de la presencia en el biogás de este compuesto perjudicial para los equipos de combustión , por lo que será de interés su control.

    3.3 Posibilidades de uso y venta de los fangos procedentes de la depuración.

    Como hemos descrito durante la Memoria, como consecuencia del proceso de depuración de los purines, se obtienen los fangos, o también denomindos biosólidos.

    Después de un proceso de estabilización, mineralización y homogeneización en balsa aeróbicas se les somete a un proceso de desecación al aire libre. Recordemos que estos fangos han perdido gran parte de su poder contaminante, patógeno y capacidad de producir mal olor.

    Su destino puede ser variado dentro del mundo de los fertilizantes y correctores de suelos (compost), ya sea en la agricultura o en bosques como base para reforestaciones y freno de la desertización.

    La Normativa Europea en materia de aguas residuales (Directiva 91/1271/CEE) obliga a darles un aprovechamiento mayor y más productivo que su simple deposición en vertederos controlados, o que supondría una recorte sustancial de la vida media de los vertederos.

    La utilización de los fangos procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) está regulada por el Real Decreto 1310/1990 y complementada por la Orden de 26 de Octubre de que traspone la Directiva Europea 86/1278/CEE.

    Con el aprovechamiento de los fangos se pueden reconducir la materia orgánica existente en ellos de fácil asimilación por los vegetales así como minerales y otros elementos nutritivos que posee, los cuales pueden volver a incorporarse a los ciclos de materia y energía naturales.

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  • REGLAMENTO DE RESIDUOS TÓXICOS Y PELIGROSOS; Ministerio de Industria, Comercio y Turismo; Madrid 1991.

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  • VALERA, P., CAMARERO, L., DE MIGUEL, J.; "Planta piloto de biogás para el tratamiento de residuos ganaderos del Matadero Insular de Tenerife (MIT)"; TECNO-AMBIENTE, 1989.

  • Linares, 24 de mayo de 2000

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    PLANTA DE DEPURACIÓN Y COGENERACIÓN A PARTIR DE BIOGAS