Bioenergia de residus i subproductes orgànics biodegradables. Coenercat, Congrés d'Energia de Catalunya

1. Bioenergia de residus i subproductes
orgànics biodegradables
Xavier Flotats

2. Índex
Processos i productes
La digestió anaeròbia i producció de
biogàs
Potencials energètics genèrics
Avantatges
Les tecnologies
Els recursos a Catalunya
Costos de producció
Models de gestió. Biorefineries?
Preguntes
Innovacions?
Potencials?
Acceptació per la població?
A qui beneficia i perjudica?
Obstacles?

3. Processos i productes
Procés
Productes
Ús energètic
Matèria primera
Digestió
anaeròbia
(DA)
Biogàs:
CH4 (55-70%),
CO2 (30-45%),
traces de H2S
Calor
Electricitat
Carburant
DA +
depuració
biogàs
Biometà (CH4)
Injecció xarxa gas nat.
Carburant
Residus i subproductes orgànics
biodegradables
(dejeccions ramaderes, fracció
orgànica de residus municipals,
fangs residuals, res. orgànics
industrials, cultius energètics,
aigües residuals alta càrrega)
- Bio fotolisis
- Fermentació
fosca
Biohidrogen (H2) Carburant
Producció de CH4
Aigua-algues
Sucres
Producte intermedi de la DA
Transesterificació
Biodiesel
Carburant
Olis, greixos, cultius oleaginoses
Fermentació
alcohòlica
Bioetanol
Carburant
Sucres, materials cel·lulòsics,
ligno-cel·lulòsics

4. Fases de la digestió anaeròbia
1 kg de DQO biodegradable es transforma en 0,35 Nm3 de CH4
Innovacions:
Pretractaments per millorar la desintegració i hidròlisi;
Nous reactors i operacions per evitar inhibició per lípids i AGCL;
Nous desenvolupaments per evitar inhibició per NH3

5. Potencials de producció de biogàs
Sòlids
Volàtils
(%)
Producció de
biogàs (m3/tona)
Residus escorxador
(Intestins+continguts)
15-20
50-70
Fangs de flotació
13-18
90-130
Terres filtrants d’olis, amb bentonita
40-45
350-450
Olis de peix
80-85
350-600
7-10
40-55
Xerigot concentrat
18-22
100-130
Farines de carn
70-75
300-350
Melmelades
50
300
Oli soja/margarines
90
800-1000
Residus de begudes alcohòliques
40
240
Fangs de depuradores
3-4
17-22
20-40
100-250
2-6
10-20
7-10
20-30
Tipus
Xerigot
Fracció orgànica de residus municipals
Purins de porc
Fems de bestiar boví
Ensitjat de Blat de moro
130 – 220 m3/tona

6. Avantatges del procés
Eliminació/reducció de males
olors
Eliminació de llavors de
males herbes i larves i ous
d’insectes
Reducció de la mida de
partícula i viscositat. Major
infiltració en aplicació al sòl i
reducció emissions de NH3
Estabilització de la matèria
orgànica (MO). Reducció
significativa de la MO
fàcilment biodegradable
Reducció significativa
d’emissions de gasos
d’efecte hivernacle
La DA facilita l’operació de
processos de recuperació de
nutrients
Producció d’energia
renovable
Poeschl et al. (2010). Renewable and Sustainable
Energy Reviews 14: 1782–1797
Producció de sulfat amònic per stripping/absorció
De purins frescos
De purins digerits
Bonmatí i Flotats (2003). Waste Management 23, 261-272.

7. L’efecte sobre els gasos d’efecte hivernacle.
Exemple: Potencial de producció de CH4 de purins
Potencial de producción máxima, condiciones normales
Potencial máximo si pre-tratamiento térmico 80ºC, 3h
600
Amb 3,4% SV:
557,5
L metano/kg SV
500
18,1 m3 biogàs/m3
400
29,1 m3 biogàs/m3
347,5
300
5,0 m3 biogàs/m3
200
3,5 m3 biogàs/m3
96,1
100
67,7
0
purines frescos
purines envejecidos bajo slat
La reducció del potencial de producció de biogàs després d’uns mesos de
magatzem és degut a emissió natural de CH4 a l’atmosfera (efecte hivernacle 25
vegades superior al CO2). També és així durant el magatzem de molts altres
subproductes orgànics.
També hi ha emissions d’amoníac a l’atmosfera i d’altres compostos volàtils.
La gran innovació és no perdre aquest potencial, d’energia i de nitrogen, amb
avantatges sanitaris i de producció animal. Canvis en el disseny de granges.
Font: Bonmatí, A., Flotats, X., Mateu. L., Campos, E. (2001). Water Science and Technology, 44(4), 109-116.

8. La importància de la recuperació de nutrients
Fertilitzants nitrogenats. Producció mitjançant
Haberel procés Haber-Bosch:
N2 + H2 2NH3
4040-45 MJ/kg NH3
Làmpada de 60W @ 208 h
Cost dels fertilitzants nitrogenats molt lligat al cost de
l’energia
Fòsfor: Reserves mundials limitades,
i molt localitzades (¿problema geoestratègic en futur proper?)
http://ing.dk/artikel/89792-overset-fosfor-mangel-truer-fremtidensfoedevareproduktion

9. Les tecnologies de digestió anaeròbia
Mescla completa
Biomassa retinguda
Reactor contacto
Biogás
Biogás
Efluente
Biogás
Efluente
Desgasificador
Afluente
Capacitat
relativa: 1
Llit expandit
Relleno
Efluente
Biogás
Decantador
Efluente
Afluente
Capacitat
relativa: 5
Flux pistó
Capacitat
relativa: 10
Lecho expandido
Afluente
Biogás
Afluente
Biogás
Efluente
UASB
Afluente
Lecho de
lodos
Efluente
Afluente
Capacitat
relativa: 2-3
Càrregues fins 3,5
kg DQO/m3·día
Capacitat
relativa: 75
Capacitat
relativa: 25
Càrregues fins 15-40
kg DQO/m3·día

10. Instal·lacions de producció de biogàs

11. Biogas a Europa
Distribució de la
producció estimada
d’energia primària
de biogàs (ktep) a
Europa el 2011, per
a les tres fonts:
dipòsits, fangs i
altres (residus,
codigestió, cultius)
Alemanya lidera
també la pràctica
d’injecció de
biometà a la xarxa
de gas natural, amb
130 instal·lacions,
amb una capacitat
de 70.000 Nm3/h
(equivalent a 154
GWhe)

12. Els recursos i potencial a Catalunya
Estudis sobre prospectiva de la producció de biogàs a Catalunya.
Estimació del potencial energètic dels recursos i de la seva realització (ktep)
en l’horitzó de l’any que s’indica.
Referència
Àmbit d’estudi
Disponible
Accessible
Disponible
Residus
municipals
Accessible
Disponible
Fangs de
depuració
Accessible
Disponible
Residus
orgànics Ind.
Accessible
Potencial disponible
Potencial accessible
Horitzó de realització (any)
Dejeccions
ramaderes
Flotats i
Casañé (2001)
Catalunya
DGE-GC
361,9
141,8
94,5
68,2
26,2
20,7
17,2
499,7
230,7
2010
Flotats
(2007)
Espanya
IDAE
263,5
197,6
190,2
154,0
34,9
26,2
43,7
43,7
532,3
421,5
2030
Pascual et
al. (2011)
Espanya
IDAE
243,1
201,8
270,0
42,0
34,9
26,2
50,4
28,3
598,4
298,3
2020
Vilamajó i
Flotats (2011)
Catalunya
PFC-UPC
118,1
24,6
-

13. Producció de biogàs (ktep/any)
L’evolució de la producció a
Catalunya
50
40
30
20
Font:
ICAEN (2013)
10
0
1990
1995
2000
2005
2010
Any

14. Els recursos i potencial a Catalunya
Potencial prod. energia
(TEP/any) per dig. ana.
Total
< 5000
5000 - 10000
10001 - 15000
15001 - 20000
20001 - 25000
> 25000
Potencial prod. energia
(TEP/any)
per dig. ana. Total
0
1 - 1000
1001 - 2000
2001 - 3000
3001 - 4000
4001 - 5000
> 5000
Distribució comarcal i municipal del potencial estimat de
producció de biogàs a Catalunya (Flotats i Casañé, 2001)

15. Revisió per residus
industrials orgànics (2011)
Potencial disponible
Catalunya:118.069 tep/any
33,2% d’incertesa
Potencial accessible
Catalunya:24.600 tep/any
32,4% d’incertesa
Amb els residus industrials orgànics accessibles i el seus potencials energètics,
tan sols el 10% dels purins de porc poden codigerir-se en condicions rendibles
segons el RD 661/2007. Després d’aquest RD, molt menys.
CAL ANAR ALS CULTIUS ENERGÈTICS?
Vilamajó, C., Flotats, X. (2011). Avaluació energètica de residus industrials biodegradables a Catalunya. TECA
(Revista de Tecnologia i Ciència dels Aliments), 13(2), 3-10. DOI: http://dx.doi.org/10.2436/20.2005.01.53.

16. Inversió en plantes de biogàs.
Economia d’escala
Font: Flotats i Sarquella (2008).
Producció de biogàs per codigestió
anaeròbia (www.icaen.net)
12000
Inversió (€/kWe)
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Potència elèctrica (kW)
Amb el RD 661/2007: rendibilitat
econòmica si produccions > 30-35 m3
biogàs/tona.
A preus de mercat: rendibilitat
econòmica si produccions > 50 m3
biogàs/tona
Alternativa: plantes centralitzades? ...
Però augment dels costos de gestió i de
rebuig de la població?
Variació de la inversió a Alemanya:
el efecte de la demanda?
Font:

17. La mida òptima d’una planta centralitzada
depèn de factors locals
€/ton
Planta centralitzada
Costos totals de
gestió i tractament
Cost mig de
transport
Costos operacionals
i financers
Tones/any
Baixa densitat i intensitat de granges i productors de subproductes
orgànics en una zona geogràfica (cal recòrrer llargues distàncies )
•
Cost de transport puja
mida òptima de planta baixa
Alta densitat i intensitat de granges i altres productors a la zona
•
Cost de transport baixa
mida òptima puja
(però dificultats de localització de la planta – necessari posicionament de la administració)
Subvencions i “feed-in-tariff “ per la producció de biogàs
nets d’operació baixen
mida òptima de la planta baixa
costos

18. Planifiquem o improvisem?
14 anys després, hi ha 6 plantes centralitzades de tractament de
purins amb cogeneració prop del final de la seva vida útil, i sense
alternativa planificada. El Pla d’Energia de Catalunya de 2001
contemplava la necessitat que totes incorporessin la producció de
biogàs; 3 de 6 ho fan.

19. Plantes centralitzades:
Plantes de biogàs o biorefineries?
Els residus i subproductes orgànics són molt més que un recurs
energètic
Són font de nutrients (N, P, K) i micro-nutrients
Són matèria primera per la producció de nous productes (creixement
de microorganismes, producció de biopolímers, ….)
Una planta de tractament de residus i subproductes ha de fer més
que tractar:
•
•
•
Ha de processar per obtenir productes de qualitat amb valor en el mercat
Ha de produir energia en la forma per adequada (injecció a la xarxa de gas natural, per ser
consumida allí on sigui més eficient)
Ha de donar servei a la àrea geogràfica d’influència i al país
Hem de canviar de nomenclatura. Canviar tona de residu tractat per:
•
•
•
•
Tona de petroli substituït
Tona de fertilitzant mineral estalviat
Tona de CO2 emesa evitada
.....
Implica un canvi en la visió del negoci de la gestió de residus
No aprofitar el seu potencial perjudica a tothom

20. Cap on anem?
Cap a on hauríem d’anar?
El Parlament Europeu exhorta als països membres a incrementar el
suport a les plantes de biogàs i a la Comissió Europea a preparar
una Directiva al respecte.
Exhorta a modificar la legislació per superar barreres actuals.
Indica que tan sols amb dejeccions ramaderes a Europa ja es
podrien obtenir 19,8 Mtep
Desitja que el biogàs pugui cobrir el 20% de l’oferta d’energia
renovable a l’any 2020

21. ràcies per la seva atenció