Resultados alcanzados

A continuación se muestran los principales avances de la investigación desarrollada dentro de la Unidad Mixta Gas Renovable:

Línea 1. Mejoras en el proceso de producción de biogás y recuperación de nutrientes.

Línea 1.1: Desarrollo de una herramienta matemática para el diseño de dietas de co-digestión: Se ha mejorado el método de cálculo de la herramienta de simulación de codigestión anaerobia, reduciendo el tiempo de cálculo. Esto se ha logrado mediante una mayor estabilización del algoritmo BDF implementado, junto con la optimización de cálculos, balanceando rápida convergencia con cálculos menos pesados.También se ha hecho una primera implementación de un método de cálculo para convertir las mediciones del laboratorio en parámetros de entrada del modelo avanzado de simulación, haciendo más rápido y sencillo predecir el funcionamiento del codigestor. Este sistema se basa en una estructura de plug-ins editables sobre hojas de cálculo Excel, haciendo más fácil la mejora algorítmica del cálculo, así como permitir descentralizar el desarrollo, dotar al técnico de laboratorio del control sobre el método de conversión y permitir más fácil escalado de las funcionalidades de la aplicación.

Línea 1.2: Optimización de dietas de codigestión: Se ha realizado la caracterización físico-química y determinación de potencial metanogénico de 3 posibles co-sustratos: mezcla de refresco, restos de bagazo, lodos de depuración de origen industrial). Se han planteado dos escenarios diferentes, con posibles modificaciones a realizar en la EDAR de Bens, para incrementar el volumen de sustratos a utilizar en sus digestores anaerobios. Aplicando diversos parámetros de restricción, como la relación C/N, se establecieron mezclas de los co-sustratos y el fango espesado de la EDAR y se ha podido determinar el potencial metanogénico experimental de las mezclas. Implantar el proceso de co-digestión en la EDAR de Bens, en el escenario más favorable, permitiría duplicar el potencial de producción de metano.

Línea 2: Turbinado de agua depurada para la producción de hidrógeno renovable

Actualmente se está diseñando el piloto para la producción de hidrógeno renovable.

Línea 3: Mejora de la generación de biometano en la EDAR

Línea 3.2: Optimización del piloto de metanación biológica con hidrógeno renovable:

Los principales resultados a escala laboratorio (instal. en EnergyLab)

• • • La producción específica de metano (MFR) máxima alcanzada fue de: 1,18 m³ CH₄/m³d, valor similar al resultado de 1,49 m³ CH₄/m³·d obtenido en el ensayo de Burkhardt et al., 2016 con biogás como gas de entrada.
    • En 77 días ha sido posible obtener altos porcentajes de metano en la composición de salida (% máximo de CH₄ en el biometano en la salida: 96,33%).
    • La corrección del pH durante la experimentación ha favorecido la estabilidad del sistema. Valores de AGVs cercanos a 2500 mg/l perjudican la metanación.
    • A pesar de haber vuelto a inocular el sistema se aprecia que la biopelícula formado en los carriers no es muy denso, con lo cual quedan zonas en las que no se forma biopelícula, disminuyendo así el potencial de producción de metano.
    • Aunque se han obtenido mejores resultados que los obtenidos al emplear H₂/CO₂ se hace necesario seguir optimizando las condiciones de operación para aumentar la producción de biometano.
    • La estabilidad del sistema se ve favorecida al trabajar con biogás posiblemente debido al aumento de caudal que facilita la tarea de ajuste de caudales y ratios de las mezclas de entrada a escala laboratorio.

Los principales resultados a escala piloto (instalaciones en Bens):

• • • El reactor a escala piloto es más robusto que el sistema del laboratorio y permite alcanzar porcentajes de salida de metano superiores al 95% mantenidos en el tiempo.
    • La producción específica alcanzada hasta el momento es de 1,66 m³ CH₄/m³ reactor·d, mayor que a escala laboratorio con biogás como fuente de CO₂.
    • Las principales perturbaciones ocurren por cortes eléctricos en la EDAR, la falta de H₂ en la corriente de alimentación y dificultades técnicas de los equipos.
    • Cuando las paradas son cortas (1 – 2 días), el sistema puede ponerse en marcha fácilmente introduciendo un caudal de entrada similar al que se estaba tratando y el sistema se reactiva.
    • Cuando las paradas son más largas (superiores a 5 días), dada la naturaleza biológica del sistema, se debe ir introduciendo el caudal de manera paulatina para ir adaptando de nuevo la población de arqueas y volver al caudal previo.
    • Es preciso disponer de una fuente continua de H₂ para poder introducir un caudal superior de manera constante y poder determinar los límites de operación del sistema tanto a la presión de 1 bar, como a 5 bares.

Línea 4: Obtención de Syngas a partir de lodos de la EDAR

La línea 4 de la unidad mixta consolidada está enfocada a la generación de un nuevo gas renovable, syngas o gas de síntesis, a través de la gasificación de los lodos generados en la EDAR de Bens, dividiéndose en varias sublíneas, todas ellas llevadas a cabo a escala piloto en el laboratorio. A continuación, se muestran los principales resultados obtenidos hasta el momento en cada una de ellas.

Línea 4.1: Diseño piloto de gasificación y selección de condiciones de operación: Hasta el momento se ha elaborado el Pliego de Condiciones (“Servicio de ingeniería y montaje de un piloto de gasificación”) necesario para llevar a cabo el procedimiento abierto simplificado mediante el cual se ha seleccionado y adjudicado la empresa encargada de llevar a cabo la ingeniería y el montaje del piloto que será empleado en el proyecto. La instalación en la que se llevarán a cabo los ensayos consiste en una planta piloto de gasificación con un gasificador de lecho fluidizado burbujeante que será operado a presión atmosférica. La planta estará formada por el reactor principal y por las zonas de alimentación del combustible, alimentación del agente gasificante, alimentación de material del lecho, zona de descarga de cenizas y zona de tratamiento y ajuste de la composición del gas, además de otros sistemas auxiliares.

A continuación, y con objeto de determinar las características necesarias con las que debería contar la planta piloto de valorización termoquímica a la hora de ampliar el espectro de tratamiento de lodos, en primer lugar, se han caracterizado fisicoquímicamente (análisis inmediato) lodos de EDAR urbanas situadas en la provincia de A Coruña, donde está situada la EDAR de Bens, con objeto de comparar las características obtenidas con el biocombustible de partida. En segundo lugar, éste se ha caracterizado en mayor profundidad.  A parte de su análisis inmediato, se ha determinado su análisis elemental y su poder calorífico con objeto de conocer su potencial como combustible en procesos de valorización termoquímica. Previo a la caracterización se ha estimado de un modo teórico el potencial de recurso presente en A Coruña.

De este modo se ha determinado que en Galicia existen 159 plantas de tratamiento de aguas urbanas que abarcan un tamaño de desde 2.000 hasta 800.000 habitantes equivalentes (hab-eq), estando la mayoría de ellas por debajo de los 50.000. El potencial de lodos que podrían ser gasificados para la obtención de energía en la provincia de A Coruña sería por tanto de 136.727 toneladas al año. Esto nos da idea de la cantidad de residuos que podrían ser gestionados de un modo eficiente pasando a recursos.

Se han muestreado un total de 28 lodos de depuración diferentes. En la figura a continuación se pueden observar algunos de ellos. Todos los fangos muestreados presentaban un aspecto similar:

A continuación, se muestran los lodos generados en la EDAR de Bens tal y como fueron recogidos en la depuradora:

Se ha observado que el contenido en humedad y cenizas de los lodos estudiados no difiere en gran medida (valores en torno a un 76-86% de humedad y de entre 20-35% en el caso de las cenizas). Los resultados obtenidos tanto de la caracterización del lodo de la EDAR de Bens como de su comparativa con los fangos de las otras EDAR estudiadas permiten concluir que:

• • Debido al elevado contenido en humedad de los lodos de depuradora, será necesaria una etapa previa de secado para evitar la pérdida de material combustible y facilitar su manejo, transporte y alimentación a la planta de obtención de energía. Esta etapa de secado sería conveniente realizarla en el lugar de producción del residuo para minimizar los costes asociados a su transporte.
  • El elevado contenido en cenizas de las muestras analizadas indica la más que probable necesidad de instalar un sistema de eliminación en continuo de las mismas durante el proceso de gasificación. Será asimismo muy importante estudiar el riesgo de sinterización por fusión de las cenizas de este material en atmósfera oxidante.
  • El contenido en nitrógeno de los lodos de Bens (5,7%) indica que habrá que prestar especial atención a la emisión de gases contaminantes y contar con un sistema de limpieza de gases adecuado.
  • El poder calorífico inferior en base seca de los lodos de Bens (13,9 MJ/kg) es aceptable y menos de un 25% inferior al valor obtenido con un material de referencia (pellets de pino) lo cual nos da una idea de su potencial como biocombustible.

Una vez se tienen en cuenta estos factores y, sabiendo que la planta diseñada cuenta con un sistema de limpieza de gases adecuado al residuo de partida, el uso de unos u otros lodos simplemente hará que varíe el tiempo de secado previo de las muestras o que se incremente/disminuya la periodicidad de retirado de las cenizas producidas en el proceso, lo cual hace extrapolable el uso de la planta piloto de gasificación aquí empleada para cualquiera de las EDAR estudiadas.

Líneas 4.2, 4.3 y 4.4: Plan de experimentación: Asimismo hasta el momento se ha determinado el plan de experimentación que será llevado a cabo en las diferentes líneas de la línea 4: línea 4.2: Optimización del funcionamiento del reactor de gasificación, encaminada a optimizar el funcionamiento del proceso de gasificación; línea 4.3: Ruta para incremento de CH₄, donde se integrará el sistema piloto de gasificación con el sistema de metanación biológica desarrollado en la anterior Unidad Mixta de Gas Renovable y línea 4.3: Ruta para incremento de H₂, en la que se optimizará el piloto de gasificación en términos de producción de hidrógeno.

Línea 5: Generación biológica de hidrógeno

Se está desarrollando el piloto de generación biológica de hidrógeno.

Línea 6: Estudio del uso de los diferentes gases renovables y sus mezclas

Permeabilidad de Hidrógeno: Se obtiene un banco de medición de permeabilidad de gases a través de tubos de diferentes materiales. Se tendrán en cuenta las siguientes variables:

• Gases de interés: H₂ puro, diferentes proporciones de (H₂/CH₄) y CH₄ Las proporciones propuestas a estudiar son: 20%H₂ – 80%CH₄ y 50%H₂ – 50%CH₄ (% expresado en v/v).
• Variabilidad de la Temperatura ambiental (5 – 40ºC): Este es el rango de temperatura de interés seleccionado por las condiciones climáticas más estándares.
• Variabilidad de la Presión (1 -16 bar): Se selecciona este rango de presión ya que en las estaciones de regulación y medida se reduce la presión hasta 16 bar y se efectúa la medición del gas entregado a la red de distribución
• Material de la tubería: plástico o metálico: hoy existen diferentes materiales de las tuberías capaces de transportar metano. Pueden existir a su vez fallas o deterioro de las tuberías, tubos con defectos (no roturas) y tubos con corrosión externa o tubos sometidos a envejecimiento.

El sistema necesario se dimensiona:

Además de los gases de interés a medir, H₂, CH₄ y mezclas de estos, se dispone de N₂ como gas patrón. En cuanto a los instrumentos y accesorios necesarios se tienen dispone de válvulas, medidores de presión, temperatura y medidores de concentración de H₂ y CH₄. Otra tarea desarrollada en esta línea, ha sido que se ha logrado reducir las emisiones de CO₂ de forma considerable gracias a la adición de hasta un 40% de hidrógeno en el combustible de un motor diésel convencional, y se ha comprobado el potencial de reducción de emisiones de un motor gasolina mediante mezcla 60% metano – 40% hidrógeno, usando sistemas de simulación avanzada. En todo caso se ha logrado mantener la potencia original del motor.