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Abstract
El objetivo de este trabajo es llevar a cabo un análisis termoeconómico a una planta de tratamiento de purines sometida a digestión anaerobia con diferentes tipos de co-sustratos (co-digestión). En primer lugar, mediante el programa de cálculo EES (Engineering. Equation Solver), se ha llevado a cabo un análisis exergético de los flujos que forman parte de cada uno de los procesos de la planta objeto de estudio: flujos de purín, de valorización de fangos, energéticos y flujos de los distintos sustratos añadidos a la digestión para mejorar la eficacia de la planta. Tras una extensa búsqueda bibliográfica sobre el estado del arte de la co-digestión, se han estudiado tres tipos diferentes de sustratos: co-digestión con paja de trigo, con glicerina y con una mezcla de residuos industriales, de matadero y vegetales, además de analizarse también el caso en el que no se lleve a cabo ningún tipo de co-digestión. Una vez determinada la exergía contenida en cada uno de los casos analizados, se ha realizado una análisis termoeconómico con el objeto de determinar cuáles son los procesos de la planta que mayores costes exegéticos inducen en el resto de procesos, así como tratar de explicar las diferencias existentes que tienen lugar dentro de un mismo proceso en función del caso que este siendo analizado. Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis exergético comparativo, desde el punto de vista del transporte del purín hasta las tierras agrícolas, de dos situaciones diferentes: una en la que no se contempla la existencia de la planta de tratamiento de purines en la zona de Capella (Huesca), lo que conlleva transportar el purín desde las explotaciones ganaderas porcinas de la zona, hasta áreas alejadas para no sobrepasar el límite permitido de nutrientes en las tierras arables, y otra situación en la que sí se analiza la existencia de dicha planta. Pequerul Linares, Gemma Belén; Usón Gil, Sergio
Full text
Trabajo Fin de Máster Energías Renovables y Eficiencia Energética ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES CON DIGESTIÓN ANAEROBIA Y PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD Autora Gemma Pequerul Linares Director Sergio Usón Gil Escuela de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza 2013
Agradecimientos En primer lugar mis más sinceros agradecimientos a la persona que ha dirigido este proyecto, Sergio Usón, por la dedicación a la hora de solucionar problemas y resolver dudas, siempre ha estado cuando lo he necesitado. Muchas gracias. Asimismo, dedico muy especialmente el presente trabajo Fin de Máster a mi madre, Mª Carmen, por el esfuerzo que ha realizado a lo largo de su vida para ofrecerme todas las posibilidades de las que he disfrutado y sigo disfrutando, así como la educación y valores que me ha inculcado desde pequeña hasta convertirme en adulta, sin olvidar su apoyo a lo largo de todos los años de mi vida. Por supuesto, a una pieza vital en mi vida, a mi hermano, el cual siempre ha estado a mi lado desde que empecé este Máster y ha sabido inyectarme moral en mis peores momentos, ya que compaginar trabajo, viajes y estudios, en ocasiones, me ha resultado muy duro y he sentido ganas de abandonar. A Roberto, ya que sin él esta última etapa del Máster tampoco hubiera sido posible, ha sabido comprenderme y apoyarme, empujándome a dar el último esfuerzo para conseguir concluir este trabajo. Gracias. Finalmente, también quiero mostrar mi agradecimiento a varias de las personas que trabajan en Sarga, antiguamente Sodemasa, ya que en los momentos iniciales de este trabajo, cuando más perdida me encontraba, me mostraron su ayuda desinteresada. Gracias a ellos supe cómo y hacia donde orientar la búsqueda de información relativa a las plantas de tratamiento de purines.
ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES CON DIGESTIÓN ANAEROBIA Y PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD RESUMEN El objetivo de este trabajo es llevar a cabo un análisis termoeconómico a una planta de tratamiento de purines sometida a digestión anaerobia con diferentes tipos de cosustratos (co-digestión). La planta sobre la que versará dicho análisis es la proyectada en 2009 por Sarga, antiguamente Sodemasa, para el municipio de Capella (Huesca), la cual dispone de dos de los tratamientos más habituales para este tipo de plantas, como son el proceso de digestión anaerobia y el proceso de tratamiento biológico. En primer lugar, mediante el programa de cálculo EES (Engineering. Equation Solver), se ha llevado a cabo un análisis exergético de los flujos que forman parte de cada uno de los procesos de la planta objeto de estudio: flujos de purín, de valorización de fangos, energéticos y flujos de los distintos sustratos añadidos a la digestión para mejorar la eficacia de la planta. Tras una extensa búsqueda bibliográfica sobre el estado del arte de la co-digestión, se han estudiado tres tipos diferentes de sustratos: co-digestión con paja de trigo, con glicerina y con una mezcla de residuos industriales, de matadero y vegetales, además de analizarse también el caso en el que no se lleve a cabo ningún tipo de co-digestión. Una vez determinada la exergía contenida en cada uno de los casos analizados, se ha realizado una análisis termoeconómico con el objeto de determinar cuáles son los procesos de la planta que mayores costes exegéticos inducen en el resto de procesos, así como tratar de explicar las diferencias existentes que tienen lugar dentro de un mismo proceso en función del caso que este siendo analizado. Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis exergético comparativo, desde el punto de vista del transporte del purín hasta las tierras agrícolas, de dos situaciones diferentes: una en la que no se contempla la existencia de la planta de tratamiento de purines en la zona de Capella (Huesca), lo que conlleva transportar el purín desde las explotaciones ganaderas porcinas de la zona, hasta áreas alejadas para no sobrepasar el límite permitido de nutrientes en las tierras arables, y otra situación en la que sí se analiza la existencia de dicha planta.
ÍNCIDE 1.INTRODUCCIÓN. .................................................................................................... 1 2.PLANTAS DE TRATAMIENTO DE PURINES. ...................................................... 2 2.1.- Características de la planta de tratamiento de purines seleccionada...................2 2.2.- Co-digestión en las plantas de tratamiento de purines...........................................5 3.ANÁLISIS EXERGETICO DE LOS DISTINTOS FLUJOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES DE CAPELLA. .............................................................. 6 3.1.- Ambiente de referencia................................................................................................7 3.2.- Exergía de los flujos de purín......................................................................................8 3.2.- Exergía asociada a los flujos en procesos de valorización del purín concentrado. Biogás............................................................................................................12 3.3.- Exergía asociada a flujos de energía.......................................................................13 3.4.- Exergía asociada a los flujos de residuos en el proceso de tratamiento (Codigestión)...............................................................................................................................13 3.4.1.- Exergía asociada a los flujos de paja de trigo.................................................13 3.4.2.- Exergía asociada a los flujos de glicerina........................................................14 3.4.3.- Exergía asociada a los flujos de grasa.............................................................14 3.4.4.- Exergía asociada a los flujos de residuos de matadero................................14 3.5.- Resultados del análisis exergético...........................................................................14 4.ANÁLISIS TERMOECONOMICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES DE CAPELLA. ............................................................................................. 19 4.1. Estructura productiva...................................................................................................19 4.2.- Análisis de la asignación de costes de los residuos..............................................25 4.3. Análisis de resultados termoeconómicos..................................................................27 4.3.1.- Eficiencia exegética de los procesos................................................................27 4.3.2.- Coste exergético unitario....................................................................................28 4.3.3.- Descomposición de los costes exergéticos unitarios.....................................31 5.ANÁLISIS EXERGETICO DE SITUACIONES ALTERNATIVAS. ........................ 38 5.1.- Análisis exergético del transporte.............................................................................39 5.2.- Análisis de resultados.................................................................................................40 6.CONCLUSIONES. ................................................................................................. 41 6.1.- Síntesis.........................................................................................................................41 6.2.- Aportaciones................................................................................................................43 6.3.- Perspectivas.................................................................................................................43 7.NOMENCLATURA. ............................................................................................... 45 8.BIBLIOGRAFÍA. .................................................................................................... 47
ANEXOS ANEXO I. ANÁLISIS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE CAPELLA: DESCRIPCIÓN DETALLADA Y DATOS TÉCNICOS. ................................................ 53 1.1.- Descripción de los distintos procesos......................................................................53 1.1.1.- Recepción, descarga y almacenamiento de las materias primas................53 1.1.2.- Filtración inicial de parte de la fracción sólida.................................................54 1.1.3.- Decantación/Espesamiento 1º de fangos........................................................54 1.1.4.- Tratamiento biológico del líquido clarificado del purín...................................54 1.1.5.- Digestión anaerobia de los fangos espesados y generación de Biogás.....55 1.1.6.- Cogeneración.......................................................................................................57 1.2.- Análisis de los parámetros de diseño......................................................................58 1.3.- Consumos energéticos de la planta.........................................................................58 ANEXO II. ESTADO DEL ARTE DE LA CO-DIGESTIÓN ANAEROBIA DE RESIDUOS GANADEROS Y AGROINDUSTRIALES. ................................................ 60 2.1.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de la industria aceitera...........61 2.2.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de la industria hortofrutícola..62 2.3.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de naranja................................63 2.4.- Co-digestión de residuos ganaderos y cultivos energéticos................................64 2.5.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos animales...................................65 2.5.1.- Co-digestión con residuos ganaderos y residuos de matadero...................65 2.5.2.- Co-digestión con residuos ganaderos y residuos pesqueros.......................67 2.6.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de la industria láctea...............68 2.7.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de la fabricación de biodiesel.68 2.8.- Co-digestión de residuos ganaderos y otros residuos orgánicos........................70 2.9.- Conclusiones................................................................................................................71 2.10.- Casos de estudio......................................................................................................72 ANEXO III. CARACTERIZACIÓN DE LOS FLUJOS DE LOS DISTINTOS PROCESOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES OBJETO DE ESTUDIO. ..................................................................................................................... 73 3.1.- Análisis de los flujos de la planta de Capella sin co-digestión.............................76 3.1.1.- Flujos de purín......................................................................................................76 3.1.2.- Flujos asociados con los procesos de valorización de los fangos. Biogás.82 3.1.3.- Flujos energéticos................................................................................................82 3.2.- Análisis de los flujos de la planta de Capella con co-digestión............................84 3.2.1.- Co-digestión con paja de trigo...........................................................................86 3.2.2.- Co-digestión con glicerina..................................................................................88 3.2.3.- Co-digestión con mezcla de residuos...............................................................91
ANEXO IV. ANÁLISIS TERMOECONOMICO. ........................................................ 99 4.1.- Introducción..................................................................................................................99 4.2.- Análisis de la formación de costes...........................................................................99 4.2.1.- Revisión de los principales aspectos termoeconómicos...............................99 4.2.2.- Descomposición de costes en base a la irreversibilidad y al efecto de los residuos............................................................................................................................101 4.2.3.- Descomposición de costes en base al origen de los recursos...................102 4.3.- Resultados relativos a los costes exergéticos unitarios de los productos........103 ANEXO V. ANÁLISIS DE SITUACIONES ALTERNATIVAS. ............................... 116
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 1 1. INTRODUCCIÓN. La exergía se define como la máxima cantidad de trabajo que en su sistema puede realizar llevándolo hasta el estado de equilibrio con el medio que le rodea (estado de referencia externo) en una secuencia de procesos reversibles [1]. En definitiva es una propiedad termodinámica que indica la energía disponible, una medida de calidad de energía en los sistemas. Al contrario que ocurre durante las trasformaciones de masa o energía en las cuales amabas son conservadas, la exergía es destruida en forma de irreversibilidad. Así, el método exergético (o análisis exergético) es una técnica basada en la energía, y por tanto es una medida de la cantidad de trabajo o calidad de diferentes formas de energía en relación con un ambiente de referencia dado. El balance exergético aplicado a un proceso o plantas nos permite saber cuánta de la exergía empleada ha sido consumida por el proceso. Las pérdidas de exergía, denominada irreversibilidades, nos indican de manera cuantitativa las ineficiencias del proceso. Estos balances son fruto de la combinación de las dos Leyes principales de la Termodinámica: la Primera Ley nos dice que la energía ni se crea ni se destruye, mientras que por la Segunda Ley introduce el término de la entropía. La Termoeconomía puede definirse como una teoría general de ahorro de energía que conecta la física con la economía mediante la Segunda Ley de la Termodinámica [2], proporcionando métodos para: - Evaluar la cantidad y calidad de las perdidas energéticas. - Evaluar el coste de las perdidas en términos de consumo de recursos. - Aplicar a diferentes niveles de decisión sobre sistemas energéticos. Por otro lado, la Termoeconomía está empezando a jugar un papel importante en el análisis de parques eco-industriales expresando en las mismas unidades los flujos de materia y de energía, es decir, la posibilidad de la aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial o simbiosis industrial. La Ecología Industrial es un área multidisciplinar cuyo objetivo es organizar los sistemas industriales de una forma similar a los ecosistemas naturales, e implica una interacción entre industrias (flujos de materia, energía e información) y una relación sostenible con el medio ambiente y la sociedad. Un objetivo fundamental de esta relación entre industrias es el cierre de ciclos de materia, lo que implica la utilización de los residuos de una industria como materias primas para otras, tal y como ocurre en los ecosistemas naturales, permitiendo reducir tanto el consumo de recursos como la producción de residuos [3].
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 2 2. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE PURINES. El gran desarrollo de la industria agroalimentaria y la intensificación de las explotaciones ganaderas en los últimos años, han propiciado la producción de grandes cantidades de residuos orgánicos. Esto resulta un problema cuando se produce una excesiva concentración en determinadas áreas, superando la capacidad de asimilación de nutrientes del suelo o sobrepasando los límites establecidos por la Directiva 91/676/CEE relativa a la protección de las aguas contra la contaminación producida por nitratos. En este contexto, las tecnologías utilizadas para el tratamiento adecuado de los purines pueden ser de varios tipos: biológicas, físicas o físico-químicas, digestión anaerobia o evaporación a través de calor procedente de la cogeneración. Las más empleadas actualmente son los procesos de digestión anaerobia o los tratamientos físicos seguidos de un tratamiento biológico de nitrificación-desnitrificación [4]. Teniendo en cuenta las tecnologías más utilizadas hoy en día a la hora de gestionar las deyecciones porcinas, para llevar a cabo el análisis termoeconómico objeto de este trabajo, se ha seleccionado una planta que combina tratamiento biológico de nitrificación-desnitrificación con digestión anaerobia. Otro de aspecto que ha sido tenido en cuenta para la selección de la planta sobre la que versar el presente trabajo, ha sido la cantidad de información disponible de la misma. Por lo tanto, aplicando las distintas tecnologías a los purines de cerdo se puede conseguir el cierre de materia, es decir, el objetivo principal de la Ecología Industrial, al obtenerse por un lado, un gas con alto contenido en metano, y por otro lado, tanto abono orgánico que puede ser utilizado en los cultivos agrícolas como líquido depurado apto para fertirrigación. Además, estos productos finales de los purines de cerdo, obtenidos tras un adecuado tratamiento, son homogéneos en su composición, libre de olores y de alta calidad, eliminándose, además, un residuo de elevada problemática. 2.1.- Características de la planta de tratamiento de purines seleccionada. La planta sobre la que versarán todos los cálculos termoeconómicos objeto del presente trabajo es la planta de tratamiento de purín en Capella (Huesca) [5], la cual fue proyectada en 2009 por Sodemasa (a día de hoy Sarga) si bien, a fecha del presente trabajo, todavía no ha sido construida.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 3 En el anexo I se hace una explicación detallada de la planta seleccionada, tanto de los procesos como de los distintos flujos, así de los datos técnicos de funcionamiento de la misma. No obstante, a continuación se describe brevemente la planta, comenzando con los principales procesos o etapas de los que consta dicha planta, los cuales se son los siguientes: - 1. Desbaste. En este proceso se produce la primera separación entre la parte sólida y la parte líquida, siendo la parte sólida enviada al digestor para la producción de biogás. - 2. Decantación primaria. En este proceso la parte líquida proveniente del clarificado es sometida a una decantación para separar los sólidos que pudiera contener, siendo éstos enviados al digestor para la producción de biogás. - 3. Tratamiento biológico. En este proceso se reduce el nitrógeno amoniacal mediante dos etapas consecutivas: nitrificación y desnitrificación. - 4. Decantación secundaria. Al igual que en la decantación primaria, el flujo proveniente del tratamiento biológico es sometido a una nueva decantación para separar los sólidos que todavía pudiera contener, siendo éstos enviados al digestor para la producción de biogás. - 5. Digestor. A partir de la parte solida del purín, es decir, de los lodos, en este proceso se lleva a cabo una digestión anaerobia con el objetivo producir un gas con alto contenido en metano. Una estrategia que permite optimizar esta digestión anaerobia es la digestión conjunta (co-digestión) del purín con uno o más sustratos diferentes (co-sustratos), tal y como se verá más adelante. - 6. Pulmón/Centrifugadora. En este proceso se lleva a cabo la concentración del fango. La parte líquida (digerido líquido) se recirculará hacia el tratamiento biológico ya que contiene todavía un alto contenido de nitrógeno amoniacal. - 7. Cogeneración. En este proceso se trasforma el gas producido tras la digestión anaerobia tanto en energía eléctrica como en energía térmica, la cual será empleada para cubrir las necesidades de la propia planta. En cuanto a la energía eléctrica sobrante, ésta se venderá a la empresa distribuidora.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 10 La exergía de la materia inorgánica, tanto del agua pura como de las sales, vendrá definida como la exergía química de concentración: bch,c=R To Σi xi ln(ai/ao) (Ec.3) donde: o R, constante cuyo valor es 8,314 kJ/molK. o To, la temperatura para el ambiente de referencia (298,15K). o xi, representa la concentración molar de cada elemento de la mezcla. o ai, representa la actividad de la especie en la mezcla. o ao, representa la actividad de la especie en el ambiente de referencia. El cálculo de las actividades de las sales disueltas en el agua se debe llevar a cabo mediante las siguientes expresiones [23]: ai=γi mi (Ec.4) donde: o mi, representa la molalidad de cada sustancia. La molalidad (moles de soluto por cada kilogramo de agua) de cada especie disuelta en el agua, puede obtenerse a partir de la salinidad del agua [24]: mi=wi (Ec.5) Donde wi es la fracción másica del compuesto en la disolución, PMi es el peso molecular del compuesto i y C representa la salinidad. o γi, representa el coeficiente de activación. Este coeficiente puede obtenerse a partir de las siguientes expresiones: ln γi=√ √ (Ec.6) ∑ (Ec.7) Donde z es la valencia del ión, i es diámetro efectivo del ión, I es la fuerza iónica del electrolito y A y B dos constantes, cuyo valor para el agua a 25ºC es de 0,51kg1/2mol1/2 y 3,287 109 kg1/2m-1mol-1/2 respectivamente [23]. Al conocerse la salinidad para el ambiente de referencia definido en el presente trabajo (36.700 ppm), podría obtenerse la actividad de referencia para los iones cloro y sodio, sabiendo que su valencia es 1 y que el diámetros efectivo del ión es de 3 10-10 y 4,5 10-10m respectivamente (arCl=0,3845; arNa=0,4232). Por otro lado, en el caso del agua pura, en el cálculo de su actividad se puede considerar que el agua pura es un componente de la mezcla, por lo que aplicando la ecuación 8 y teniendo en cuenta que mtot representa la molalidad de los solutos (Na y Cl en nuestro caso), se obtiene un valor de 0,9778. arH2O= 1-0,017mtot (Ec.8)
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 11 En el presente trabajo, al desconocerse la salinidad del agua presente en los purines de la planta de Capella (Huesca), no podrá calcularse la actividad en la mezcla ni, por lo tanto, la exergía de concentración de la materia inorgánica. Así pues, ante la imposibilidad de conseguir tal información, se considerará un valor para la exergía de concentración de la materia inorgánica junto con el agua de 2,5 kJ/kg purín, valor promedio obtenido en el estudio de las aguas de una potabilizadora y dos depuradoras de Zaragoza [22]. La exergía de la materia orgánica presente en el purín se calculará utilizando el estudio llevado a cabo por Tai [25], en el que representando la materia orgánica como CaHbOc (a, b y c son la cantidad de átomos de carbono, hidrogeno y oxigeno en la molécula), obtuvo relaciones entre los parámetros medidos para determinar la materia orgánica en los flujos (TOD: Total Oxygen Demand –Demanda Química de Oxigeno, DQO; TOC: Total Organic Carbon –Carbono Orgánico Total, COT) y su exergía química, las cuales se indican a continuación: bMO (J/l) =13,6 x TOD (mg/l) (Ec.9) bMO (J/l) =45 x TOC (mg/l) (Ec.10) En el caso de los compuestos de nitrógeno y fosforo, la aplicación de la aplicación de la ecuación 11 nos daría la exergía de formación a partir de las energías estándar de los elementos que dan lugar al compuesto. b0ch (kJ/mol)= Σi yi (∆Gfi +Σenebch,ne) (Ec.11) Para determinar la exergía del nitrógeno tomaremos la cantidad de nitrógeno total, es decir el nitrógeno Kjeldahl, ya que éste incluye tanto el nitrógeno amoniacal como el orgánico. No obstante, para determinar la exergía especifica de formación del nitrógeno, lo consideraremos como amonio ( ), ya que esta forma del nitrógeno representa un mayor porcentaje en el total, según la caracterización de los purines que figura en la memoria de la planta de Sodemasa [5]. Por lo tanto, de acuerdo con Szargut [23], la exergía de formación del nitrógeno es bch,N= 322,1 kJ/mol, mientras que la del fosforo, el cual está presente en el compuesto P2O5, es bch,P= 382,95 kJ/mol.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 12 Por lo tanto, teniendo en cuenta lo expuesto en el presente apartado, la exergía especifica tanto de la materia orgánica como del nitrógeno y del fósforo, se determinará por medio de las siguientes expresiones: bMO (kJ/kg purín) =, · í (Ec.12) bP (kJ/kg purín) = , · ·í (Ec.13) bN (kJ/kg purín) =, · ·í (Ec.14) 3.2.- Exergía asociada a los flujos en procesos de valorización del purín concentrado. Biogás. Mediante el proceso de digestión anaerobia de los fangos de la planta de tratamiento de purines seleccionada, se obtiene un gas con un alto contenido en metano (60%) denominado biogás, el cual puede ser empleado como combustible. La obtención de la exergía asociada a la corriente de biogás viene dada por la suma de la componente física y química, suponiendo el combustible gaseoso como una mezcla ideal de gases. Con estas suposiciones se ha aplicado la metodología desarrollada por Valero y Lozano [26] para determinar la exergía química del biogás: bch (kJ/mol) = Σxi (bochi + R To lnxi) (Ec.15) Donde: o xi, representan la fracción molar de la sustancia en la mezcla. o To, la temperatura para el ambiente de referencia (298,15K). o R, constante cuyo valor es 8,314 kJ/molK. o bochi, exergía de formación de la sustancia de la mezcla. Por otro lado, la componente de la exergía física se calculara de la siguiente manera: bfísica (kJ/kg) = Σxi ((hi – ho) - To (si-so)) (Ec.16) Donde: o h y s representan la entalpia y entropía del fluido a la temperatura y presión de trabajo (300K y 1,5bar). o ho, so y To representan los valores de entalpia, entropía y temperatura para el ambiente de referencia (298,15K y 1,01325bar).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 13 3.3.- Exergía asociada a flujos de energía. Dentro de los flujos de energía, se consideran los procesos de transferencia de electricidad y de calor. - Flujos eléctricos: su contenido energético es igual a su contenido en exergía. - Flujos de calor: B (kW) = E·((h1 – h2) - To (s1-s2)/ (h1 – h2)) (Ec.17) Donde: o E, representa el valor energético de la corriente de calor. o To, representa la temperatura a la cual tiene lugar el proceso de calor. o s1, entropía del agua a la salida del motor. o s2, entropía del agua de retorno. o h1, entalpia del agua a la salida del motor. o h2, entalpia del agua de retorno. 3.4.- Exergía asociada a los flujos de residuos en el proceso de tratamiento (Codigestión). Como ya se ha comentado anteriormente, en el presente trabajo se van a analizar tres casos diferentes de co-digestión: uno con paja de trigo, otro con glicerina y otro con una mezcla de residuos industriales (grasa), residuos de matadero y residuos vegetales (paja de trigo). 3.4.1.- Exergía asociada a los flujos de paja de trigo. La composición elemental de la paja de trigo es: un 45,6% de Carbono, un 5,7% de hidrogeno, un 40% de oxigeno, un 0,7% de nitrógeno, 0,09 de azufre y un 7,9% de cenizas, presentando un poder calorífico de 14.472 kJ/kg [27]. Según Kotas [28], la exergía química de los combustibles sólidos y líquidos se puede calcular asumiendo un coeficiente entre el valor de exergía química contenida y su poder calorífico. (Ec.18) Este coeficiente puede ser calculado a partir del análisis elemental en base seca y fracciones másicas mediante la siguiente expresión:
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 14 ,, , , (Ec.19) 3.4.2.- Exergía asociada a los flujos de glicerina. La glicerina o glicerol se genera en grandes cantidades como co-producto del proceso de fabricación de biodiesel, siendo su exergía 22.300kJ/kg [29]. 3.4.3.- Exergía asociada a los flujos de grasa. La molécula que representa a la mayoría de los ácidos grasos presentes en la naturaleza es C12H32O2, la cual tiene un peso molecular de 282g/mol y poder calorífico de 38.874kJ/kg [30]. Al igual que en el caso de la paja de trigo, la exergía química de la grasa puede ser calculada mediante la ecuación 18. En este caso, el coeficiente puede ser calculado a partir del análisis elemental en base seca y fracciones másicas, según la ecuación 19. Para el caso de las grasas, los valores de hidrogeno, carbono, nitrógeno y oxigeno son 0,113, 0,766, 0 y 0,113 respectivamente. 3.4.4.- Exergía asociada a los flujos de residuos de matadero. La composición de los efluentes de los mataderos, los cuales contienen, aparte de una cantidad importante de agua, sangre, estiércol, pelos, grasas, huesos, proteínas y otros contaminantes solubles, depende del proceso de producción, de la separación en la descarga de materias como sangre, intestinos y desechos del suelo, variando incluso dicha composición de un día a otro [31]. En el Anexo III se detalla la composición utilizada para el cálculo de la exergía de dichos residuos. La exergía de los flujos de residuos se matadero se calculara igual que la de los flujos de purín, es decir, mediante las ecuaciones 2, 12, 13 y 14. 3.5.- Resultados del análisis exergético. Mediante la aplicación del programa informático EES (Engineering. Equation Solver), programa que permite resolver numéricamente miles de ecuaciones no lineales,
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 15 disponiendo de una amplia base de datos de propiedades termodinámicas y de transporte para cientos de sustancias, se han simulado los cuatro casos de estudio: - Caso I. Análisis del funcionamiento de la planta seleccionada sin co-digestión. - Caso II. Análisis del funcionamiento de la planta seleccionada con co-digestión de paja de trigo. - Caso III. Análisis del funcionamiento de la planta seleccionada con co-digestión de glicerina. - Caso IV. Análisis del funcionamiento de la planta seleccionada con codigestión de residuos industriales, residuos de matadero y residuos de vegetales. A continuación se muestran los resultados obtenidos relativos a la exergía contenida en cada uno de los flujos de la planta de tratamiento de purines de Capella: flujos de 1 a 11 son los flujos de purín; flujos de 13 a 19 son los flujos energéticos; flujo 12 es el flujo asociado al proceso de valoración de fangos (biogás); flujo 20, es el flujo del sustrato o sustratos añadidos al tratamiento en caso de existir co-digestión. FLUJO SIN CO-DIGESTIÓN Exergía, kW CO-DIGESTIÓN con paja de trigo Exergía, kW CO-DIGESTIÓN con glicerina Exergía, kW CO-DIGESTIÓN con residuos Exergía, kW 1 1687 1687 1687 1687 2 1347 1347 1347 1347 3 710,1 710,1 710,1 710,1 4 420,1 420,1 420,1 420,1 5 159,2 159,2 159,2 159,2 6 636,6 636,6 636,6 636,6 7 260,9 260,9 260,9 260,9 8 339,9 339,9 339,9 339,9 9 631,8 760,6 741,2 6774 10 370,8 499,6 480,3 6513 11 260,9 260,9 260,9 260,9 12 584,6 643,1 1462 6514 13 0,18 0,18 0,18 0,18 14 0,25 0,25 0,25 0,25 15 110,8 110,8 110,8 110,8 16 0,25 0,25 0,25 0,25 17 19,5 19,5 19,5 19,5 18 70,37 76,71 90,43 287,8 19 21,06 37,06 335,1 2063 20 - 198,5 1084 16320 Tabla 2. Resultados exegéticos de los flujos de los cuatro casos analizados.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 16 Por lo tanto, a la vista de los resultados del análisis exergético se puede obtener las siguientes conclusiones: - Algunos de los flujos de purín de la planta (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 11) no cambian su contenido exergético pese a llevarse a cabo los distintos tipos de co-digestión. Esta invariabilidad se debe a que la adición de co-sustratos a la digestión anaerobia, donde se encuentra el purín concentrado, no afecta al línea del clarificado (suponiéndose también invariable para los cálculos el flujo 11, flujo de recirculación del digerido clarificado). Por otro lado, en cuanto a los flujos energéticos de consumo de la planta (del 13 al 18), tan solo varia el flujo 18 relativo al consumo del digestor, ya que algunos co-sustratos para poder ser digeridos es necesario someterlos a una pre-tratamiento, tal y como se ha explicado en el Anexo III. - Los flujos del 1 al 8, todos ellos flujos de purín, presentan un alto contenido exergético, principalmente debido a la materia orgánica (tablas 80, 83, 87 y 91), sin verse éstos alterados por la adición de co-sustratos a la digestión. - Los flujos 9 y 10, flujos de purín, correspondientes al digerido y al digerido sólido respectivamente, también presentan un alto contenido exergético debido a la materia orgánica presente en su composición. En este caso, estos flujos se ven afectados por la adición de co-sustratos, comprobándose que pese a que hay un mayor aporte de exergía en el caso III con los co-sustratos respecto caso II (flujo 20), la exergía de estos flujos disminuye debido al mejor rendimiento de la digestión anaerobia con glicerina que con paja de trigo. - Del mismo modo, el flujo 11, flujo de purín, correspondiente al digerido clarificado también contiene un alto contenido exergético sin verse afectado por la co-digestión, ya que se ha considerado que al ser líquido clarificado con un alto contenido en agua, apenas se ve modificada su composición con la adición de co-sustratos a la digestión. - La exergía del flujo 12, flujo de biogás, aumenta conforme aumenta la exergía de los sustratos añadidos (flujo 20). La exergía contenida en dicho flujo se debe fundamentalmente a su componente química (tablas 81, 84, 88 y 92). - La exergía contenida en los flujos energéticos debidos al consumo de la propia planta (flujos del 13 al 18) es muy pequeña comparándola con la exergía de los flujos anteriores, salvo en el caso del flujo 15, debida al alto consuno eléctrico del biorreactor en el tratamiento biológico. - La exergía del flujo 19, flujo energético correspondiente a la energía sobrante de la planta, aumenta conforme aumenta la exergía de los sustratos añadidos
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 17 (flujo 20). Como se puede observar en las tablas 82 y 85, en el caso de que no exista ningún tipo de co-digestión o se produzca una co-digestión con paja de trigo, la exergía de dicho flujo se debe fundamentalmente al calor sobrante, ya que en estos casos, la energía eléctrica generada por la planta está destinada prácticamente en su totalidad a cubrir las necesidades de la misma. Por otro lado, tanto en la co-digestión con glicerina como con mezcla de distintos residuos, tal y como se puede observar en las tablas 89 y 93, la exergía del flujo 19 de debe principalmente a la energía eléctrica sobrante generada por la misma. Por otro lado, una vez analizada la exergía contenida en cada uno de los flujos, y teniendo en cuenta la distribución de los mismos (Figura 1), a continuación se va a estudiar la irreversibilidad de cada uno de los procesos de los que está compuesta la planta analizada. La irreversibilidad es la magnitud física que representa la energía perdida o destruida (destrucción de exergía) en los procesos físicos. Irreversibilidad = Exergía de entrada (Binput) - Exergía de salida (Boutput)>0 A continuación se muestran las irreversibilidades que presentaron los distintos procesos en cada uno de los casos analizados. PROCESO SIN CODIGESTIÓN CO-DIGESTIÓN con paja de trigo CO-DIGESTIÓN con glicerina CO-DIGESTIÓN con residuos Desbaste 0,3 0,3 0,3 0,3 Decantación Primaria 0,5 0,5 0,5 0,5 Tratamiento Biológico 661,7 661,7 661,7 661,7 Decantación Sec. 5,1 5,1 5,1 5,1 Digestión 91,4 108,9 208,6 4557,2 Pulmón/Centrifuga 19,8 19,9 19,8 20,8 Cogeneración 362,2 398,4 905,5 4032,2 Tabla 3. Irreversibilidades presentes en los distintos procesos para cada uno de los casos analizados en la planta de tratamiento de purines de Capella (unidades expresadas en kW). A la vista de los resultados, podemos observar que los procesos con mayores irreversibilidades son: la digestión, la cogeneración y el tratamiento biológico:
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 18 - En el caso de la digestión y de la cogeneración, estas irreversibilidades tienen lugar porque estos equipos no son perfectos, y conforme aumenta la producción de biogás con la co-digestión, lógicamente aumenta su irreversibilidad. - El caso del tratamiento biológico es diferente, ya que dicho proceso está proyectado para que sea irreversible, es decir, para conseguir una disminución de nitrógeno y de materia orgánica (DQO). Dicho proceso esta dimensionado para reducir el nitrógeno sobrante, ya que si hay un excedente de este nutriente debe ser trasportado a largas distancias para poder ser aplicado en el suelo, lo que conlleva un alto coste en trasporte. Por otro lado, se puede comprobar que la irreversibilidad en este proceso se mantiene constante independientemente del caso analizado, lo cual es debido a que la adición de sustratos para la co-digestión influye directamente en el proceso de la digestión, al producirse un mayor biogás, y por lo tanto también en la cogeneración, y mínimamente en la decantación centrifuga, al incrementarse por un lado el digerido a decantar (flujo 9) pero también el digerido sólido obtenido (Flujo 10). El líquido clarificado tras la decantación centrifuga (flujo 11), el cual se recircula hacia el tratamiento biológico, puede verse mininamente alterado por la adición de sustratos, si bien, al estar formado principalmente por agua, se ha considerado invariable en el presente trabajo, motivo por el cual no se refleja ninguna variación en el tratamiento biológico.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 19 4. ANÁLISIS TERMOECONOMICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES DE CAPELLA. El análisis termoeconómico combina el análisis termodinámico y el económico aplicando el concepto del coste (originariamente una propiedad económica) a la exergía (una propiedad termodinámica). La mayoría de los expertos en esta materia están de acuerdo en que la exergía es la propiedad termodinámica más adecuada para asociarla al coste, ya que contiene información de la Segunda Ley de la Termodinámica y tiene en cuenta la calidad de la energía [32], [33], [34] y [35]. En el anexo IV se ha llevado a cabo una recopilación de los principales fundamentos termoeconómicos. 4.1. Estructura productiva. Lo primero que hay que analizar para estudiar la estructura productiva de la planta de tratamiento de purines de Capella es el objetivo final de dicha planta. El objetivo de cualquier planta de tratamiento de purines, desde el punto de vista productivo (ya que el objetivo principal de las plantas de tratamiento de purines es acabar con la contaminación generada por las deyecciones ganaderas), y para lo cual se añaden sustratos a la digestión, es, principalmente, obtener un gas con alto contenido en metano (sin co-digestión el gas obtenido apenas genera energía eléctrica a cubrir las demandas de la propia planta), a partir de los lodos del purín. Además, en este proceso de tratamiento de purines también se obtiene, por un lado, fertilizante sólido, que puede ser utilizado en los cultivos agrícolas, y, por otro lado, líquido depurado apto para la fertirrigación de las fincas adyacentes a la planta, ya que ambos productos contienen nutrientes idóneos para abonar los cultivos agrícolas. Por otro lado, cada componente de la planta tiene un propósito productivo que contribuye a alcanzar el objetivo final de producción de la planta. En el Anexo I se ha explicado en profundidad el funcionamiento de cada uno de los componentes, no obstante, a continuación se va a explicar brevemente el objetivo productivo de cada uno de los componentes indicados en la figura 1. - 1. Desbaste. El objetivo de esta etapa es separar la parte sólida de la líquida una vez recepcionado el purín, siendo la parte sólida enviada al digestor para la producción de biogás.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 26 Tabla 7. Coeficientes de distribución de residuos según el criterio 1. CRITERIO 2. En el presente trabajo se propone un nuevo criterio de asignación de los costes de los residuos en base a la exergía que se “quita” del clarificado, es decir, de la exergía tanto que se destruye como de la que pasa a la línea de fangos, ya que de esta manera, aparte de la influencia de la eficacia del tratamiento biológico, también podrá verse la influencia de la eficacia tanto del desbaste como de la decantación primaria, cuyo objetivo es separar los fangos de la corriente liquida del purín. Por lo tanto, la asignación quedaría de la siguiente manera: Residuo procedente del clarificado, B22: - Desbaste: B1-B2 - Decantación 1ª: B2-B3 - Tratamiento Biológico: B3+B11-B4 - Decantación 2ª: B4-B5-B22 Residuo procedente del digerido, B21: En el caso del digerido, se podría asignar todo al digestor, pero, por coherencia con el clarificado, se seguiría el mismo proceso, es decir: - Digestor: B6+B7+B8+B20-B9. - Pulmón/Centrifuga: B9-B10-B21. Por lo tanto, según este criterio, el modelo de cálculo de la matriz de los coeficientes de distribución de los residuos, ‹RP›, quedaría de la siguiente manera (en el Anexo IV se muestra la matriz RP para cada uno de los cuatro casos analizados):
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 27 Tabla 8. Modelo de cálculo de loa coeficientes de distribución de residuos según el criterio 1. Teniendo en cuenta que el análisis de los residuos es sensible a la eficacia de los distintos equipos/procesos, para llevar a cabo el análisis termoeconómico pretendido en el presente capitulo, se considerará el nuevo modelo de cálculo desarrollado en el presente trabajo y definido según el criterio 2. 4.3. Análisis de resultados termoeconómicos. A continuación se van ir mostrando y analizando los resultados termoeconómicos obtenidos: eficiencia exegética, costes exergéticos unitarios y descomposición de costes exergéticos unitarios. 4.3.1.- Eficiencia exegética de los procesos. La eficiencia exergética es definida según Valero y cols. [37] como la proporción del valor exergético de los productos (P) en relación con la exergía contenida en el fuel (F). η = (Ec. 20) En la tabla 9 se muestran los resultados obtenidos relativos a la eficiencia exergética de los distintos procesos de la planta de tratamiento para cada unos de los casos analizados. PROCESO SIN CODIGESTIÓN CO-DIGESTIÓN con paja de trigo CO-DIGESTIÓN con glicerina CO-DIGESTIÓN con residuos Desbaste 99,9% 99,9% 99,9% 99,9% Decantación Primaria 99,9% 99,9% 99,9% 99,9% Tratamiento Biológico 38,8% 38,8% 38,8% 38,8% Decantación Sec. 98% 98% 98% 98% Digestión 86,4% 85,5% 87,5% 58,8% Pulmón/Centrifuga 94,9% 96,1% 96% 99,6% Cogeneración 38% 38% 38% 38% Tabla 9. Eficiencia exergética de los distintos procesos para cada uno de los casos analizados en la planta de tratamiento de purines de Capella (Huesca).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 28 A la vista de los resultados, se puede comprobar que el proceso menos eficaz, desde el punto de vista exergético, es el tratamiento biológico, ya que como ya se ha explicado anteriormente, dicho proceso está concebido para eliminar materia orgánica y nitrógeno, seguido de la cogeneración. Por otro lado, también se puede observar que el rendimiento del digestor en la codigestión con mezcla de residuos es muy bajo en comparación con el que presenta el resto de casos analizados. Dicha diferencia puede deberse a que en este caso, la materia orgánica de los sustratos añadidos, en concreto de los residuos industriales, considerada para el cálculo exergético puede estar sobre valorada, ya que se han tenido que realizar ciertas suposiciones al desconocerse qué tipo de grasas habían sido empleadas para el experimento en el que se determinó la cantidad de metano producido por tonelada de mezcla de residuos [11]. 4.3.2.- Coste exergético unitario. El coste exergético unitario se define como la cantidad de recursos, medidos en términos de exergía, necesarios para obtener una unidad de producto, lo que permite establecer de forma objetiva el precio de los productos en cada proceso. Por tanto, el análisis de costes en el presente trabajo nos va a permitir identificar de forma objetiva el posible ahorro que conlleva incorporar una co-digestión en una planta de tratamiento de purines. Los costes exergéticos unitarios de los productos se determinaran mediante las siguientes expresiones [37]: (Ec.21) Donde: o P*, representa el vector de los costes exergéticos de los productos, kW. o P, representa el vector de los productos de los procesos (n × 1), kW. o kP*, representa el coste exergético unitario de los productos. P* = (UD-‹FP›-‹RP›)-1·Fe (Ec.22) Donde: o UD, representa la matriz de identidad (n × n). o ‹FP›, representa la matriz de coeficientes de distribución (n × n). o Fe, representa el vector de los recursos externos de los componentes (n × 1), kW. o ‹RP›, representa la matriz de coeficientes de distribución de los residuos (n × n).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 29 En la tabla 10 se muestran los costes exergéticos unitarios de los productos obtenidos en cada uno de los procesos de la planta mediante las ecuaciones 21 y 22 (en el Anexo IV se pueden observar las operaciones anteriores detalladas para cada uno de los cuatro casos analizados). PROCESO SIN CODIGESTIÓN CO-DIGESTIÓN con paja de trigo CO-DIGESTIÓN con glicerina CO-DIGESTIÓN con residuos 1.Desbaste 1,91 1,77 1,29 1,29 2.Decantación Primaria 1,90 1,77 1,29 1,29 3.Tratamiento Biológico 15,26 12,98 5,03 5,01 4.Decantación Sec. 16,49 14,02 5,43 5,41 5.Digestión 13,43 11,37 2,81 3,27 6.Pulmón/Centrifuga 9,58 6,91 2,22 1,13 7.Cogeneración 35,30 29,88 7,39 8,59 8.Disipativo Digerido 9,58 6,91 2,22 1,13 9.Disipativo Balsa 15,26 12,98 5,03 5,01 Tabla 10. Costes exergéticos unitarios de los productos para cada uno de los cuatro casos analizados. A la vista de los resultados, podemos observar que los mayores costes exergéticos unitarios tienen lugar en el caso en el que no exista co-digestión alguna en el tratamiento de los purines. Por un lado, se puede observar una tendencia decreciente de los costes en todos los procesos conforme se incrementa la producción de biogás, tanto en la co-digestión con paja de trigo como en el caso de la glicerina. En la co-digestión de paja de trigo, cuya producción de biogás es de 733.333m3/año, los costes disminuyen respecto al caso base, y con co-digestión de glicerina, cuya producción de biogás es de 1.666.667m3/año, los costes disminuyen respecto a la co-digestión de paja de trigo. Dicha disminución de los costes exergéticos unitarios es debida, fundamentalmente, a los siguientes aspectos termoeconómicos: - La mayor producción de biogás y, por lo tanto, de producto final útil (energía sobrante, B19), permite que los costes debidos a los residuos generados, los cuales incluso en el caso de la materia orgánica del digerido aumentan con la co-digestión (tabla 6), sean más repartidos, traduciéndose este hecho en una disminución de los costes exergéticos de cada uno de los procesos. - Al llevarse a cabo la co-digestión, se introduce a la digestión una serie de sustratos, (B20), los cuales al ser producto del exterior tienen coste exergético unitario igual a uno. Por lo tanto, cuanto mayor sea este flujo
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 30 (tabla 6), y teniendo en cuenta que la eficacia de los equipos es similar en el caso sin co-digestión y con co-digestión de paja y glicerina, menores son los costes exergéticos de los productos de la digestión. Por otro lado, se puede observar que en el caso de la co-digestión con mezcla de residuos, pese a que la producción de biogás es de 7.428.400m3/año, esta tendencia decreciente de los costes exergéticos en todos los procesos no se mantiene. En concreto, en el proceso de la digestión estos costes aumentan con respecto al caso de la glicerina, lo cual es debido a la baja eficiencia exergética de dicho proceso (tabla 9) y, por lo tanto, este aumento de los costes en el digestor induce que también que aumenten los costes en la cogeneración, ya que este proceso va seguido de la digestión. Sin embargo, llama la atención que los costes en el proceso 6 (pulmón/centrifuga), proceso que también esta seguido de la digestión, bajan con respecto a la glicerina. Si observamos la estructura productiva definida para la planta de tratamiento de purines objeto de estudio (figura 2), se puede observar la influencia directa que tiene el flujo 20 en este proceso, por lo tanto, al tener el flujo 20 coste exergético uno, como se comentado en el párrafo anterior, y contener una gran cantidad de exergía (16.320kW, tabla 6), este hecho se traduce en que el coste exergético unitario del proceso 6 se aproxime mas a uno, produciéndose, por lo tanto, una disminución con respecto a los otros casos en los que el contenido exergético del flujo 20 es menor. Del mismo modo, esta disminución de los costes en el pulmón/centrifuga induce que también disminuyan los costes en componente disipativo del digerido. En el resto de los procesos de la co-digestión con mezcla de residuos (desbaste, decantación primaria, tratamiento biológico, decantación secundaria y en el disipativo de la balsa), los costes se mantienen prácticamente igual que en el caso de la glicerina, ya que al tener estos componentes, en mayor o menor medida, relación tanto con la digestión como con el pulmón/centrifuga, en los que aumentan y disminuyen los coses respectivamente, tal y como se ha explicado, una influencia compensa a la otra, traduciéndose en un equilibrio de los costes en estos equipos. Finalmente, en la tabla 11 que se muestra a continuación se resumen las variaciones de los costes exergéticos unitarios de los productos de los casos analizados con codigestión con respecto al caso base, es decir, sin co-digestión.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 31 Prod. Biogás Costes exergéticos unitarios Desb. Dec. 1ª Trat. Biol. Dec. 2ª Dig. Pulmón/ Centrif. Cogen. D. Digerido D. Balsa Co-dig. Paja de trigo +10% -7% -7% -14% -14% -15% -27% -15% -27% -15% Co-dig. Glicerina +150% -32% -32% -67% -67% -79% -77% -79% -77% -67% Co-dig. Residuos +1000% -32% -32% -67% -67% -76% -88% -76% -88% -67% Tabla 11. Variaciones de los costes exergéticos unitarios de los productos de los casos analizados con co-digestión con respecto al caso base. 4.3.3.- Descomposición de los costes exergéticos unitarios. Según Usón y col [38], el análisis de la descomposición de los costes puede llevarse a cabo mediante los siguientes métodos: o Descomposición de costes en base a la irreversibilidad y al efecto de los residuos [39]. o Descomposición de costes en base al origen de los recursos. La descomposición de los costes de la planta de tratamiento analizada será estudiada en base tanto la irreversibilidad de los diferentes procesos como el efecto de los residuos, siguiendo las siguientes ecuaciones [39]: ‹P*› = (UD-‹FP›)-1·‹I› + (UD-‹FP›)-1·‹R*› (Ec.23) Donde: o UD, representa la matriz de identidad (n × n). o ‹FP›, representa la matriz de coeficientes de distribución (n × n). o ‹I›, representa la matriz diagonal de la irreversibilidad de los procesos (n × n). o ‹R*›, representa la matriz de los costes exergéticos de los residuos (n × n). (Ec.23) Donde: o P*, representa los costes exergéticos de los productos. o P, representa los productos de los procesos, kW. o kP, representa el coste exergético unitario de los productos. En las gráficas 1, 2, 3 y 4 se muestran a continuación, se pueden observar los resultados de la descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 32 obtenidos en cada uno de los procesos de la planta mediante las ecuaciones 23 y 24 (en el Anexo IV se pueden observar las operaciones anteriores detalladas). Análisis de los costes exergéticos unitarios para el caso sin co-digestión. Grafica 1.Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos de cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purín analizada para el caso sin co-digestión. Según la gráfica 1, se pude observar que los mayores costes exergéticos unitarios son inducidos por el residuo tanto del clarificado como del digerido sólido, es decir, por la exergía contenida en la materia orgánica no aprovechable. Otro proceso que contribuye al incremento de estos costes pero en menor medida, es el tratamiento biológico, ya que como se ha explicado anteriormente, dicho proceso presenta una elevada irreversibilidad debido a esta concebido para eliminar tanto materia orgánica como nitrógeno, evitándose con ello un problema medioambiental por un exceso de nutrientes. Finalmente, también se observa una mínima contribución en los costes por parte de la cogeneración y de la digestión, al no ser perfectos estos equipos. Por otro lado, se puede comprobar que el proceso con mayor coste inducido por los residuos es la cogeneración. 1 7 13 19 25 31 37 1. Desbaste 2. Decantación 1ª 3. T. Biologico 4. Decantación 2ª 5. Digestión 6. Pulmón/ Centrifuga 7. Cogeneración 8. Disipativo Digerido 9. Disipativo Balsa Coste exergético unitario ([kW]/[kW]) CASO BASE (Sin Co-digestión) Desbaste Decantación 1ª T. Biologico Decantación 2ª Digestión Pulmón/ Centrifuga Cogeneración Disipativo digerido Disipativo Balsa
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 33 Análisis de los costes exergéticos unitarios para el caso de co-digestión con paja de trigo. Grafica 2.Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos de cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purín analizada para el caso de co-digestión con paja de trigo. Según los resultados mostrados en la gráfica 2, se puede observar que la contribución de los equipos a la formación de los costes en este caso es muy similar al caso sin codigestión, es decir, en el caso de co-digestión con paja de trigo los mayores costes son inducidos por los residuos, seguidos, pero en una muy inferior proporción, por el tratamiento biológico, la cogeneración y la digestión. Además, también puede observarse que en este caso, pese a ser mayores las irreversibilidades de los procesos (tabla 3), todos los costes de los productos se han reducido respecto al caso sin co-digestión, ya que, por un lado, la producción de producto final útil es mayor y, por otro lado, se ha introducido un producto del exterior con coste exergético uno como es la paja de trigo. Por otro lado, al igual que ocurría en el caso base, el proceso con mayor coste inducido por los residuos es la cogeneración y en concreto por el residuo procedente del digerido. 1 7 13 19 25 31 37 1. Desbaste 2. Decantación 1ª 3. T. Biologico 4. Decantación 2ª 5. Digestión 6. Pulmón/ Centrifuga 7. Cogeneración 8. Disipativo Digerido 9. Disipativo Balsa Coste exergético unitario ([kW]/[kW]) Co-Digestión (Paja de trigo) Desbaste Decantación 1ª T. Biologico Decantación 2ª Digestión Pulmón/ Centrifuga Cogeneración Disipativo digerido Disipativo Balsa
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 34 Análisis de los costes exergéticos unitarios para el caso de co-digestión con glicerina. Grafica 3.Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos de cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purín analizada para el caso de co-digestión con glicerina. A la vista de los resultados presentes en la gráfica 3, se puede observar que los costes debidos al producto no aprovechable del digerido han disminuido considerablemente en comparación con el caso sin co-digestión y con co-digestión de paja, ya que en este caso la exergía de dicho residuo, como se puede observar en la tabla 6, disminuye respecto al caso de co-digestión con paja de trigo, al ser más optima la digestión con este sustrato. Por otro lado, los costes debidos al debidos al producto no aprovechable del clarificado también han disminuido pero en menor proporción. Finalmente, también puede observarse que en este caso, pese a ser mayores las irreversibilidades de los procesos (tabla 3), todos los costes de los productos se han reducido respecto al caso sin co-digestión y con co-digestión de paja, ya que, por un lado, la producción de producto final útil es mayor y, por otro lado, se ha introducido un producto del exterior con coste exergético uno como es la glicerina, cuyo contenido exergético es mayor en la paja de trigo. 12345678 1. Desbaste 2. Decantación 1ª 3. T. Biologico 4. Decantación 2ª 5. Digestión 6. Pulmón/ Centrifuga 7. Cogeneración 8. Disipativo Digerido 9. Disipativo Balsa Coste exergético unitario ([kW]/[kW]) Co-Digestión (Glicerina) Desbaste Decantación 1ª T. Biologico Decantación 2ª Digestión Pulmón/ Centrifuga Cogeneración Disipativo digerido Disipativo Balsa
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 35 Análisis de los costes exergéticos unitarios para el caso de co-digestión con mezcla de residuos industriales, de matadero y vegetales. Finalmente, a continuación se muestran los resultados obtenidos para el caso de codigestión con mezcla de diversos residuos, en los que se podrá observar una discrepancia en la tendencia de los costes respecto a los casos anteriores. Grafica 4.Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos de cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purín analizada para el caso de co-digestión con mezcla de residuos industriales, de matadero y vegetales. En la gráfica 4 anteriormente mostrada, se puede observar la influencia que tiene la digestión en prácticamente todos los procesos de la planta, ya que la menor eficacia de la misma en este caso respecto a los otros casos estudiados, induce unos mayores costes exergéticos en los procesos. Pese a que la digestión induce unos mayores costes exergéticos en los procesos, se puede observar que salvo en la propia digestión y en la cogeneración, los costes totales se mantienen constantes en el resto de los procesos, e incluso disminuyen en el pulmón/centrifuga y en componente disipativo del digerido debido, como se ha explicado anteriormente, a la introducción de un flujo con alto contenido exergético y con coste exergético unitario, como es el flujo de los sustratos, producto del exterior. Por lo tanto, a la vista de los resultados obtenidos para este caso, co-digestión con mezcla de residuos, se puede concluir que si bien los cálculos exergéticos no son muy 123456789 1. Desbaste 2. Decantación 1ª 3. T. Biologico 4. Decantación 2ª 5. Digestión 6. Pulmón/ Centrifuga 7. Cogeneración 8. Disipativo Digerido 9. Disipativo Balsa Coste exergético unitario ([kW]/[kW]) Co-Digestión (Mezcla Residuos) Desbaste Decantación 1ª T. Biologico Decantación 2ª Digestión Pulmón/ Centrifuga Cogeneración Disipativo digerido Disipativo Balsa
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 42 para, de esta manera, no sobresaturar el terreno arable de la zona con dicho nutriente. Además, dicho análisis también permite conocer que el tratamiento de purines analizado en el presente trabajo da lugar a un residuo con un alto contenido exergético, como es la materia orgánica todavía presente tras la decantación secundaria y centrifuga, es decir, en el líquido depurado apto para fertirrigación y en el digerido sólido, utilizado también para la fertilización de las tierras agrícolas. Por otro lado, tras el análisis termoeconómico, en el que ha tenido que ha tenido que definirse una compleja estructura productiva así como realizarse un exhaustivo estudio sobre el reparto de los costes de los residuos en los distintos procesos, dada la peculiaridad de la planta de tratamiento –gran número de flujos, proceso antiexergético y residuo con alto contenido exergético-, se puede comprobar que los mayores costes exergéticos unitarios de los productos para cada uno de los procesos de la planta tienen lugar en el caso en el que no lleve a cabo co-digestión alguna, disminuyéndose dichos costes conforme se mejora la producción de energía con la adición de sustratos. Dicha disminución es debida, fundamentalmente, a que, por un lado, la mayor producción de biogás permite que los costes debidos a los residuos generados sean más repartidos y, por otro lado, a que al llevarse a cabo la codigestión, se introducen en la digestión una serie de sustratos, los cuales al ser producto del exterior tienen coste exergético unitario igual a uno, por lo que, cuanto mayor sea el contenido exergético de estos sustratos, teniendo en cuenta que la eficacia de los equipos es similar en todos los casos, menores serán los costes exergéticos de los productos. Finalmente, analizado el coste exergético invertido en transportar directamente el purín virgen desde una explotación ganadera hasta las tierras arables (suponiendo que no exista planta de tratamiento), en una zona con alta concentración de explotaciones porcinas como es la zona de Capella, se puede comprobar que dicho coste es muy superior al coste exergético necesario para el transporte del purín desde la explotación ganadera hasta la planta de tratamiento más el transporte del abono orgánico desde la planta de tratamiento hasta tierras arables (en el caso de que exista planta de tratamiento), puesto que dicho purín virgen tiene que ser desplazado muy lejos de las explotaciones ganaderas para no sobresaturar y, por lo tanto, contaminar el suelo de las explotaciones agrícolas próximas a las granja.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 43 6.2.- Aportaciones. Se ha realizado un gran esfuerzo para tratar de caracterizar cada uno de los parámetros de los distintos flujos que influyen en el análisis exergético, fundamentalmente los parámetros relativos a los flujos de purín, dada la poca información disponible, contactándose directamente con Sodemasa, empresa proyectista de la planta objeto de estudio, y realizándose una amplia revisión bibliográfica sobre la composición de dichos flujos tras someterse a los distintos procesos presentes en la planta objeto de estudio. Dicho esfuerzo ha permitido crear una metodología para el cálculo de la exergía para las plantas de tratamiento de purines. Por otro lado, se ha llevado a cabo una revisión en profundidad de la co-digestión, digestión anaerobia de purín de con distintos sustratos, analizándose tanto las peculiaridades de cada tipo de sustrato así como sus potenciales beneficios respecto al aumento de la producción de biogás, mostrándose diferentes ejemplos de plantas de tratamiento de purines que llevan a cabo co-digestión en su proceso productivo. Además, teniendo en cuenta la peculiaridad de las plantas de tratamiento de purines (gran número de flujos, proceso anti-exergético y residuo con alto contenido exergético), se ha definido una estructura productiva que permite ser adaptada para el análisis termoeconómico de otras plantas con características similares a la objeto de estudio de este trabajo. Del mismo modo, se ha planteado un nuevo criterio de reparto de residuos proporcional a la no solo a la exergía que se destruye, sino también a la exergía que pasa a la línea de fangos, para de esta manera poder estudiar la influencia de los equipos en los distintos procesos de la planta. Para analizar los costes de los productos de los diferentes procesos con los que cuenta la planta de tratamiento estudiada, se ha mostrado un análisis detallado de la descomposición de los mismos bajo dos criterios: teniendo en cuenta las irreversibilidades y el efecto de los residuos, y teniendo en cuenta el origen de recursos. 6.3.- Perspectivas. En cuanto a las consideraciones con respecto a los cálculos, y su posible error sistemático, conveniente destacar que para realizar el análisis exergético de los distintos flujos de la planta de tratamiento estudiada, ha sido necesario, en algunos
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 44 casos, emplear valores, ratios y rendimientos de procesos encontrados en bibliografía, resultando crucial conocer la composición exacta de los flujos, ya que éstos incorporan un contenido exergético muy alto y por tanto afecta a la exactitud de los resultados finales. Por lo tanto, una vez que la planta de tratamiento estudiada este construida y puedan conocerse los valores exactos, podrían obtenerse valores más precisos teniendo en cuenta la metodología desarrollada en el presente trabajo, así como aplicar dicha metodología a otras plantas de tratamiento. Pueden destacarse como futuras línea de investigación las siguientes propuestas: monitorización de una planta de tratamiento de purines para el análisis de distintas malfunciones o distintos tipos de co-sustratos, análisis y comparación de distintas plantas con las mismas o distintas tecnologías… Por otro lado, teniendo en cuenta que tanto purín virgen como el purín tratado tras una digestión anaerobia posee una cantidad de nutrientes importante y, por lo tanto, puede ser utilizado como abono orgánico, se podría llevar a cabo un análisis exergético teniendo en cuenta el abono mineral que puede ser sustituido y la exergía necesaria para producir dicho abono mineral.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 45 7. NOMENCLATURA. A continuación se va a indicar la nomenclatura más relevante utilizada en el presente trabajo. a Actividad de la especie b Exergía especifica, kJ/kg (salvo que se indique unidad diferente) bch Exergía química, kJ/kg (salvo que se indique unidad diferente) boch Exergía química de formación, kJ/kg (salvo que se indique unidad diferente) bch,c Exergía química de concentración, kJ/kg (salvo que se indique unidad diferente) bfísica Exergía física, kJ/kg (salvo que se indique unidad diferente) B Exergía, kW c Salinidad, ppm E Valor energético de las corrientes de calor, kW F Fuel, kW F Vector de fuel (nx1), kW F* Coste exergético del fuel, kW F* Vector del coste exergético del fuel (nx1), kW Fe Vector de los recursos externos de los componentes (nx1), kW ‹FP› Matriz de distribución de coeficientes (nxn) ∆G Energía libre de Giibs, kJ/kg h Entalpía, kJ/kg I Vector que contiene la irreversibilidad de los componentes (nx1), kW k* Coste exergético unitario m Molalidad de una sustancia, moles/kg agua n Número de componentes del sistema nf Número de recursos externos P Producto, kW P* Coste exergético del producto, kW P* Vector del coste exergético del producto (nx1), kW PCI Poder calorífico inferior, KJ/kg PM Peso molecular, g/mol P0 Presión del ambiente de referencia, 1,01325 bar R* Vector del coste exergético de los residuos (nx1), kW R Constante gases ideales, 8,314kJ/molK ‹RP› Matriz de los coeficientes de distribución de los residuos (nxn) s Entropía, kJ/kgK
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 46 T Temperatura, K To Temperatura del ambiente de referencia, 298,15K UD Matriz identidad (nxn) x Concentración molar y Coeficientes de distribución Símbolos griegos Coeficiente que relaciona la exergía con el PCI η Rendimiento Densidad, kg/m3 Ψ Coeficientes de distribución de los costes de los residuos Subíndices y superíndices i Componente genérico j Componente genérico k Tipo de recurso externo NKT Nitrógeno Kjeldahl MO Materia orgánica MI Materia inorgánica P Fósforo r Residuo s Producto final
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 47 8. BIBLIOGRAFÍA. [1] Valero Capila, A. and Valero Delgado, A. Exergy analysis of resources and processes. Universidad de Zaragoza. 2010. [2] Valero, A. and Torres, C. “Thermoenomic Analysis”. Ed. Frangopoulos C.A.,Encyplopedia of Life Support Systems (EOLSS), Developed under the Auspices of the UNESCO, Eolss Publishers, Oxfort, UK. 2005. [3] Frosch R.A. and Gallopoulos N.E. Strategies for Manufacturing: Waste from one industrial process can serve as the raw materials for another, thereby reducing the impact of industry on the environment. Scientific American, 261(3), pp.144-152. 1989. [4] Flotats Ripoll, X., Campos Pozuelo, E., Illa Alibés, J., Magrí Aloy, A., Palatsi Civit, J. y Solé Mauri, F. Guía de de los tratamientos las deyecciones ganaderas. Generalitat de Catalunya. 2004. [5] Proyecto básico. Planta de tratamiento de purín en Capella (Huesca). Empresa redactora: Sodemasa (S.A.U.). 2009. [6] Flotats, X., Sarquella, L. Producció de biogas per codigestió anaerobia. Institut català d’Energia. Generalitat de Catalunya. 2008. [7] Angelidaki, I. and Ellegaard, L. Codigestion of manure and organic wastes in centralized biogas plants. Applied Biochemistry and Biotechnology 109 (1-3), 95-105. 2003. [8]Moller, H.B., Sommer, S.G., Ahring, B.K. Methane productivity of manure, Straw and solid and manure. Biomass and Bioenergy. 2003. [9] Marañon Maison, E., Fernandez Nava, Y., Castrillón Peláez, L. Manual de Estado del Arte de la Co-digestión Anaerobia de Residuos Ganaderos y Agroindustriales. Universidad de Oviedo.Proyecto PROBIOGAS. 2009. [10] Astals, S., Nolla-Ardevol, V., Mata-Alvarez. J. Anaerobic co-digestion of pig manure and crude glicerol at mesophilic conditions: Biogas and digestate. Bioresource Technology 110, 63-70. [11] Daudén, A. Valorización energética de residuos orgánicos: co-digestión de purines. Cambio climático, agricultura y eficiencia energética en el medio rural. 2012. [12]Murto, M., Björnsson, L. and Mattiasson, B. Impact of food industrial waste on anaerobic co-digestion of sewage sludge and pig manure. Journal of Environmental Management 70, 101-107. 2004. [13] Gaggioli, R. and Petit, P. Second Law analysis for pinpointing the true inefficiencies in final conversion systems. A.C.S. Division of Fuel Chemistry, 21. 1976. [14] Sussman, M. Choosing a reference environment-state for available-energy computations. In 72nd Annual Meeting. American Institute of Chemical Engineers, San Francisco (USA). 1979. [15] Ahrendts, J. The exergy of chemically reacting systems. Technical report, DI. Forschungsheft 579, Düsseldorf. 1977.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 48 [16] Van Gool W. The ddrmodynamics of chemical references for exergy analysis. Florence world energy research symposium, Florence, Italy: SGE Editorial, pp 949957. [17] Szargut, J. Chemical exergies of the elements. Applied Energy, Vol. 32, pp 269286. 1989. [18] Szargut, J.; Valero, A.; Stanek, W. y Valero, Al. Towards an international legal reference environment In: Proceedings of ECOS 2005, Trondheim, Norway (June 2022), pp. 409420. 2005. [19] Valero, A; Uche, J; Valero, Al; Martínez, A. Physical Hydronomics: Application of the exergy analysis to the assessment of environmental costs of water bodies. The case of the inland basins of Catalonia. Energy. Vol. 34 pp.2101-2107. 2008. [20] Martinez, A. Exergy cost assessment of water resources: Physical Hydronomics. Ph.D. Thesis. Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza. 2009. [21] Zaleta-Aguilar, A., Ranz, L. and Valero, A. Towards a Unifield measure of renewable resources availability: The exergy method applied to the water of a river. Energy Conversion Management. Vol. 39 nº 16-18, pp. 1911-1917. Pergamon. 1998. [22] Lozano Garcia, A.I. Análisis exergético en plantas de tratamiento en el ciclo integral del agua. Proyecto Fin de Máster. CIRCE. Universidad de Zaragoza. 2011. [23] Szargut, J. Exergy Method, Technical and Ecological Application. WIT Press. 2005. [24] Rivero, R; Garfias, M. Standard chemical exergy of elements updates. Energy. Vol 31, pp. 3310-3326. 2006. [25] Tai, S.; Matsushige, K.; Goda, T. Chemical exergy of organic matter in wastewater. International Journak Environmental Studies. Vol 27, pp. 301-315. 1986. [26] Lozano, M.A, Valero, A. Determinación de la exergía para sustancias de interés industrial. ETSII Universidad de Zaragoza. Departamento de Termodinámica y Fisicoquímica. [27] Valero, A. and Usón, S. Oxy-co-gasification of coal and biomass in an integrated gasification combined cycle (IGCC) power plant. Energy 31 1643–1655. 2006. [28] Kotas, T.J. The exergy method of thermal plant analysis. Ed Essex. 1985. [29] Cynthia Ofori-Boateng, Teong Lee Keat and Lim JitKang. Feasibility study of microalgal and jatropha biodiesel production plants: Exergy analysis approach. Applied thermal engineering 36 (2012) 141-151. Elsevier. 2011. [30] Martínez, A; Uche, J; Rubio, C; Carrasquer, B. Exergy cost of water supply and water treatment technologies. Desalination and water treatment. Vol 24. Pp 123-131. 2010. [31] A. Marcos, A. Al-Kassir, A.A. Mohamad, F. Cuadros and F. López Rodríguez. 2009. Combustible gas producction (methane) and biodegradation of solid and liquid mixtures of meat industry wasted. Applie Energy 87. 1729-1735. Elseiver. 2010.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 49 [32] Tsatsaronis, G. A Review of Exergoeconomic Methodologies. International Symposium on Second Law Analysis of Thermal Systems. Rome (ASME Book I00236). ASME, pp. 81-87. New York, USA. 1987. [33] Tsatsaronis, G. Recent Development in Energy Economics. Proceedings of ECOS’98. Nancy, France. Vol. I, pp. 37-38. 1998. [34] Gaggioli, R. A., El-Sayed, Y. M. A Critical Review of Second Law Costing Methods. Proceedings of the IV International Symposium on Second Law Analysis of Thermal Systems (ASME Book I00236). ASME, pp. 59-73. New York, USA. 1987. [35] Moran, M. J. Second Law Analysis. What is the State of the Art? International Symposium: A future for energy. Florence (Italy). Pergamon Press, pp. 249-260. 1990. [36] Torres, C. y Valero, A. Curso de Doctorado en Termoeconomía. Departamento Ingeniería Mecánica. Universidad de Zaragoza. 2000. [37] Valero, A; Lozano, M, Muñoz, M.A. A general theory of exergy saving I. On the exergy costs. Departamento de Termoeconomía y Química Física de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad de Zaragoza. 1986. [38] Usón, S., Valero, A., Agudelo, A. Thermoeconomics and Industrial Symbiosis. Effect of By-product Integration in Costo Assessment. [39] Torres, C., Valero A., Rangel, V., Zaleta, A. On the cost formation process of the residues. Energy; 33: 144-152. 2008. [40] http://www.adap.org.es/ (Asociación de Empresas para el Desimpacto Ambiental de los Purines). [41] Flotats, L., Sarquella, L. Producció de biogás per codigestió anaerobia. Institut catalá d´Energia. Generalitat de Catalunya. 2008. [42] Angelidaki, I. and Ellegaard, L. Codigestion of manure and organic wastes in centralized biogas plants. Applied Biochemistry and Biotechnology 109 (1-3), 95-105. 2003. [43] Angelidaki, I., and Ahring, B.K. Codigestion of olive oil mill wastewaters with manure, household waste or sewage sludge. Biodegration 8: 221-226. 1997. [44] Angelidaki, I., Ellegaard, L., and Ahring, B.K. Modelling anaerobic codigestion of manure with olive oil mill effluent. Water Science and Technology 36 (6-7), 263-270. 1997. [45] Nallathambi Gunaseelan, N. Biochemical methane potencial of fruits and vegetable solid waste feedstocks. Biomass and Bioenergy 26, 389-399. 2004. [46] Molinuevo-Salces, B., González-Fernández, C., Gómez, X., García-González, M.C., Morán, A. Vegetable procesing wastes addition to improve swine manure anaerobic digestion: Evaluation in terms of methane yield and SEM characterization. Applied energy 91, 36-42. 2011. [47] Lane, A.G. Anaerobic digestión of orange peel. Food Technology Australia 36 83), 125-127. 1984.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 50 [48] Srilatha, H.R., Fabbri, C. and Madhukara, K. Fungal pretreatment of orange processing waste by solid-state fermentation for improved production of methane. Process Biochemistry 30 (4), 327-331. 1995. [49] Rutledge, B. Swedish Biogas Industry Education Toru 2004: Observations and Findings. WestStart-CALSTART, Inc. 2004. [50] DeBruyn, J., House, H. and Rodenburg, J. Ontario Large Herd Operators European Anaerobic Digestion Tour Report. Germany, Denmark and the Netherland. August 21-29. Ontario Ministry of Agriculture, food and Rural Affairs. 2006. [51] Edströn, M. Anaerobic treatment of animal byproducts from slaughterhouses at laboratory and pilot scale. Applied Biochemistry Biotechnology 109, 127-138. 2003. [52] Hejnfelt, A., Angelidaki, I. Anaerobic digestión of slaughterhouse by-products. Biomass and Bioenergy 33, 1041054.2009. [53] Marcos, A., Al-Kassir, A., Mohamad, A.A., Cuadros, F., López-Rodriguez, F. Combustible gas production (methane) and biodegration of solid and liquid mixtures of meat industry wastes. Applied Energy 87 1729-1735. 2010. [54] Francese, A.P., Aboagye-Mathiesen, G., Olesen, T., Cordoba, P.R. and Siñeriz, F. Feeding approaches for biogas production from animal wastes and industrial effluents. World Journal of Microbiology and Biotechnology 16, 147-150. 2000. [55] Amon T., Amon B., Kryvoruchko V., Bodizola V., Pötsch E., and Zollitsch W. Optimising methane yield from anaerobic digestion of manure: Effects of dairy systems and glycerine supplementation. International Congress Series 1293, 217-220. 2006. [56] Ruihong Zhang, Hamed M. El-Mashad, Karl hartman, Fengyu Wang, Guangqing Liu, Chris Choate, Paul Gamble. Characterization of food waste as feedstock for anaerobic digestion. Bioresource Technology 98. 929-935. 2007. [57] http://www.seafriends.org.nz/oceano/seawater.htm [58] Domini, C., Vidal, L., Cravotto, G., Canals, A. A simultaneous, direct microwave/ultrasound-assisted digestion procedure for the determination of total Kjeldahl nitrogen. Ultrasonic Sonochemistry 16, 564-569. 2009. [59] González, V., Pomares, F. La fertilización y el balance de nutrientes es sistemas agroecológicos. Sociedad Española de Agricultura Ecológica, SEAE. 2008. [60] Elías Castells, X. Tratamiento y valorización energética de residuos. Fundación Universitaria Iberoamericana. Ediciones Díaz de Santos. 2005. [61] Smith, K.A., Metcalfe, P., Grylls, J., Jeffrey, W., Sinclair, A. Nutrient value of digestate from farm-based biogas plants in Scotland. Report for Scottish Executive Environment and Rural Affairs Department-ADA/009/06. 2007. http://www.scotland.gov.uk/Resource/Doc/1057/0053041.pdf [62] Chadwick, D. Digestate as a fertilisier-Environmental concers. In: Anaerobic Digestion Stakeholder Workshop. Session IV: Building the Market for Digestate. Exeter University, UK. 2007.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 51 [63] Siebert, S., Thelen-Jungling, M., Kehres, B. Development of quality assurance and quality characteristics of composts and digestates in Germany. 6th International conference ORBIT 2008, Moving Organic Waste Recycling Towards Resource Management and Biobased Economy. Wageningen, The Netherlands. 2008. [64] Nuchdang, S., Phalakornkule, C. Anaerobic digestion of glycerol and co-digestion of glycerol and pig manure. Journal of Environmental Management 101, 164-172. 2012. [65] Torres C. Symbolid thermoeconomic analysis of energy systems. In: Frangopoulos CA, Ed. Exergy, energy system analysis and optimization, from Encyclopedia of life support systems (EOLSS). Oxford: EOLSS Publishers; 2006. [66] Brizuela, E y Romano S.D. Combustión. Departamento de Ingeniería Mecánica y Naval Facultad de Ingeniería, UBA. 2003. [67] Real Decreto 1088/2010, de 3 de septiembre, por el que se modifica el Real Decreto 61/2006, de 31 de enero, en lo relativo a las especificaciones técnicas de gasolinas, gasóleos, utilización de biocarburantes y contenido de azufre de los combustibles para uso marítimo. [68] Well to Wheels analysis of future automotive fuel and powertrains in the European context; TANK TO WHEELS Report. 2007. [69] http://sigpac.aragon.es/visor/ [70] http://www.magrama.gob.es [71] ORDEN de 11 de diciembre de 2008, del Consejero de Agricultura y Alimentación, por la que se designan y modifican las zonas vulnerables a la contaminación de las aguas por nitratos procedentes de fuentes agrarias en la Comunidad Autónoma de Aragón. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA Y ALIMENTACIÓN. [72] ORDEN de 18 de mayo de 2009, del Consejero de Agricultura y Alimentación, por la que se aprueba el III Programa de Actuación sobre las Zonas Vulnerables a la contaminación producida por nitratos procedentes de fuentes agrarias designadas en la Comunidad Autónoma de Aragón. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA Y ALIMENTACIÓN.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 58 Los gases de combustión del motor se conducirán hasta el intercambiador de calor, de flujo cruzado a contracorriente, con el fin de obtener un mejor aprovechamiento energético. Los gases de escape entrarán al intercambiador a una temperatura entre 372 y 425 ºC. A la salida del intercambiador, los gases de combustión ya a baja temperatura, serán conducidos a la atmósfera. 1.2.- Análisis de los parámetros de diseño. A continuación se indican los parámetros de diseño adoptados en el cálculo de los principales elementos de la planta [5]: DESCRIPCIÓN VALOR UNIDAD Purín 60.000 m3/año DIGESTIÓN Purín a digestión 35.020 tm/año ALMACENAMIENTO A FRACCIÓN SÓLIDA Purín digerido a almacenamiento 4.436 m3/año TRATAMIENTO BIOLOGICO Influente 164 m3/día Tabla 14. Parámetros de diseño de la planta según proyecto [5]. 1.3.- Consumos energéticos de la planta. En la tabla 15 que se muestran a continuación, se indican los consumos eléctricos de los distintos equipos para el correcto funcionamiento de la planta. PROCESO EQUIPO kWe DESBASTE 1 Reja automatic circular 0,18 DECANTACIÓN 1ª 1 Bomba 0,25 TRATAMIENTO BIOLOGICO 1 Biorreactor 3 Bombas 110 0,75 DECANTACIÓN 2ª 1 Bomba 0,25 DIGESTIÓN 1 Motor principal 1 Retrovariador 1Rasca-sólidos 1Motor ventilador 15 4 0,25 0,25 PULMON/CENTRIFUGA 2 Cargadores de sólidos 2 Mezcladores 2 Agitadores 5 15 11 Tabla 15. Consumos eléctricos de los equipos de la planta de Capella (Huesca) [5].
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 59 En cuanto al consumo de energía térmica, se considerará que el 40% del calor producido por la planta se destinará al calentamiento de los digestores en el proceso de la digestión anaerobia [5].
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 60 ANEXO II. ESTADO DEL ARTE DE LA CO-DIGESTIÓN ANAEROBIA DE RESIDUOS GANADEROS Y AGROINDUSTRIALES. La digestión anaerobia, también denominada biometanización, es un proceso biológico que ocurre en ausencia de oxigeno, en el cual gracias a la acción de varios grupos de bacterias, la materia orgánica se descompone, dando como resultado dos productos principales: biogás y digestato. Los residuos ganaderos son, en la mayoría de países, los residuos orgánicos que se producen mayor cantidad (en España se producen del orden de cincuenta millones de toneladas de purines [40]) y la digestión anaerobia es un proceso idóneo para llevar a cabo el tratamiento de estos residuos. No obstante, la producción de metano que se obtiene en el proceso no es muy elevada: 11,8m3 CH4/t residuo con purín de porcino, 17,7m3 CH4/t residuo con purín de vacuno y 54,4m3 CH4/t residuo con gallinaza [41]. Para aumentar la producción de biogás es factible añadir otros residuos biodegradables a los residuos ganaderos, tales como residuos orgánicos agroindustriales (co-digestión). La principal ventaja de la co-digestión radica en el aprovechamiento de la sinergia de las mezclas, compensado las carencias de cada uno de los sustratos por separado. Además de incrementar el potencial de producción de biogás, la adición de co-sustratos fácilmente biodegradables confiere una estabilidad adicional al sistema. Este efecto puede deberse a un aumento en la biomasa activa resultando en una mayor resistencia a fenómenos de inhibición. También las partes inorgánicas de algunos de estos co-sustratos, como es el caso de las arcillas y compuestos de hierro, han mostrado un efecto positivo frente a los procesos de inhibición por amonio o sulfhídrico [42]. Además, unifica la gestión de estos residuos al compartir instalaciones de tratamiento, reduciendo los costes de inversión y explotación. Dinamarca cuenta con un larga experiencia en la explotación de plantas de biometanización, pasando de 9 plantas centralizadas construidas en 1987 sólo para el tratamiento de residuos ganaderos, a 30 plantas en el año 2000, que utilizan un sistema de co-digestión de mezclas de diferentes de residuos orgánicos, incluyendo lodos biológicos y FORSU (Fracción Orgánica de Residuos Sólidos Urbanos), con una proporción mayoritaria de residuos ganaderos. La producción media de las plantas danesas que utilizan mezclas fue, para el mes de marzo de 2000, de 41,8 m3 de biogás/t de residuo tratado, con una valor medio en la planta de Vegger de 143 m3 de biogás/t residuos. Mediante datos de 1999, se comprobó que la producción en las
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 61 plantas que trabajaban únicamente con residuos ganaderos fue siempre inferior a 26,6m3 de biogás/t, con un valor medio de 14,5m3 de biogás/t [9]. La evaluación de la experiencia danesa se considera positiva, ya que contribuye al reciclaje de los residuos orgánicos, contribuye a la producción de energía renovable y a disminuir las emisiones de CO2, ofrece una alternativa económica para muchos residuos de la industria alimentaria y lodos de pequeñas plantas depuradoras, contribuye a disminuir los costes de inversión en instalaciones de tratamiento colectivo, permite controlar la calidad de los productos que se aplican al suelo, y crea un marco de control y gestión en la zona de influencia de cada planta. Estas pueden considerarse centros de gestión integral e integrada de residuos orgánicos. Junto a Dinamarca existen otros países como Alemania, Austria y Suecia que se pueden considerar punteros en Europa en la obtención de biogás mediante codigestión anaerobia de residuos ganaderos y agroindustriales. Suecia se ha convertido en el líder mundial en la utilización de biogás como energía renovable para aplicaciones de transporte. Según datos de 2004, aproximadamente 4.500 vehículos funcionan ya con combustible gas, incluyendo la mayoría de autobuses urbanos de sus principales ciudades. El 45% del combustible de estos vehículos procede del biogás mientras que el restante 55% procede del gas natural. Para el año 2020 se prevé que aproximadamente 200.000 vehículos estén operando con biogás. Las últimas implementaciones realizadas en Suecia, aparte de la mayor incorporación de co-sustratos de reacción, están enfocadas en el aumento de los índices de producción mediante pre-tratamientos térmicos, aplicados sobre todo a subproductos animales ó residuos ricos en líquidos. El aprovechamiento energético de los residuos ganaderos tiene un doble efecto positivo: reducciones de las emisiones de gases de efecto invernadero y reducciones de las emisiones equivalentes de vida a la fuente fósil que se sustituye. Este doble efecto solo se consigue si se optimiza tanto la producción como el uso de la energía obtenida en forma de biogás. 2.1.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de la industria aceitera. Experimentalmente se ha comprobado que la co-digestión de alpechín con purín de porcino es un método económicamente rentable al no ser necesario el aporte de nutrientes ó la adición de reactivos químicos para mejorar la capacidad tampón [43].
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 62 Sin embargo, es necesario conocer la cantidad óptima de purín para realizar la codigestión de forma efectiva. Un modelo cinético desarrollado para el proceso de codigestión de mezclas de alpechín y purín de cerdo establece que el proceso resulta estable cuando se tratan de mezclas que contienen entre el 10 y el 25% de purín [44]. 2.2.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de la industria hortofrutícola. Los restos de frutas y vegetales se generan en grandes cantidades tanto en mercados como en industrias transformadoras, como por ejemplo, la industria de zumos. La composición de estos residuos hace que tengan un alto potencial para producir metano, pero deben ser usados con cuidado, alimentándolos al proceso a un ritmo controlado. En la tabla 16 se recoge el potencial de producción de metano de diferentes frutas y vegetales, obtenidos mediante ensayos BMP – Biochemical Methane Potencial– [45]. Sustrato Sólidos Volátiles (% de Sólidos Totales) Producción de Metano (m3/t SV alimentado) Mango 95,7 496 Plátano 91,2 292 Naranja 93,5 479 Mandarina 94,6 471 Limón 96,8 473 Piña 93,9 356 Patata 90,9 267 Tabla 16. Producción de metano en residuos de frutas y vegetales. En esta línea de investigación, Molinuevo-Salces et al [46] también comprobaron que la co-digestión con una mezcla de restos de vegetales procesados (judías verdes, maíz, zanahorias y puerros -25:25:25:25% en MS-) al 50%, mejoraba en 3 veces la producción de metano con tiempos de retención de 25 días. Existen algunas plantas que operan a escala industrial en las que se co-digieren residuos ganaderos con restos de residuos vegetales y frutas, siendo los restos de patatas los residuos agroindustriales que más se utilizan. En la tabla 17 se reúne la información obtenida sobre dichas plantas.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 63 PLANTA DESCRIPCIÓN Miralcamp (Lérida-España) Purín de cerdo Co-sustratos: aceite de soja, fangos de depuradora, residuos de mermeladas y residuos de patata. 50 t mezcla/día (3,5% m.s.), TRH de 30 días, 35ºC 40 m3 biogás/t mezcla, > 65% de CH4 Vila-Sana (Lérida-España) Purín de cerdo (80%) Co-sustratos (20%): Residuos orgánicos de la zona como derivados de alcohol, derivados de aceites vegetales, lodos de depuradora de aguas industriales, derivados de frutas, cebolla y leche. 30,7 t mezcla/día, TRH de 15 días, 52-55ºC 71,4 m3 biogás/t mezcla Tabla 17. Plantas industriales de biometanización que co-digieren residuos ganaderos y residuos hortofrutícolas [9]. 2.3.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos de naranja. La utilización de residuos cítricos en la co-digestión anaerobia podría contribuir a solucionar el problema de gestión de estos residuos en zonas de elevada producción (principalmente el Levante español). Sin embargo, la presencia de aceites esenciales en la corteza dificulta el proceso por su efecto inhibidor. Estudios de laboratorio [47], han mostrado que el efecto inhibidor depende de la concentración de aceites esenciales, ya que se reduce este efecto cuando la concentración en el digestor baja de 0,075 g/L. la concentración de aceites esenciales puede reducirse aplicando pretratamientos al residuo de naranja. Existen datos sobre la co-digestión anaerobia de estiércol de vacuno y restos de procesado de naranja obtenidos en un estudio realizado a escala piloto en 1995 en India [48], en la que se estudiaba el efecto del pre-tratamiento con diferentes hongos sobre la producción del biogás. Se comprobó que el pre-tratamiento realizado aumento la biodegradabilidad de los compuestos poliméricos presentes y, de esta manera, el contenido de azucares y proteínas. Una alimentación de residuos del procesado de naranja con un 8% (peso seco) de residuo pre-tratado, aumento los niveles de producción de biogás, alcanzándose una producción de 500-600 m3 biogás/t SV (equivalente a 450-540 m3 biogás/t residuo de naranja).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 64 2.4.- Co-digestión de residuos ganaderos y cultivos energéticos. Los cultivos energéticos presentan propiedades que los hacen muy buenos sustratos en la obtención de biogás mediante digestión anaerobia, hasta el punto de que existen plantas industriales que realizan la digestión anaerobia solamente con estos cultivos. La cantidad de biogás generado de un sustrato en particular depende fuertemente de la composición del sustrato. La composición típica de un cultivo energético (paja de trigo, de maíz,…), está compuesta por carbohidratos, proteínas, grasas y agua. En la tabla 18 se recogen valores de producción de biogás de los diferentes cultivos energéticos según datos de Tekniska Verken, empresa constructora de una de las mayores plantas de tratamiento anaerobio de cultivos energéticos (ubicada en Linköping, Suecia). COMPONENTE Producción de biogás (m3N/t) Contenido en CH4 (%) Grasas 1390 69 Proteínas 650 78 Carbohidratos 850 50 Tabla 18. Biogás producido durante la completa degradación de 1 kg de sustrato (Tekniska Verken) [49]. Estimaciones realizadas sobe la capacidad de algunos cultivos para producir electricidad, muestran que con 1 ha de maíz (alrededor de 50tn) puede producirse entre 2-2,5kWe, 1ha de pasto (alrededor de 25tn) entre 0,8-1,2kWe, mientras que una vaca (alrededor de 18,25tn/año) genera alrededor de 0,2kWe [50]. Por otro lado, la paja de cereales también es un buen co-sustrato para la digestión anaerobia, ya que una co-digestión de purín de cerdo con un 1% de paja, permite incrementar la producción de metano en un 10% [8]. En la tabla 19 se recogen los datos técnicos de algunas de las plantas que operan a escala industrial y utilizan como sustratos para la digestión anaerobia, residuos ganaderos y cultivos energéticos. En estas plantas el biogás se quema en motores de cogeneración, obteniendo electricidad y calor, mientras que la fracción líquida del digestato se emplea como fertilizante.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 65 ROHKRAFT (baja Austria) ARCHEA (Alemania) JUHNDE BIOENERGY VILLAGE (Alemania) CO-SUSTRATOS Purín de cerdo (30%) con lixiviados de los silos cultivos. Cultivos energéticos y restos vegetales (70%). Purín de cerdo; 12,5% Hierba fresca; 12,5% Silo; 75% Vacuno; 51% Silo hierba y maíz; 42% Maíz grano; 7% CAPACIDAD DE TRATAMIENTO 50 t/día 10 t/día 55-60 t/día PRODUCCIÓN DE BIOGÁS 11008 m3/día (220 m3/t) >2000 m3/día (>200 m3/t) 7200-8400 m3/día (131-140 m3/t) CONTENIDO EN CH4 DEL BIOGAS 52-55% 50% PRODUCCIÓN ENERGÉTICA Elect: 8030 MWh/año Calor: 8223 MWh/año Elect:240 kW Calor: desconocido Elect: 680 kW Calor: 700 kW Tabla 19. Datos técnicos de plantas de biometanización que co-digieren residuos ganaderos y cultivos energéticos [9]. 2.5.- Co-digestión de residuos ganaderos y residuos animales. Los subproductos animales y los residuos de matadero presentan propiedades que los hacen aptos para ser usados como co-sustratos en la co-digestión anaerobia con residuos ganaderos (alto contenido graso). La Unión Europea exige la pasteurización o la esterilización de los residuos procedentes de matadero cuando estos vayan a ser utilizados en tierras agrícolas. Respecto a la existencia de plantas industriales que obtienen biogás a partir de la codigestión anaerobia de residuos ganaderos y animales, Dinamarca aparece como el país que cuenta con un mayor número de plantas, con la particularidad de que en ellas se co-digiere residuos ganaderos y mezclas de residuos animales procedentes de mataderos y de la industria del procesado de pescado. Suecia, Alemania, Polonia y España cuentan también con plantas en operación en los que el proceso de codigestión anaerobia se realiza con este tipo de residuos. En España existe una planta ubicada en la Junquera (Lérida). 2.5.1.- Co-digestión con residuos ganaderos y residuos de matadero. Son numerosas las investigaciones realizadas sobre digestión anaerobia de residuos animales generados en mataderos, aunque usados como único sustrato en el proceso. Respecto a la higienización exigida en la UE para los residuos de matadero, en [51] se estudió el efecto de este pre-tratamiento en una mezcla de residuos animales procedentes de mataderos (harinas de carne, rumen, estómago y contenido estomacal) y residuos alimentarios. Se observó que con este pre-tratamiento la
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 66 producción de biogás es 4 veces mayor cuando se higieniza la mezcla a tratar (1140 m3/tSV frente a 310 m3/tSV obtenido con mezcla sin higienizar). Según las investigaciones llevadas a cabo por Hejnfelt et al. 2009 [52], la co-digestión de purín con un 5% de subproductos de matadero de cerdo mejora la producción de metano en un 40% respecto al purín sólo. A continuación, en la tabla 20 se muestra la producción de metano a partir de la digestión anaerobia de diferentes subproductos animales. TIPOLOGÍA PRODUCCIÓN DE CH4 (m3/t) Sangre 58 Intestino y su contenido 33 Harinas de car y huesos 305 Subproductos animales pasteurizados 225 Subproductos animales no pasteurizados 56 Mezclas de matadero 160 Residuos de matadero 130 Tabla 20. Producción de metano a partir de la digestión anaerobia de diferentes subproductos animales [9]. En los mataderos, los animales son faenados para separar las partes comestibles y los efluentes, los cuales contienen sangre, estiércol, pelos, grasas, huesos, proteínas y otros contaminantes solubles. Dichos efluentes tienen un problema adicional, la gran variabilidad en la composición y en la concentración, las cuales pueden variar aparte de un día para otro, en el curso de un mismo día. La composición media de efluente procedente de faena de cerdo es: ST 4000mg/l; SV 2000mg/l; DQO 2500mg/l; DBO5 1000mg/l; nitrógeno total 250mg/l; fósforo 25mg/l; aceites y grasa 150mg/l [53]. Por otro lado, las sinergias de los residuos matadero con otros sustratos tal como residuos industriales y restos de restaurante, de frutas y de desechos vegetales también mejoraba la producción de metano. Se comprobó que una mezcla con un 66% de purín de cerdo, un 17% de residuos industriales (87% grasas y 13% residuos de la industria alimenticia), un 12% de residuos de matadero (50% fangos, 25% rumen y 25% estiércol) y un 5% de restos de restaurantes, de frutas y de derechos vegetales llegaba a producir un 84,46m3 CH4/tn de mezcla [11].
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 67 Como ya se ha indicado, son numerosas las plantas que operan a escala industrial que obtienen biogás a partir de mezclas de residuos ganaderos y residuos de matadero. En la tabla 21 se recogen los datos técnicos de algunas de ellas. JUNEDA-LÉRIDA (España) LAHOLM (Suecia) PAWLOWKO (Polonia) CONSTRUCTOR TRACJUSA Laholm Biogas AB CO-SUSTRATOS Cerdo Lodos de depuradora de matadero Ganaderos; 60% (79% cerdo, 21% vacuno) Matadero; 40% Ganaderos; 87% (cerdo) Matadero; 13% PRE-TRATAMIENTO Trituración y desarenado Higienización (70ºC, 1 hora) Higienización (70ºC, 1 hora) CAPACIDAD DE TRATAMIENTO 300 t/día 150 m3 mezcla/día PRODUCCIÓN DE BIOGÁS 6000-7500 m3/día (20-25 m3/t mezcla) 9000 m3/día (60 m3/ m3 mezcla) 1200 m3/día + 199 m3 (almacen.) CONTENIDO EN CH 4 DEL BIOGÁS >65% 75% 65% PRODUCCIÓN ENERGÉTICA 16,3 MW 20-30 GWh/año 1,4 (Elect) + 2,6 (calor) GWh/año Tabla 21. Datos técnicos de plantas de biometanización que co-digieren residuos ganaderos y residuos de matadero [8]. 2.5.2.- Co-digestión con residuos ganaderos y residuos pesqueros. También son numerosos los datos experimentales obtenidos en investigaciones realizadas a escala de laboratorio sobre el proceso de digestión anaerobia utilizando como sustrato residuos de la industria pesquera, ya sea como sustrato único o con otros sustratos como residuos ganaderos. En la tabla 22 se recogen datos de producción de biogás a partir de diferentes residuos de la industria pesquera y con diferentes condiciones de operación. ALIMENTACIÓN COMPOSICIÓN ALIMENTACIÓN OPERACIÓN PROD. GAS % CH4 Residuos de matadero, industriales y estiércol de cerdo 9,7-10,3% ST C/N: 8-11 CSTR 35ºC 800-1000m3 CH4/t SV 68,2-70,5 97% estiércol de cerdo, 2% residuo de aceite de pescado, 1% bentonita 30ºC HRT: 15 d 184 m3 CH4/t SV 65 Tabla 22. Producción de biogás a partir de diferentes residuos pesqueros en procesos de codigestión con otros sustratos [12] y [54]. En la tabla 23 que se muestra a continuación, se recogen los datos técnicos de plantas ubicadas en Dinamarca que operan a escala industrial y en la que co-digieren residuos ganaderos y residuos procedentes de la industrial del pescado. En todas, además de
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 74 Una vez establecido el ambiente de referencia en base al cual se realizará el análisis exergético del presente trabajo, a continuación se van a ir analizando cada uno de los distintos flujos de la planta objeto de estudio, los cuales se indican a continuación: - Flujos de purín. Para caracterizar los flujos de purín se debe analizar la composición de éstos, es decir, calcular la cantidad de DQO, de nitrógeno y de fósforo total presente en cada uno de ellos. o La demanda química de oxígeno (DQO). La DQO es un parámetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida, es decir, en el ensayo de este parámetro se emplea un agente químico fuertemente oxidante en medio ácido para la determinación del equivalente en oxigeno de la materia orgánica al oxidarse. o El nitrógeno total. El contenido total de nitrógeno está compuesto por nitrógeno orgánico y amoniacal. El contenido del nitrógeno orgánico se determina mediante con el método Kjeldahl. En este método de análisis la nuestra acuosa se hierve con el objeto de eliminar el amoniaco, para dar paso al proceso de digestión en el que el nitrógeno orgánico se transforma en amoniaco. El nitrógeno Kjeldahl total se determina del mismo modo que el nitrógeno orgánico, con la diferencia de que no se elimina el amoniaco presente antes del proceso de digestión. Por lo tanto, el nitrógeno Kjeldahl total incluye ambas formas del nitrógeno, el amoniacal y el orgánico [58]. o El fosforo total. La forma de encontrar el fósforo en el purín de cerdos es P2O5 [5] Y [59]. Figura 4. Esquema de los flujos de purín que forman parte de la planta de tratamiento de purines de Capella.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 75 - Flujos asociados con los procesos de valorización de los fangos. Para caracterizar este tipo de flujos se analizará la cantidad de biogás producido en cada uno de los casos a analizar. Figura 5. Flujo asociado con el proceso de valorización de fangos. - Flujos energéticos. Para caracterizar los flujos energéticos (eléctricos y térmicos) se debe analizar la energía consumida por la planta para su correcto funcionamiento, así como, si una vez suplicadas las propias necesidades, analizar si se genera energía sobrante para destinarla a la venta. Figura 6. Esquema de los flujos energéticos que forman parte de la planta de tratamiento de purines de Capella. - Flujos de residuos añadidos en el proceso de tratamiento. Para caracterizar este tipo de flujos se analizara la composición de cada uno de los sustratos a añadir en cada caso para llevar a cabo la codigestión. Figura 7. Flujos de residuos para co-digestión.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 76 3.1.- Análisis de los flujos de la planta de Capella sin co-digestión. A continuación se van a ir analizando los distintos flujos de los distintos procesos para el funcionamiento de la planta de Capella sin co-digestión, es decir, sin añadir ningún sustrato que mejore la producción de biogás respecto a los datos de diseño. 3.1.1.- Flujos de purín. En la memoria del proyecto de la planta de Capella elaborada por Sodemasa [5], se recoge la siguiente información respecto a cada unos de los distintos flujos de purín que componen la planta de tratamiento: FLUJOS DE PURÍN m3/año Tn/año Sólidos en Suspensión (tn/año) 1 60.000 61.095 1.680 2 55.909 55.531 1302 3 40.037 40.309 456 4 70.564 70.564 856 5 55.564 55.564 226 6 15.495 15.600 846 7 15.057 15.000 360 8 4.468,91 4.090,91 378 9 34.300 34.691 1109 10 3.105 4.436 979 11 30.255 30.255 130 Tabla 28. Datos relativos a los caudales de los flujos de purín reflejados en la memoria de la planta [5]. Análisis de la Demanda Química de Oxígeno (DQO). Para calcular la DQO de cada unos de los flujos, en la memoria del proyecto de la planta figura la siguiente información [5]: Flujo DQO (kg/año) DQO (mg/l) 1 (Purín virgen) 3.000.000 50.000 5 (Clarificado a balsa) 222.256 4.000 Tabla 29. Datos relativos a la DQO. Para poder calcular la cantidad de la DQO presente en el resto de flujos de purín, en primer lugar se determinará la cantidad de DQO que es eliminada con el biogás, es
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 77 decir, por el flujo 12, teniendo en cuenta que la DQO eliminada en el biogás se correspondería con la DQO obtenida en forma de metano (DQO del CO2 es nula), lo cual significa 2,857kg DQO/m3 CH4, ó 0,35m3 CH4/kg DQO eliminada [60]. Flujo Metano (m3) DQO (kg/año) 12 400.000 1.142.800 Tabla 30. Demanda Química de Oxigeno eliminada con el biogás. Por lo tanto, al ser la DQO un parámetro conservativo, es decir, la suma de las DQO de entrada debe ser igual a la suma de las DQO de salida [60], se determinará la cantidad de ésta en cada uno de los flujos de purín restantes en función de los sólidos en suspensión presentes en cada uno de los flujos, al ser estos valores conocidos y al encontrarse la mayor parte de la materia orgánica en dichos sólidos. Por otro lado, se debe tener el cuenta que tanto en el digestor como el tratamiento biológico se elimina entre un 40 y 60% de la DQO [5] (según información facilitada por Sodemasa, en el digestor de la planta de Capella se elimina un 50% de la DQO). Flujo DQO (kg/año) DQO (mg/l) 1 (Purín virgen) 3.000.000 50.000 2 2.454.573 43.903 3 1.233.855 30.611 4 741.710 10.511 5 (Líquido a balsa) 222.256 4.000 6 1.220.718 78.251 7 519.454 34.630 8 545.427 133.326 9 1.142.800 32.942 10 742.820 167.452 11 399.980 13.220 Tabla 31. Demanda Química de Oxígeno calculada en cada uno de los flujos de purín (se obtiene una reducción de la DQO en el tratamiento biológico del 40% aproximadamente). Análisis del nitrógeno total (NKT) Para calcular el nitrógeno total de cada uno de los flujos, en la memoria del proyecto de la planta figura la siguiente información [5]:
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 78 Flujo NKT (kg/año) NKT (mg/l) 1 (Purín virgen) 420.000 7.000 3 (Efluente Dec.1ª) 197.514 4.900 5 (Líquido a balsa) 77.790 1.400 Tabla 32. Datos relativos al nitrógeno total. Para poder calcular la cantidad de nitrógeno total presente en el resto de flujos de purín, se considerará, por un lado, que el digerido (flujo tras la digestión, Flujo 9) contiene 4kg de nitrógeno total por cada kg de materia fresca [61] y [62]. Flujo NKT (kg/año) NKT (mg/l) 9 (Digerido) 138.764 4000 Tabla 33. Datos relativos al cálculo del nitrógeno total en el flujo 9. Por otro lado, según Siebert [63], en un estudio llevado a cabo a varios sustratos orgánicos se pudo concluir que en los digeridos sólidos (Flujo 10), el nitrógeno total representa el 2,9% de la materia seca. Flujo (Tn) Materia Seca (tn) NKT (kg/año) en la MS 10 (Sólido a almacenaje) 3.105 776,25* (25%) 22.511 Tabla 34. Datos relativos al cálculo del nitrógeno total en la Materia Seca del flujo 10. (*El 25% del sólido a almacenaje es Materia Seca [4]). Por lo tanto, el nitrógeno total restante procedente del flujo 9, es decir, el nitrógeno total del flujo 9 menos el contenido en la materia seca, se distribuirá proporcionalmente al caudal entre el flujo 11 y de la parte acuosa del flujo 10. Flujo (Tn) NKT (kg/año) 11 30.255 107.945 10 (agua) 2.328,75 8.306 Tabla 35. Datos relativos al cálculo del nitrógeno total en el flujo 11 y en el agua del flujo 10. Finalmente, teniendo en cuenta el caudal volumétrico de los flujos 10 y 11, se determinará el nitrógeno total el mg/l en cada uno de estos flujos:
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 79 Flujo (m3) NKT (kg/año) NKT (mg/l) 10 4.435 30.817 (22.511+8.306) 6.947 11 30.255 107.945 3.567 Tabla 36. Datos relativos al cálculo del nitrógeno total en el flujo 11 y en flujo 10. En la figura 7 se puede observar, a modo de resumen, la distribución del Nitrógeno del flujo procedente de la digestión anaerobia (flujo 9) una producida la decantación centrifuga y, por lo tanto, separada la parte solida (flujo 10) de la líquida (flujo 11) del digerido. Figura 7. Distribución del Nitrógeno tras la decantación centrifuga. Por lo tanto, al ser el nitrógeno total un parámetro conservativo, se determinará la cantidad de este parámetro en cada uno de los flujos de purín restantes, teniéndose en cuenta su reducción tanto en el digestor como el tratamiento biológico [4]. Flujo NKT (kg/año) NKT (mg/l) 1 (Purín virgen) 420.000 7.000 2 291.114 5.207 3 (Efluente Dec.1ª) 197.514 4.900 4 100.290 1.421 5 (Líquido a balsa) 77.790 1.400 6 93.600 6.000 7 22.500 1.500 8 128.886 31.505 9 (Digerido) 138.764 4000 10 30.817 6.947 11 107.945 3.567 Tabla 37. Nitrógeno total en cada uno de los flujos de purín. (Según los cálculos anteriores, en el digestor se produce un reducción de 56%, mientras que en el tratamiento biológico la reducción es del 66%, reducciones dentro de los rangos establecidos en [4]).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 80 Análisis del fósforo total. Para calcular el fósforo total de cada unos de los flujos, en la memoria del proyecto de la planta figura la siguiente información: Flujo Fósforo (kg/año) Fósforo (mg/l) 1 (Purín virgen) 90.000 1.500 5 (Líquido a balsa) 25.000 450 Tabla 38. Datos relativos al fósforo total. Datos obtenidos en la memoria de la planta. Para poder calcular la cantidad de fósforo presente en el resto de flujos de purín procederemos se forma similar al cálculo del nitrógeno total, considerándose por un lado, que el digerido (flujo tras la digestión, Flujo 9) contendrá 2kg de fosforo total por cada kg de materia fresca [61] y [62], por lo tanto obtenemos: Flujo Fósforo (kg/año) Fósforo (mg/l) 9 (Digerido) 68.600 1.977 Tabla 39. Datos relativos al cálculo del fósforo en el flujo 9. Del mismo modo, según Siebert [63], en un estudio llevado a cabo a varios sustratos orgánicos se pudo concluir que de los digeridos sólidos (Flujo 10), el fósforo estaba presente en el 1,3% de la materia seca, por lo tanto, aplicado este dato a la planta objeto de este trabajo, obtenemos lo siguiente: Flujo (Tn) Materia Seca (tn) Fósforo (kg/año) en la MS 10 (Sólido a almacenaje) 3.105 776,25 (25%) 10.091 Tabla 40. Datos relativos al cálculo del fósforo en la Materia Seca del flujo 10. Por lo tanto, el fósforo restante procedente del flujo 9, es decir, el fósforo del flujo 9 menos el contenido en la materia seca, se distribuirá proporcionalmente al caudal del flujo 11 y de la parte acuosa del flujo 10. Flujo (Tn) Fósforo (kg/año) 11 30.255 54.328 10 (agua) 2.328,75 4.181 Tabla 41. Datos relativos al cálculo del fósforo en el flujo 11 y en el agua del flujo 10.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 81 Finalmente, teniendo en cuenta el caudal volumétrico de los flujos 10 y 11, se determinará el fósforo el mg/l en cada uno de estos flujos: Flujo (m3) Fósforo (kg/año) Fósforo (mg/l) 10 (Sólido a almacenaje) 4.435 14.272 (10.091+4.181) 3.217 11 30.255 54.328 1.795 Tabla 42. Datos relativos al cálculo del fósforo total en el flujo 11 y en flujo 10. En figura 8 se puede observar, a modo de resumen, la distribución del Fósforo del flujo procedente de la digestión anaerobia (flujo 9) una producida la decantación centrifuga y, por lo tanto, separada la parte solida (flujo 10) de la líquida (flujo 11) del digerido. Figura 8. Distribución del Fósforo tras la decantación centrifuga. Por lo tanto, al ser el fósforo un parámetro conservativo, se determinara la cantidad de este parámetro en cada uno de los flujos de purín restantes, teniéndose en cuenta su reducción en el tratamiento biológico y que no se reduce nada en el digestor [4] Flujo Fósforo (kg/año) Fósforo (mg/l) 1 (Purín virgen) 90.000 1.500 2 45.250 809 3 (Efluente Dec.1ª) 29.650 735 4 33.250 471 5 (Líquido a balsa) 25.000 450 6 15.600 1000 7 8.250 550 8 44.750 10.938 9 (Digerido) 68.600 1.977 10 14.272 3.217 11 54.328 1.795 Tabla 43. Fósforo total en cada uno de los flujos de purín. (Según los cálculos anteriores, en el tratamiento biológico la reducción es del 60%, reducción dentro de los rangos establecidos en [4]).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 82 3.1.2.- Flujos asociados con los procesos de valorización de los fangos. Biogás. Se ha estimado la composición del biogás a partir de los datos aportados en la memoria de la planta (60% CH4 y 35%CO2) [5]. Datos Biogás Composición volumétrica % CH4 60 CO2 35 H2S 2 N2 1 H2 0,5 O2 0,5 Tabla 44. Datos de la composición del biogás estimados a partir de los datos de la memoria de la planta. Para llevar los cálculos exergéticos, se considerara que el gas entra al motor a una temperatura de 300K y que éste es comprimido hasta 1,5bar. Por otro lado, en la memoria del proyecto de la planta figura la siguiente información relativa al biogás producido: Biogás producido (m3/año) Metano producido (m3/año) (60% del biogás) Poder calorífico Energía anual producida 666.667 400.000 3.988.000 kWh/año (9,97 kWh/m3 CH4) 189 KWe/año (Rto eléctrico:38%) 200 KWc/año (Rto térmico:40%) Tabla 45. Datos relativos a la energía generada por la planta de Capella [4]. 3.1.3.- Flujos energéticos. Los flujos energéticos pueden ser de dos tipos; flujos eléctricos y flujos térmicos. Flujos eléctricos. Los flujos eléctricos pueden ser debidos, por un lado, a los consumos eléctricos necesarios para el funcionamiento de la planta (flujos del 13 al 17), y, por otro lado, al flujo de la energía eléctrica sobrante de la planta y destinada a la venta de la misma (flujo 19).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 83 Consumos de la planta. Los flujos debidos a los consumos eléctricos de la planta para su correcto funcionamiento son los siguientes: Flujo KW PROCESO Equipo 13 0,18 DESBASTE 1 Reja automatic circular 14 0,25 DEC. 1ª 1 Bomba 15 110,75 TRATAMIENTO BIOLOGICO 1 Biorreactor (110 kW) 3 Bombas (3x0,25kW) 16 0,25 DEC. 2ª 1 Bomba 17 19,5 PULMÓN/CENTRIFUGA 1 Motor principal (15kW) 1 Retrovariador (4kW) 1Rasca-sólidos (0,25kW) 1Motor ventilador (0,25kW) 18e 57 DIGESTOR 2 Cargadores de sólidos (2x2,5kW) 2 Mezcladores (15kW) 2 Agitadores (11kW) Tabla 46. Datos relativos a los consumos eléctricos de la planta de Capella [5]. Energía eléctrica exportable de la planta. Tal y como puede verse en la tabla 45, la planta de Capella está diseñada para que genere 189kW eléctricos sin practicarse ningún tipo de co-digestión. Por lo tanto, teniendo en cuenta que los auto-consumos eléctricos para el correcto funcionamiento de la planta sin co-digestión son de 188kW, se puede comprobar que este caso tan sólo sobraría 1kW para la venta. Flujo kW 19e (Electricidad exportable) 1 Tabla 47. Electricidad destina a venta. Flujos térmicos. Los flujos térmicos, al igual que los eléctricos, pueden ser debidos, por un lado, a los auto-consumos térmicos necesarios para el funcionamiento de la planta, calentamiento de los digestores (flujo 18), y, por otro lado, al flujo de la energía térmica sobrante de la planta y destinada o bien a ser exportada o bien al almacenaje de la misma (flujo 19).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 90 En definitiva, la DQO de los flujos 9 y 10 en el caso de co-digestión con paja de trigo será la mostrada a continuación: Flujo DQO (mg/l) DQO (kg/año) 9 40.552 1.374.600 10 192.194 974.620 Tabla 64. Demanda Química de Oxigeno de los flujos 9 y 10 en la co-digestión con glicerina. En este caso, la reducción de la DQO en el digestor sería del 67%. Por otro lado, teniendo en cuanta la variación en los caudales de los flujos 9 y 10, se obtendrán los siguientes valores específicos de nitrógeno y fósforo total: Flujo NKT (kg/año) NKT (mg/l) P (kg/año) P (mg/l) 9 (Digerido) 138.764 3.928 68.600 1.491 10 30.817 6.077 14.272 2.814 Tabla 65. Nitrógeno y fósforo total de los flujos 9 y 10 en la co-digestión con glicerina. Teniendo en cuenta que la glicerina no necesita un pre-tratamiento especifico, a continuación se indican los flujos eléctricos para este caso de co-digestión con glicerina, teniéndose en cuenta la incorporación de la máquina trituradora y el aumento de electricidad generada respecto al caso sin co-digestión. Flujo kW 19e (Electricidad exportable) 285 (473 -188) Tabla 66. Flujo eléctrico exportable en la co-digestión con glicerina. Del mismo modo, los flujos térmicos serán los siguientes: Flujo kW 17c (Autoconsumo) 200 19c (Calor exportable) 300 Tabla 67. Flujos térmicos en la co-digestión con glicerina (40% autoconsumo [5]).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 91 3.2.3.- Co-digestión con mezcla de residuos. Tal y como se ha indicado en el Anexo II, la co-digestión de un 66% de purín de cerdo, un 17% de residuos industriales (grasa), un 12% de residuos de matadero y 5% de residuos vegetales (paja de trigo), puede producir 84m3CH4/tn de mezcla aproximadamente [11]. Por lo tanto, teniendo en cuenta que en la planta de Capella entran al digestor 35.020tn de purín, en este caso se considerará una adición de 9.020tn de residuos industriales, de 6.367tn de residuos de matadero y de 2.653tn de residuos vegetales, obteniéndose, por lo tanto, 4.457.040m3 de CH4. DATOS DE PARTIDA DE LA CO-DIGESTIÓN CON GLICERINA (66% purín; 17% Res. Ind.; 12% Res. Matadero; 5% Res. Veg) Entrada al digestor: 35.020 tn de purín 9.020 tn de Res. Industrial 6.367 tn de Res. Matadero 2.653 tn de Res. Vegetales Producción de CH4: 4.457.040 m3 (7.428.400 m3 de biogás) Poder calorífico: 44.436.689 kWh Energía eléctrica producida: 2.110 kW Energía térmica producida: 2.221 kW Tabla 68. Datos relativos a la co-digestión de mezcla de residuos industriales, de matadero y de vegetales. En cuanto a los parámetros relevantes de cada uno de los sustratos añadidos para poder determinar posteriormente su exergía, a continuación se indican las consideraciones oportunas: - En cuanto a los residuos industriales, se consideran que todos ellos son grasas. Por lo tanto, teniendo en cuenta la composición de las grasas, podemos determinar la DQO de las mismas (3kg DQO/kg grasa), no obstante dicho valor corresponde con grasas sólida por lo que se estimará un 80% de dicho valor al desconocerse el tipo y estado de las grasas utilizadas. Flujo (Tn) DQO (kg/año) 20_grasas 9.020 21.648.000 Tabla 69. DQO correspondiente al flujo de grasa que se introduce al digestor. - En cuanto a los residuos matadero, la composición de los efluentes de matadero porcino es la siguientes [31]:
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 92 FLUJO 20_matadero Ud. VALORES DQO mg/l 2.500 DBO mg/l 1.250 Materia en Suspensión mg/l 700 Nitrógeno Total mg/l 150 Fósforo Total mg/l 25 Tabla 70. Caracterización de los efluentes porcinos de matadero. Flujo (Tn) DQO (kg/año) 20_matadero 6.367 15.917 Tabla 71. DQO correspondiente al flujo de residuos de matadero que se introduce al digestor. - Finalmente, en cuanto a los residuos vegetales, se consideran que todos ellos son paja de trigo. Por lo tanto, teniendo en cuenta la composición de la paja, podemos determinar la DQO de las misma igual que en el caso de la codigestión con paja de trigo (1,105kg DQO/kg paja). Flujo (Tn) DQO (kg/año) 20_paja 2.653 2.931.565 Tabla 72. DQO correspondiente al flujo de paja de trigo que se introduce al digestor. De forma similar al cálculo de la DQO eliminada con el biogás realizado en el caso sin co-digestión, calcularemos la DQO del flujo 12 para este caso (2,857kg DQO/m3 CH4, ó 0,35m3 CH4/kg DQO eliminada [60]). Flujo Metano (m3) DQO (kg/año) 12 4.457.040 12.733.763 Tabla 73. Demanda Química de Oxigeno eliminada en el biogás en la co-digestión con mezcla de residuos. Por lo tanto, conociendo la DQO eliminada con el biogás y la DQO que entra al digestor, por diferencia entre ellas, se podrá calcular la del flujo 9 y, por lo tanto, la del flujo 10.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 93 DQO que entra al digestor: Flujo 6: 1.220.718 kg Flujo 7: 519.454 kg Flujo 8: 545.427 kg Flujo 20_grasas: 21.648.000 kg Flujo 20_matadero: 15.917 kg Flujo 20_paja: 2.931.565 kg Tabla 74. Demanda Química de Oxigeno que entra al digestor en la co-digestión con mezcla de residuos. Teniendo en cuenta la mayor producción de biogás (7.428.400m3), el cual pesa 8.022tn, el peso de la mezcla añadida (18.040tn) y estimando que se mantiene constate la densidad de de los flujos 9 y 10, los caudales de dichos flujos en este caso, serán los siguientes: Flujo Tn m3 9 (Digerido) 45.038 (35.020 tn purín+18.040 tn mezcla – 8.022tn biogás) 45.957 10 10.991 15.702 (45.957m3 flujo 9-30.255m3 flujo 11) Tabla 75. Caudales de los flujos 9 y 10 en la co-digestión con mezcla de residuos. En definitiva, la DQO de los flujos 9 y 10 en el caso de co-digestión con paja de trigo será la mostrada a continuación: Flujo DQO (mg/l) DQO (kg/año) 9 307.838 14.147.319 10 875.515 13.747.339 Tabla 76. Química de Oxigeno de los flujos 9 y 10 en la codigestión con mezcla de residuos. En este caso, la reducción de la DQO en el digestor sería del 47%. Por otro lado, teniendo en cuanta la variación en los caudales de los flujos 9 y 10, se obtendrán los siguientes valores específicos de nitrógeno y fósforo total: Flujo NKT (kg/año) NKT (mg/l) P (kg/año) P (mg/l) 9 (Digerido) 138.764 3.019 68.600 1.492 10 30.817 1.962 14.272 909 Tabla 77. Nitrógeno y fósforo total de los flujos 9 y 10 en la co-digestión con mezcla de residuos.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 94 A continuación se indican los flujos eléctricos para este caso de co-digestión con la mezcla de residuos industriales, de matadero y de vegetales, teniéndose en cuenta tanto la incorporación de una máquina trituradora de paja (45kW) como de un higienizador (0,25kW), así como el aumento de la electricidad generada respecto al caso sin co-digestión. Flujo kW 18e (Autoconsumo eléctrico) 102,25 19e (Electricidad exportable) 1876,75 (2110 -188-45-0,25) Tabla 78. Flujos eléctricos en la co-digestión con mezcla de residuos. Del mismo modo, los flujos térmicos serán los siguientes: Flujo kW 18c (Autoconsumo térmico) 1110,5 19c (Calor exportable) 1110,5 Tabla 79. Flujos térmicos en la co-digestión con mezcla de residuos. Al incorporar el higienizador, el autoconsumo térmico de la planta aumentará al 50% (dato facilitado por Sodemasa). 3.3.- Resumen de resultados. A continuación se muestran, a modo de resumen, los parámetros más importantes de cada uno de los flujos que forman parte de la planta de Capella (Huesca) para los cuatro casos analizados, es decir, Caso base (sin co-digestión), con co-digestión de paja de trigo, de glicerina y de mezcla de diversos residuos.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 95 - CASO I. Tratamiento de purines sin Co-Digestión. FLUJOS DE PURÍN Flujo m (kg/s) Densidad (kg/m3) DQO (mg/l) NKT (mg/l) P (mg/l) bMI (kJ/kg) bMO (kJ/kg) bNKT (kJ/kg) bP (kJ/kg) B (KW) 1 2,121 1018 50000 7000 1500 2,5 667,8 123 1,814 1687 2 1,928 993,2 43903 5207 809 2,5 601,1 93,81 1,003 1347 3 1,39 993,3 30611 4900 735 2,5 419,1 88,28 0,9112 710,1 4 2,45 1000 10511 1421 471 2,5 142,9 25,43 0,58 420,1 5 1,929 1000 4000 1400 450 2,5 54,4 25,05 0,5541 159,2 6 0,538 993,3 78251 6000 1000 2,5 1071 108,1 1,24 636,6 7 0,5228 1004 34630 1500 550 2,5 469,2 26,74 0,6747 260,9 8 0,1552 1092 133326 31505 10938 2,5 1660 516,1 12,33 339,9 9 1,191 988,7 32942 4000 1978 2,5 453,1 72,39 2,463 631,8 10 0,1078 700 167452 6947 3217 2,5 3254 177,6 5,659 370,8 11 1,051 1000 13220 3567 1795 2,5 179,8 63,83 2,21 260,9 Tabla 80. Propiedades de los distintos flujos de purín para el caso sin co-digestión. FLUJO DE BIOGÁS Flujo m (m3/s) BFísica (kW) BQuímica (kW) B (KW) 12 0,02315 1,34 583,3 584,6 Tabla 81. Propiedades del flujo de valorización de fangos para el caso sin co-digestión. FLUJOS ENERGÉTICOS Flujo E (kWe) E (kWc) B (kWe) B (kWc) B (KW) 13 0,18 - 0,18 - 0,18 14 0,25 - 0,25 - 0,25 15 110,8 - 110,8 - 110,8 16 0,25 - 0,25 - 0,25 17 19,5 - 19,5 - 19,5 18 57 80 57 13,37 70,37 19 1 120 1 20,06 21,06 Tabla 82. Propiedades de los flujos energéticos para el caso sin co-digestión.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 96 - CASO II. Tratamiento de purines con Co-Digestión con paja de trigo. FLUJOS DE PURÍN Flujo m (kg/s) Densidad (kg/m3) DQO (mg/l) NKT (mg/l) P (mg/l) bMI (kJ/kg) bMO (kJ/kg) bNKT (kJ/kg) bP (kJ/kg) B (KW) 1 2,121 1018 50000 7000 1500 2,5 667,8 123 1,814 1687 2 1,928 993,2 43903 5207 809 2,5 601,1 93,81 1,003 1347 3 1,39 993,3 30611 4900 735 2,5 419,1 88,28 0,9112 710,1 4 2,45 1000 10511 1421 471 2,5 142,9 25,43 0,58 420,1 5 1,929 1000 4000 1400 450 2,5 54,4 25,05 0,5541 159,2 6 0,538 993,3 78251 6000 1000 2,5 1071 108,1 1,24 636,6 7 0,5228 1004 34630 1500 550 2,5 469,2 26,74 0,6747 260,9 8 0,1552 1092 133326 31505 10938 2,5 1660 516,1 12,33 339,9 9 1,201 980 40118 3932 1944 2,5 556,7 71,8 2,443 760,6 10 0,1222 699,9 201971 6129 2838 2,5 3925 156,7 4,993 499,6 11 1,051 1000 13220 3567 1795 2,5 179,8 63,83 2,21 260,9 Tabla 83. Propiedades de los distintos flujos de purín para el caso de co-digestión con paja de trigo. FLUJO DE BIOGÁS Flujo m (m3/s) BFísica (kW) BQuímica (kW) B (KW) 12 0,02546 1,474 641,6 643,1 Tabla 84. Propiedades del flujo de valorización de fangos para el caso de co-digestión con paja de trigo. FLUJOS ENERGÉTICOS Flujo E (kWe) E (kWc) B (kWe) B (kWc) B (KW) 13 0,18 - 0,18 - 0,18 14 0,25 - 0,25 - 0,25 15 110,8 - 110,8 - 110,8 16 0,25 - 0,25 - 0,25 17 19,5 - 19,5 - 19,5 18 62 88 62 14,71 76,71 19 15 132 15 22,06 37,06 Tabla 85. Propiedades de los flujos energéticos para el caso de co-digestión con paja de trigo. FLUJO DE SUSTRATO Flujo m (kg/s) (kJ/kg) B (KW) 20 0,01216 1,128 16.325 198,5 Tabla 86. Propiedades del flujo de sustrato para el caso de co-digestión con paja de trigo.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 97 - CASO III. Tratamiento de purines con Co-Digestión con glicerina. FLUJOS DE PURÍN Flujo m (kg/s) Densidad (kg/m3) DQO (mg/l) NKT (mg/l) P (mg/l) bMI (kJ/kg) bMO (kJ/kg) bNKT (kJ/kg) bP (kJ/kg) B (KW) 1 2,121 1018 50000 7000 1500 2,5 667,8 123 1,814 1687 2 1,928 993,2 43903 5207 809 2,5 601,1 93,81 1,003 1347 3 1,39 993,3 30611 4900 735 2,5 419,1 88,28 0,9112 710,1 4 2,45 1000 10511 1421 471 2,5 142,9 25,43 0,58 420,1 5 1,929 1000 4000 1400 450 2,5 54,4 25,05 0,5541 159,2 6 0,538 993,3 78251 6000 1000 2,5 1071 108,1 1,24 636,6 7 0,5228 1004 34630 1500 550 2,5 469,2 26,74 0,6747 260,9 8 0,1552 1092 133326 31505 10938 2,5 1660 516,1 12,33 339,9 9 1,193 972,7 38911 3928 1941 2,5 544 72,26 2,457 741,2 10 0,1233 700,1 192194 6077 2814 2,5 3734 155,3 4,95 480,3 11 1,051 1000 13220 3567 1795 2,5 179,8 63,83 2,21 260,9 Tabla 87. Propiedades de los distintos flujos de purín para el caso de co-digestión con glicerina. FLUJO DE BIOGÁS Flujo m (m3/s) BFísica (kW) BQuímica (kW) B (KW) 12 0,05787 3,351 1458 1462 Tabla 88. Propiedades del flujo de valorización de fangos para el caso de co-digestión con glicerina. FLUJOS ENERGÉTICOS Flujo E (kWe) E (kWc) B (kWe) B (kWc) B (KW) 13 0,18 - 0,18 - 0,18 14 0,25 - 0,25 - 0,25 15 110,8 - 110,8 - 110,8 16 0,25 - 0,25 - 0,25 17 19,5 - 19,5 - 19,5 18 57 200 57 33,43 90,43 19 285 300 285 50,14 335,1 Tabla 89. Propiedades de los flujos energéticos para el caso de co-digestión con glicerina. FLUJO DE SUSTRATO Flujo m (kg/s) (kJ/kg) B (KW) 20 0,04861 22300 1084 Tabla 90. Propiedades del flujo de sustrato para el caso de co-digestión con glicerina.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 98 - CASO IV. Tratamiento de purines con Co-Digestión con mezcla de residuos industriales, de matadero y de vegetales. FLUJOS DE PURÍN Flujo m (kg/s) Densidad (kg/m3) DQO (mg/l) NKT (mg/l) P (mg/l) bMI (kJ/kg) bMO (kJ/kg) bNKT (kJ/kg) bP (kJ/kg) B (KW) 1 2,121 1018 50000 7000 1500 2,5 667,8 123 1,814 1687 2 1,928 993,2 43903 5207 809 2,5 601,1 93,81 1,003 1347 3 1,39 993,3 30611 4900 735 2,5 419,1 88,28 0,9112 710,1 4 2,45 1000 10511 1421 471 2,5 142,9 25,43 0,58 420,1 5 1,929 1000 4000 1400 450 2,5 54,4 25,05 0,5541 159,2 6 0,538 993,3 78251 6000 1000 2,5 1071 108,1 1,24 636,6 7 0,5228 1004 34630 1500 550 2,5 469,2 26,74 0,6747 260,9 8 0,1552 1092 133326 31505 10938 2,5 1660 516,1 12,33 339,9 9 1,564 980 307838 3019 1492 2,5 4272 55,13 1,875 6774 10 0,3816 700 875515 1962 909 2,5 17011 50,16 1,599 6513 11 1,051 1000 13220 3567 1795 2,5 179,8 63,83 2,21 260,9 Tabla 91. Propiedades de los distintos flujos de purín para el caso de co-digestión con mezcla de residuos. FLUJO DE BIOGÁS Flujo m (m3/s) BFísica (kW) BQuímica (kW) B (KW) 12 0,2579 14,93 6499 6514 Tabla 92. Propiedades del flujo de valorización de fangos para el caso de co-digestión con mezcla de residuos. FLUJOS ENERGÉTICOS Flujo E (kWe) E (kWc) B (kWe) B (kWc) B (KW) 13 0,18 - 0,18 - 0,18 14 0,25 - 0,25 - 0,25 15 110,8 - 110,8 - 110,8 16 0,25 - 0,25 - 0,25 17 19,5 - 19,5 - 19,5 18 102,25 1110,5 102,25 185,6 287,8 19 1877 1110,5 1877 185,6 2063 Tabla 93. Propiedades de los flujos energéticos para el caso de co-digestión con mezcla de residuos. FLUJO DE SUSTRATO Flujo m (kg/s) (kJ/kg) B (KW) 20_grasas 0,3132 1,216 47278 14807 20_paja de trigo 0,09212 1,128 16325 1504 Tabla 94. Propiedades del flujo de sustrato. FLUJO DE SUSTRATO Flujo m (kg/s) DQO (mg/l) NKT (mg/l) P (mg/l) bMI (kJ/kg) bMO (kJ/kg) bNKT (kJ/kg) bP (kJ/kg) B (KW) 20_matadero 0,2211 2500 150 25 2,5 34,1 2,692 0,03087 37,38 Tabla 95. Propiedades del flujo de sustrato para co-digestión para el caso de co-digestión con mezcla de residuos.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 99 ANEXO IV. ANÁLISIS TERMOECONOMICO. 4.1.- Introducción. En primer lugar, antes de profundizar en el análisis termoeconómico se van a definir los siguientes conceptos básicos [36]: Producto (P). El producto de un proceso es el flujo o flujos de interés para el cual tiene lugar dicho proceso, es decir, es el objetivo para el cual se diseña y opera el equipo o sistema. Fuel (F). Se denomina Fuel a todo recurso empleado en generar la utilidad deseada. Residuo (R). Se denominan residuos aquellos flujos que no tienen ninguna utilidad, pero que su existencia produciría perjuicios en la instalación o en el entorno, y por lo tanto es necesario un consumo adicional de recursos energéticos y económicos, para que dichos flujos sean eliminados y/o convertidos en flujos de pérdidas. Este coste puede formarse en el propio equipo en el que se produce el flujo, pero también a lo largo de una cadena de flujos y equipos del proceso de producción que generan el residuo. 4.2.- Análisis de la formación de costes. En el presente apartado se va a tratar de detallar el análisis de la formación de los costes, revisándose tanto los principales aspectos termoeconómicos como los métodos para estudiar la descomposición de los mismos [38]. 4.2.1.- Revisión de los principales aspectos termoeconómicos. La Termoeconomía es una metodología para el análisis de los sistemas energéticos basada en la Teoría del Coste Exergético y en una formulación mediante operadores matriciales [65]. El método propone dos posibles representaciones del sistema de estudio: del Fuel o recurso al Producto (FP) o del Producto al Fuel o recurso (PF), si bien en el presente apartado solo se explicará la primera representación. El sistema se describe mediante una estructura productiva, la cual está construida de acuerdo al objetivo o propósito de cada uno de los procesos. Esta estructura tiene que estar compuesta por n procesos (mas el proceso 0, el cual es el ambiente), conectados por flujos caracterizados por su exergía. Un flujo que va desde el proceso i al proceso j es representado por Bij. Cada proceso consume recursos de otros
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 106 Desbaste Dec. 1ª Trat. Biol. Dec. 2ª Digestión Pulmón/ Centrif. Cogen. 8 9 R8 R9 TOTAL 1.Desb. 0,00082 1,4E-06 0,00111 1,3E-05 0,00043 0 0,00171 0 0 0,01109 0,89803 1,91322 2. Dec. 1ª 5,5E-07 0,00086 0,00082 1,0E-05 0,00032 0 0,00126 0 0 0,00822 0,89720 1,90872 3.Trat. Biol. 0,00059 0,00116 2,46006 0,01069 0,24841 0 0,98472 0 0 6,38441 4,17989 15,2699 4.Dec. 2ª 0,00060 0,00118 2,50743 0,03031 0,25377 0 1,00598 0 0 6,52219 5,17427 16,4957 5.Digestor 0,00053 0,00105 0,80226 0,00969 0,31014 0 0,60987 0 0 7,97091 2,72653 13,4310 6.Pulmón/ Cent. 0,00042 0,00084 0,64086 0,00774 0,09674 0,05354 0,38347 0 0 5,21985 2,17801 9,58151 7.Cogen. 0,00141 0,00277 2,10874 0,02549 0,81522 0 3,23152 0 0 20,9513 7,16663 35,3031 8.Dig. 0,00042 0,00084 0,64086 0,00774 0,09674 0,05354 0,38347 0 0 5,21985 2,17801 9,58151 9.Balsa 0,00059 0,00116 2,46006 0,01069 0,24841 0 0,98472 0 0 6,38441 4,17989 15,2699 Tabla 103. Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos para cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purines de Capella, en el caso en el que no se produzca co-digestión alguna.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 107 - CASO II. Tratamiento de purines con Co-Digestión de paja de trigo. TABLA F-P: CO-DIGESTIÓN CON PAJA DE TRIGO PROCESOS (kw) F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F0 PRODUCTO Ambiente P0 340 636,9 746,16 0 93,3540 69,078 0 0 0 0 1885,5 Desbaste P1 0 0 61,759 0 159,854 118,28 0 0 0 0 339,9 Dec. 1ª P2 0 0 115,66 0 299,391 221,53 0 0 0 0 636,6 Trat. Biol. P3 0 0 0 265,71 0 0 0 0 105 49,39 420,1 Dec. 2ª P4 0 0 47,404 0 122,700 90,794 0 0 0 0 260,9 Digestión P5 0 0 0 0 0 0 643,1 0 0 0 643,1 Pulmón/ Centrifuga P6 0 0 0 0 0 0 0 479,5 0 19,76 499,26 Cogen. P7 0,18 0,25 110,8 0,25 76,71 19,5 0 0 0 37,06 244,75 D. Digerido P8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 479,5 479,5 D. Balsa P9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 105 105 FUEL F 340,18 637,15 1081,8 265,96 752,01 519,2 643,1 479,5 105 690,71 Tabla 104. Tabla F-P para el caso de co-digestión con paja de trigo. ‹FP› P1 P2 P3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F1 0 0 0 0 0 0 0,00073 0 0 F2 0 0 0 0 0 0 0,00102 0 0 F3 0,18169 0,18169 0 0,18169 0 0 0,45270 0 0 F4 0 0 0,63249 0 0 0 0,00102 0 0 F5 0,47029 0,47029 0 0,47029 0 0 0,31342 0 0 F6 0,34800 0,34800 0 0,34800 0 0 0,07967 0 0 F7 0 0 0 0 1 0 0 0 0 F8 0 0 0 0 0 0,96042 0 0 0 F9 0 0 0,24994 0 0 0 0 0 0 Tabla 105. Matriz FP para el caso de co-digestión con paja de trigo (kW). ‹RP› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,18957 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0,35511 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0,30716 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0,14815 5 0 0 0 0 0 0 0 0,7209 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0,2790 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 106. Matriz RP para el caso de co-digestión con paja de trigo.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 108 ‹P*› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 603,87 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 1128,59 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 5455,65 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 3660,14 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 7313,37 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 3454,00 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 7313,37 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 3317,2 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 1363,58 Tabla 107. Matriz P* para el caso de co-digestión con paja de trigo (kW). FE P0 F1 340 F2 636,9 P3 746,1 F4 0 F5 93,3 F6 69,0 F7 0 F8 0 F9 0 Tabla 108. Vector FE para el caso de co-digestión con paja de trigo (kW). ‹I› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I1 0,28 0 0 0 0 0 0 0 0 I2 0 0,55 0 0 0 0 0 0 0 I3 0 0 661,7 0 0 0 0 0 0 I4 0 0 0 5,06 0 0 0 0 0 I5 0 0 0 0 108,91 0 0 0 0 I6 0 0 0 0 0 19,94 0 0 0 I7 0 0 0 0 0 0 398,35 0 0 I8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 109. Matriz I para el caso de co-digestión con paja de trigo (kW). ‹R*› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 258,498 2 0 0 0 0 0 0 0 0 484,228 3 0 0 0 0 0 0 0 0 418,843 4 0 0 0 0 0 0 0 0 202,016 5 0 0 0 0 0 0 0 2391,7 0 6 0 0 0 0 0 0 0 925,58 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 110. Matriz R* para el caso de co-digestión con paja de trigo (kW).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 109 Desbaste Dec. 1ª Trat. Biol. Dec. 2ª Digestión Pulmón/ Centrif. Cogen. 8 9 R8 R9 TOTAL 1.Desb. 0,00082 1,1E-06 0,00090 1,0E-05 0,000442 0 0,00161 0 0 0,00970 0,76312 1,77663 2. Dec. 1ª 4,4E-07 0,00086 0,00066 8,0E-06 0,000327 0 0,00119 0 0 0,00720 0,76258 1,77285 3.Trat. Biol. 0,00047 0,00093 2,28822 0,0086 0,249083 0 0,91104 0 0 5,46997 3,05818 12,9865 4.Dec. 2ª 0,00048 0,00095 2,33204 0,0281 0,254475 0 0,93077 0 0 5,58839 3,89359 14,0289 5.Digestor 0,00043 0,00085 0,64884 0,00784 0,317759 0 0,54281 0 0 6,97814 1,87536 11,3720 6.Pulmón/ Cent. 0,00032 0,00064 0,49120 0,00593 0,079139 0,03993 0,28946 0 0 3,59185 1,41973 6,91824 7.Cogen. 0,00114 0,00224 1,70488 0,02061 0,8349389 0 3,05387 0 0 18,3356 4,92766 29,8809 8.Dig. 0,00032 0,00064 0,49120 0,00593 0,0791395 0,03993 0,28946 0 0 3,59185 1,41973 6,91824 9.Balsa 0,00047 0,00093 2,28822 0,00862 0,2490832 0 0,91104 0 0 5,46997 3,05818 12,9865 Tabla 111. Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos para cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purines de Capella, en el caso de co-digestión con paja de trigo.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 110 - CASO III. Tratamiento de purines con Co-Digestión de glicerina. TABLA F-P: CO-DIGESTIÓN CON GLICERINA PROCESOS (kw) F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F0 PRODUCTO Ambiente P0 340 636,9 831,92 0 737,889 224,28 0 0 0 0 2771 Desbaste P1 0 0 38,201 0 231,373 70,325 0 0 0 0 339,9 Dec. 1ª P2 0 0 71,546 0 433,339 131,71 0 0 0 0 636,6 Trat. Biol. P3 0 0 0 265,71 0 0 0 0 105 49,39 420,1 Dec. 2ª P4 0 0 29,322 0 177,597 53,980 0 0 0 0 260,9 Digestión P5 0 0 0 0 0 0 1462 0 0 0 1462 Pulmón/ Centrifuga P6 0 0 0 0 0 0 0 460,2 0 19,76 479,96 Cogen. P7 0,18 0,25 110,8 0,25 90,43 19,5 0 0 0 335,1 556,51 D. Digerido P8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 460,2 460,2 D. Balsa P9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 105 105 FUEL F 340,18 637,15 1081,8 265,96 1670,63 499,8 1462 460,2 105 969,45 Tabla 112. Tabla F-P para el caso de co-digestión con glicerina (kW). ‹FP› P1 P2 P3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F1 0 0 0 0 0 0 0,00032 0 0 F2 0 0 0 0 0 0 0,00044 0 0 F3 0,11238 0,11238 0 0,11238 0 0 0,19909 0 0 F4 0 0 0,63249 0 0 0 0,00044 0 0 F5 0,68070 0,68070 0 0,68070 0 0 0,16249 0 0 F6 0,20690 0,20690 0 0,20690 0 0 0,03503 0 0 F7 0 0 0 0 1 0 0 0 0 F8 0 0 0 0 0 0,95882 0 0 0 F9 0 0 0,24994 0 0 0 0 0 0 Tabla 113. Matriz FP para el caso de co-digestión con glicerina (kW). ‹RP› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1895 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0,3551 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0,3071 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1481 5 0 0 0 0 0 0 0 0,858 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0,141 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 114. Matriz RP para el caso de co-digestión con glicerina.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 111 ‹P*› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 441,577 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 826,532 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 2115,70 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1418,35 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4115,64 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 1069,85 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 4115,64 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 1025,8 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 528,799 Tabla 115. Matriz P* para el caso de co-digestión con glicerina (kW). FE P0 F1 340 F2 636,9 P3 831,9 F4 0 F5 737,8 F6 224,2 F7 0 F8 0 F9 0 Tabla 116. Vector FE para el caso de co-digestión con glicerina (kW). ‹I› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I1 0,28 0 0 0 0 0 0 0 0 I2 0 0,55 0 0 0 0 0 0 0 I3 0 0 661,7 0 0 0 0 0 0 I4 0 0 0 5,06 0 0 0 0 0 I5 0 0 0 0 208,63 0 0 0 0 I6 0 0 0 0 0 19,84 0 0 0 I7 0 0 0 0 0 0 905,49 0 0 I8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 117. Matriz I para el caso de co-digestión con glicerina (kW). ‹R*› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 100,245 2 0 0 0 0 0 0 0 0 187,784 3 0 0 0 0 0 0 0 0 162,427 4 0 0 0 0 0 0 0 0 78,3421 5 0 0 0 0 0 0 0 880,27 0 6 0 0 0 0 0 0 0 145,52 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 118. Matriz R* para el caso de co-digestión con glicerina (kW).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 112 Desbaste Dec. 1ª Trat. Biol. Dec. 2ª Digestión Pulmón/ Centrif. Cogen. 8 9 R8 R9 TOTAL 1.Desb. 0,00082 5,1E-07 0,00039 4,7E-06 0,00026 0 0,00115 0 0 0,00112 0,29536 1,29913 2. Dec. 1ª 1,9E-07 0,00086 0,00029 3,5E-06 0,00019 0 0,00085 0 0 0,00083 0,29530 1,29835 3.Trat. Biol. 0,00022 0,00043 1,90600 0,00400 0,14310 0 0,62109 0 0 0,60379 0,75753 5,03618 4.Dec. 2ª 0,00022 0,00044 1,94185 0,02347 0,14622 0 0,63463 0 0 0,61696 1,07257 5,43640 5.Digestor 0,00018 0,00037 0,28183 0,00340 0,19171 0 0,21274 0 0 0,80892 0,31589 2,81507 6.Pulmón/ Cent. 0,00016 0,00032 0,24861 0,00300 0,03700 0,04133 0,16059 0 0 0,45933 0,27866 2,22904 7.Cogen. 0,00049 0,00097 0,74039 637 0,00895 0,50366 0 2,18597 0 0 2,12511 0,82988 7,39545 8.Dig. 0,00016 0,00032 0,24861 0,00300 0,03700 0,04133 0,16059 0 0 0,45933 0,27866 2,22904 9.Balsa 0,00022 0,00043 1,90600 0,00400 0,14310 0 0,62109 0 0 0,60379 0,75753 5,03618 Tabla 119. Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos para cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purines de Capella, en el caso de co-digestión con glicerina.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 113 - CASO IV. Tratamiento de purines con Co-Digestión con mezcla de residuos industriales, de matadero y de vegetales TABLA F-P: CO-DIGESTIÓN CON MEZCLA DE RESIDUOS PROCESOS (kw) F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F0 PRODUCTO Ambiente P0 340 636,9 952,61 0 10023,41 6054,0 0 0 0 0 18007 Desbaste P1 0 0 5,0508 0 208,7597 126,08 0 0 0 0 339,9 Dec. 1ª P2 0 0 9,4597 0 390,9868 236,15 0 0 0 0 636,6 Trat. Biol. P3 0 0 0 265,71 0 0 0 0 105 49,39 420,1 Dec. 2ª P4 0 0 3,8769 0 160,2395 96,783 0 0 0 0 260,9 Digestión P5 0 0 0 0 0 0 6514 0 0 0 6514 Pulmón/ Centrifuga P6 0 0 0 0 0 0 0 6492 0 19,76 6511,76 Cogen. P7 0,18 0,25 110,8 0,25 287,8 19,5 0 0 0 2063 2481,78 D. Digerido P8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6492 6492 D. Balsa P9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 105 105 FUEL F 340,18 637,15 1081,8 265,96 11071,2 6532,6 6514 6492 105 8729,15 Tabla 120. Tabla F-P para el caso de co-digestión con mezcla de residuos (kW). ‹FP› P1 P2 P3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F1 0 0 0 0 0 0 7,2E-05 0 0 F2 0 0 0 0 0 0 0,00010 0 0 F3 0,01485 0,01485 0 0,01485 0 0 0,04464 0 0 F4 0 0 0,63249 0 0 0 0,00010 0 0 F5 0,61417 0,61417 0 0,61417 0 0 0,11596 0 0 F6 0,37096 0,37096 0 0,37096 0 0 0,00785 0 0 F7 0 0 0 0 1 0 0 0 0 F8 0 0 0 0 0 0,99696 0 0 0 F9 0 0 0,24994 0 0 0 0 0 0 Tabla 121. Matriz FP para el caso de co-digestión con mezcla de residuos (kW). ‹RP› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,18957 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0,35511 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0,30716 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0,14815 5 0 0 0 0 0 0 0 0,9762 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0,0237 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 122. Matriz RP para el caso de co-digestión con mezcla de residuos.
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 114 ‹P*› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 441,371 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 826,043 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 2106,79 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1412,69 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 21337,3 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 7390,87 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 21337,3 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 7368,4 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 526,574 Tabla 123. Matriz P* para el caso de co-digestión con mezcla de residuos (kW). FE P0 F1 340 F2 636,9 P3 952,6 F4 0 F5 10023,4 F6 6054,0 F7 0 F8 0 F9 0 Tabla 124. Vector FE para el caso de co-digestión con mezcla de residuos (kW). ‹I› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I1 0,28 0 0 0 0 0 0 0 0 I2 0 0,55 0 0 0 0 0 0 0 I3 0 0 661,7 0 0 0 0 0 0 I4 0 0 0 5,06 0 0 0 0 0 I5 0 0 0 0 4557,2 0 0 0 0 I6 0 0 0 0 0 20,84 0 0 0 I7 0 0 0 0 0 0 4032,22 0 0 I8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 125. Matriz I para el caso de co-digestión con mezcla de residuos (kW). ‹R*› 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 99,8239 2 0 0 0 0 0 0 0 0 186,993 3 0 0 0 0 0 0 0 0 161,744 4 0 0 0 0 0 0 0 0 78,0124 5 0 0 0 0 0 0 0 7193,5 0 6 0 0 0 0 0 0 0 174,93 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 126. Matriz R* para el caso de co-digestión con mezcla de residuos (kW).
ANÁLISIS TERMOECNÓMICO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE PURINES 115 Desbaste Dec. 1ª Trat. Biol. Dec. 2ª Digestión Pulmón/ Centrif. Cogen. 8 9 R8 R9 TOTAL 1.Desb. 0,00082 8,3E-08 6,3E-05 7,7E-07 0,00112 0 0,00099 0 0 0,00177 0,29375 1,29853 2. Dec. 1ª 3,17E-08 0,00086 4,7E-05 5,7E-07 0,00083 0 0,00073 0 0 0,00131 0,29379 1,29758 3.Trat. Biol. 3,14E-05 6,1E-05 1,62218 0,00056 0,56437 0 0,49935 0 0 0,89085 0,43756 5,01499 4.Dec. 2ª 3,21E-05 6,3E-05 1,65220 0,01997 0,57680 0 0,51036 0 0 0,91048 0,74477 5,41470 5.Digestor 3,07E-05 6,0E-05 0,04597 0,00055 0,80752 0 0,09548 0 0 1,27466 0,05132 3,27562 6.Pulmón/ Cent. 1,66E-05 3,2E-05 0,02492 0,00030 0,01497 0,00320 0,01324 0 0 0,05049 0,02781 1,13500 7.Cogen. 8,07E-05 0,00015 0,12068 0,00145 2,11952 0 1,87535 0 0 3,34565 0,13470 8,59761 8.Dig. 1,66E-05 3,2E-05 0,02492 0,00030 0,01497 0,00320 0,01324 0 0 0,05049 0,02781 1,13500 9.Balsa 3,14E-05 6,1E-05 1,62218 0,00056 0,56437 0 0,49935 0 0 0,89085 0,43756 5,01499 Tabla 127. Descomposición de los costes exergéticos unitarios de los productos para cada uno de los procesos de la planta de tratamiento de purines de Capella, en el caso de co-digestión con mezcla de residuos.