Enriquecimiento de biogás sta
TRATAMIENTO Y ENRIQUECIMIENTO DEL BIOGÁS MEDIANTE
SISTEMAS TERMO-MECÁNICOS Sílvia Nadal- Mayo 2014
C/Còrsega, 112, 08029-Barcelona [email protected]/www.sta-at.com
ENRIQUECIMIENTO DE BIOGAS HASTA CALIDAD GAS NATURAL MEDIANTE SISTEMAS TERMO MECÁNICOS
(Sistema GPP® y GPP® Plus)
INDICE
Objetivos del enriquecimiento de biogas hasta calidad Gas Natural
Descripción de la tecnología de enriquecimiento de biogas hasta calidad Gas
Natural GPP®Plus de GTS.
Viabilidad técnica y madurez tecnológica del sistema de enriquecimiento GPP®Plus
Viabilidad económica de la tecnología de enriquecimiento GPP®Plus
Enriquecimiento de biogás sta
Enriquecimiento de biogás (Sistema GPP®)
Enriquecimiento de biogás sta
GPP®: Producción de Biometano en estado gas CBG
Estación de llenado de depósitos
Enriquecimiento de biogás sta
Biogas: CH4+CO2
Biometano: CH4 > 95% a 25barg
Biometano: CH4 a 220 barg
CO2: líquido, >99,5%
Opción 1: Inyección en red
Opción 2: Combustible vehículos OTTO- de gas
Compresor
Sistema de enriquecimiento GPP®
GPP® Plus: Producción de Biometano en estado líquido
Enriquecimiento de biogás sta
Biogas: CH4+CO2
Biometano líquido LBG: CH4 > 95%
Almacenamiento LBG -135ºC@8barg
Transporte LBG
Biometano: CH4 a 220 barg
Consumo energético: 0,01€/Nm3LBG
CO2: líquido, >99,5%
Estación de llenado de depósitos
Evaporador
LBG Uso industrial
Biometano líquido LBG
Enriquecimiento de biogás sta
LBG y CBG para vehículos
Enriquecimiento de biogás sta
DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE ENRIQUECIMIENTO
GPP Y GPP PLUS DE GTS
Limitaciones de la composición de biogas a la entrada de los sistemas de enriquecimiento H2S<100ppm
Los sistemas de enriquecimiento no tienen capacidad de eliminar el H2S y generalmente tan solo instalan filtros de carbón o filtros catalíticos como afino. Si las concentraciones de H2S son superiors a los 100ppm, el coste de desulfuración con estas tecnologías resulta demasiado elevado y es más adecuado desulfurar el biogas antes de entrar en la planta de enriquecimiento con otras tecnologías como el THIOPAQ
Siloxanos- No hay límite pues condensan a temperaturas superiores a -25ºC Si la concentración de O2 o Nitrógeno son superiores al 2-3% es más complicado
alcanzar que la concentración de CH4 en el biometano sea>95%
Caudales de operación Unidades modulares desde 120m3/h hasta 480Nm3/h Generalmente económicamente viable a partir de los 150-200Nm3/h
Enriquecimiento de biogás (Sistema GPP®)
Enriquecimiento de biogás sta
Enriquecimiento de biogás (Sistema GPP®)
1) Es un proceso de enriquecimiento del biogas hasta gas natural que incluye una primera etapa de secado con un filtro GTP.
2) Compresión hasta 26barg 3) Un proceso de enfriamiento hasta -25ºC en un sistema TCR para elimina siloxanos. 4) Un afino para eliminación de siloxanos residuales y H2S con un catalizador SOXSIA®
5) Finalmente la criocondensación del CO2 mediante refrigerante R-404A/R23.
GTP TCR Soxia Criocondensación
Enriquecimiento de biogás sta
Enfriamiento en dos etapas. La primera hasta -50ºC que permite separar un 30% del CO2 presente en estado líquido, y el CO2 restante, en forma sólida, se separa enfriando el gas hasta -90 o -99ºC mediante refrigerante R-404A/R23.
Concentración de CH4 en el gas final: superior al 95-99% según el caso.
Enriquecimiento de biogás (Sistema GPP®)
Enriquecimiento de biogás sta
GPP Plus® es un GPP ® + una etapa de postenfriamiento por compresión hasta 48barg y posterior expansión a -130ºC, ello supone un consumo energético adicional respecto al GPP de 0,13kWhe/Nm3 a tratar (2,2% del PCI del biogas)
Enriquecimiento de biogás sta
Análisis del LBG producido en el GPP plus de Schoterog
Enriquecimiento de biogás sta
Calidad LBG
No necesita productos químicos No genera residuos (tan solo el condensado de la humedad) No genera problemas de olores ni de ruidos Sistema compacto Sistema seguro. Dispone de los siguientes elementos
Analizador biogas entrada CH4, CO2, O2 y H2S Analizador Biometano producido CH4, CO2, O2 y H2S Caudalímetro del biogas de entrada Elementos de seguridad:
Detector LEL en el interior del contenedor Detector CH4 en el interior del contenedor
Sistema totalmente automatizado Al operar a temperaturas tan bajas y tan elevadas (-90 a +90ºC) tanto el gas metano
como el CO2 están intrínsecamente higienizados
Ventajas del sistema de enriquecimiento de biogás (GPP® y GPP® Plus) frente a otras tecnologías de enriquecimiento
Enriquecimiento de biogás sta
El CO2 que se separa es de gran calidad >al 99,5%
El CO2 se recupera en fase líquida apto para su posterior transporte y comercialización
El GPP suministra el biometano enriquecido a 25barg (necesita menos compresión que otros sistemas de enriquecimiento)
La licuefacción del biometano en el GPP Plus es mucho más rentable que si se realiza a partir de un biometano a Presión y Temperatura ambiente
Disponibilidad operativa muy elevada > 95%
El consumo energético del GPP Plus es de: 0,31 a 0,39kW/Nm3 Raw biogas según si se utiliza o no la capacidad de
refrigeración del CO2 y con una concentración de metano del 60% (equivale a un 3-6% del PCS del biogas)
0,42 a 0,5kW/Nm3 Raw biogas según si se utiliza o no la capacidad de refrigeración del CO2 y con una concentración de metano del 60% (equivalente a un 7-10% del PCS del biogas)
Ventajas del sistema de enriquecimiento de biogás (GPP® y GPP® Plus)
Enriquecimiento de biogás sta
Utilización del CO2
Refrigeración para camiones Invernaderos
Nieve carbónica Extintor
Enriquecimiento de biogás sta
Extracción supercrítica
Otros usos: control pH,…
Enriquecimiento de biogás sta
Componente Unidad UNE-EN-
437(1)
Resolución de 22-09- 2011
Fuentes No Conv
SS15 54 38 (2)
GPP+ Tipo A(3) Tipo B(4)
Índice Wobbe MJ/Nm3 45,7-54,7 48,2-57,8 44,7 -46,4 43,9-47,3 45
Poder calorífico superior MJ/Nm3 35,4-42,4 36,9-47,7 - - 38,59
Metano %vol 79-97 >95 97 ±1 97 ±2 97%
Etano %vol 0,1-11,4 - - - -
Hidrocarburos superiores (Propano, butano, pentano, hexano)
%vol 0,12-5,0 Punto de rocío
5ºC a 1-70 bar(a)
- - -
Nitrógeno (N2) %vol 0,5-6,5 ´- 0,3
Monóxido de carbono (CO) %vol - <2 -
(1)Características del gas natural subministrado en España-
(2) Especificaciones Norma Sueca
(3) Tipo A: motores que no van equipados con el control por sonda Lambda (mezclas pobres)
(4) Tipo B: motores equipados con sonda Lambda (tecnologías de combustión estequiométrica)
GPP®plus2T-system Sundsvall Suecia 120Nm3/h biogas Producción LBG=50kg/h, (se transporta y vende a una gasolinera situada a 10km)
Enriquecimiento de biogás sta
GPP®plus4T-system Louden Suecia- 400Nm3/h biogas Producción LBG = 147kg/h Densidad LBG= 373kg/m3@8barg y -128ºC Depósito LBG = 55m3 (6 días de capacidad)
Producción CO2= 381kg/h Depósito CO2 = 25m3 (3 días de capacidad)
Enriquecimiento de biogás sta
GPP®plus4T-system Amsterdam- Holanda Caudal de biogas: 280 Nm3/h biogas Orígen del biogas: del vertedero Schoteroog+ EDAR Haarlem Concentración de metano biogas: de 45 a 65% vol Producción LBG = 122kg/h
Enriquecimiento de biogás sta
Enriquecimiento de biogás sta
VIABILIDAD TÉCNICA Y MADUREZ DE LA TECNOLOGIA
DE ENRIQUECIMIENTO GPP Y GPP PLUS DE GTS
Solución de futuro del biogas: En la coyuntura económica actual, sin primas, la cogeneración y el enriquecimiento
para inyectar en red No son rentables en nuestro pais. Una solución viable técnica y económicamente es el enriquecimiento del
biogas hasta calidad Gas Natural, su licuefacción para facilitar su transporte y su posterior venta para uso en transporte
Beneficios del uso de gas natural en transporte:
Reducción de hasta un 85% las emisiones de óxidos de nitrógeno y de partículas en suspensión respecto a los motores diesel
Reducción de hasta el 20% de las emisiones de CO2 respecto a los combustibles habituales gasolina y gasoil
Uso del Biometano equiparable al Gas Natural en transporte SOLUCIÓN DE FUTURO: La Directiva 20-20-20: 20% Renovables, -20% GEI, 20% Eficiencia energética
Viabilidad enriquecimiento de biogas hasta calidad Gas Natural
Enriquecimiento de biogás sta
10% de renovables en el transporte!!
Corredor azul- En toda Europa y antes del 2020:
Distancia máxima entre estaciones para CNG= 150km Distancia máxima entre estaciones LNG=400km
Equivalencia de autonomía
Viabilidad enriquecimiento de biogas hasta calidad Gas Natural
Enriquecimiento de biogás sta
gasoil LBG a -162ºC
CBG comprimido
a 200bar
Metano a P y Tª ambiente
Biogas 60% metano a P y Tª ambiente
1L 1,8L 5L 1000L 1.667L
Enriquecimiento de biogás sta
LBG
Venta LBG a 650€/t
ALMACENAJE EN CISTERNAS
CO2 (LIQ)
RAW BIOGAS (SIN O2 y N2)
TRANSPORTE EN CISTERNAS A 100 km- INDUSTRIAL
Venta CO2 (LIQ) a 80€/t
Sistema enriquecimiento GPP Plus-
Caso: Biogas Digestor
Recirculación CO2 para enfriamiento
Concepto Biogás inicial LBG CO2 Purga
Caudal Biogás (Nm3/h) 480 284 195
Caudal (kg/h) 592 208 383 1
Concentración metano (%) 58% >95% 0,1% 0,00%
Concentración CO2 (%) 41 % 0,7% 99,5% 0,00%
Concentración N2 (%) 0,8% 1,3% 0,0% 0,00%
Concentración Oxígeno (%) 0,2% 0,3% 0,10% 0,00%
Temperatura (ºC) 40 -160 -50
Presión 3,5mbar 8 barg 15barg
kWht 1670 1665 5
Caso Biogas digestión restos animales-Oct 2013
sta
Equipo GPP® Plus
Caudal (Nm3/h) Max 500
Potencia instalada Soplante hasta 780 mbarg= 16kWe Compresor HP(48 barg en 4 pasos)=109kWe
Catalizador Soxsia (Baja y alta) 2 Recipiente de 850 kg
Depósito LBG 25m3 (autonomía de 3,6 días)
Depósito CO2 28 toneladas (autonomía de 3 días)
Costes operativos
Mantenimiento integral 0,06€/kg LBG producido
Coste SOXSIA 11€/kg
Consumo energético GPP® Plus (Enriquecimiento hasta LBG)
Con el uso del CO2 producido 0,42 kWe/Nm3 biogás a tratar
Sin el uso del CO2 producido 0,5 kWe/Nm3 biogás a tratar
Bases de cálculo
Coste transporte LBG ó CO2 2 €/km cuba de 22Tn
Electricidad 10,5 €ct/kWh (0 si se instala motor cogeneración)
Venta CO2 80€/t (precio mercado 120 a 130€/ton) Venta LBG a GTS 650€/t Horas funcionamiento 8640 (24 x 360) h/año
Sistemas enriquecimiento
sta
Caso Biogas digestión restos animales- Oct 2013
Sistemas enriquecimiento
sta
Caso Biogas digestión restos animales- Marzo 2014
Cálculo retorno inversión sistema enriquecimiento
ENRIQUECIMIENTO
Sin aprovechamiento
calor
Con aprovechamiento
calor
INVERSIÓN TOTAL (€) 2.888.000 € 2.763.000 € Consumo eléctrico (kWh/Nm3) 0,7 0,5
Consumo eléctrico equipo (€/año) 304.819 € 217.728 € Coste mantenimiento equipo (€/año) 128.368 € 128.368 € Coste marginal personal (€/año) 24.000 € 24.000 € COSTE DE EXPLOTACIÓN TOTAL (€/año) 457.187€ 370.096€
Ingresos venta LBG (€/año) 1.167.492 € 1.167.492€
Ingresos venta CO2 (€/año)
264.816 € 264.816 € INGRESOS (€/año) 1.432.308 € 1.432.308 €
BENEFICIO NETO (€/año) 975.121 € 1.062.212 € Retorno inversión (años) 3,0 2,6
Enriquecimiento de biogás sta
Electricidad autoconsumo
LBG
Vent GAS- gas pobre con exceso N2 y O2
Recirculación CO2 para refrigeración
Venta LBG a 650€/t
MOTOR rend 30%
ALMACENAJE EN CISTERNA
CO2 (LIQ)
RAW BIOGAS (presencia O2 y N2)
TRANSPORTE EN CISTERNAS A 100 km- INDUSTRIAL
Venta CO2 (LIQ) a 80€/t
Sistema enriquecimiento GPP Plus- Biogas vertedero
Concepto Biogás inicial LBG CO2
Vent gas (Gas purga)
Caudal Biogás (Nm3/h) 480 162 252 66
Caudal (kg/h) 668 121 495 52
Concentración metano (%) 44,5% >95% 0,1% 87,5%
Concentración CO2 (%) 53 % <1,6% 99,5% 0%
Concentración N2 (%) 2% <1,6% 0,0% 10,6%
Concentración Oxígeno (%) 0,5% <0,6% 0,10% 1,8%
Temperatura (ºC) 40 -160 -50
Presión 3,5mbar 8 barg 15barg
kWht 2220 1619 1 600
Caso Biogas vertedero- Balance- Marzo 2014
sta
Equipo GPP® Plus
Caudal (Nm3/h) Max 500
Potencia instalada Soplante hasta 780mbar = 16,5kWe (GPP+) Compresor HP(48 barg en 4 pasos)=109kWe
Catalizador Soxsia (Baja y alta) 2 Recipiente de 850 kg
Depósito LBG 25m3 (autonomía de 4 días)
Depósito CO2 22 toneladas (autonomía de 2 días)
Costes operativos
Mantenimiento integral 0,06€/kg LBG producido
Coste SOXSIA 11€/kg
Consumo energético GPP® Plus (Enriquecimiento hasta LBG)
Sin recuperación calor y con venta CO2 0,7 kWe/Nm3 biogás a tratar
Bases de cálculo
Coste transporte LBG ó CO2 2 €/km cuba de 22Tn
Electricidad 0 (se instala motor cogeneración que funcionará con el gas pobre)
Venta CO2 80€/t Venta LBG 650€/t Horas funcionamiento 8640 (24 x 360) h/año
Sistemas enriquecimiento
sta
Caso Biogas vertedero- Marzo 2014
Sistemas enriquecimiento
sta
Caso Biogas Vertedero- Marzo 2014
Cálculo retorno inversión sistema enriquecimiento
ENRIQUECIMIENTO
Sin aprovechamiento calor
Coste invesrión GPP+7T 2.888.000 € Coste inversión motor cogeneración (para gas purga) 200.000 € INVERSIÓN TOTAL (€) 3.088.000 € Consumo eléctrico equipo (€/año) (0 el producido en el motor cogen. Resto a 10,5ct€/kWh) 143.375 € Coste mantenimiento equipo (€/año) 82.911 € Coste mantenimiento motor cogeneración (€/año) 30.751 € Coste marginal personal (€/año) 24.000 €
COSTE DE EXPLOTACIÓN TOTAL (€/año) 281.036€
Ingresos venta LBG (€/año) 663.155 € Ingresos venta CO2 (€/año) 342.323 € INGRESOS (€/año) 1.005.478 €
BENEFICIO NETO (€/año) 724.4421 € Retorno inversión (años) 4,3