La generación de electricidad a partir del biogás de vertedero suele realizarse por medio de grupos constituidos por motores alternativos de explosión adaptado y regulado para biogás que acciona el alternador correspondiente.
Es necesario disponer de un sistema que garantice una variación mínima en porcentaje de CH4 en el biogás combustible que se extrae del vertedero, a partir de un valor
prefijado. Asimismo, a partir de un combustible con unas características definidas se podrá obtener un mejor rendimiento en los sistemas de aprovechamiento. Por lo tanto al sistema de captación debe añadirse uno de regulación que analice el gas procedente de los distintos pozos y regule las cantidades admitidas de forma que el biogás con que se alimenta de los distintos vasos posea la calidad necesaria para generar electricidad. Para un correcto funcionamiento de los grupos-motor, y para evitar averías de los mismos, debe reducirse el contenido de humedad por debajo del límite de saturación instalando cuantos elementos separadores de condensados sean necesarios. Por otra parte el secado del gas mejora el rendimiento de los grupos-motor y además evita fenómenos de condensación en el sistema de admisión del motor.
Por motivos de seguridad deberá añadirse un sistema de análisis y control de O2 para
evitar la formación de mezclas explosivas. Este control, por otra parte, permitirá la rápida localización de defectos de sellado en la superficie del vertedero o entradas de aire en las conducciones de biogás.
Es característica común del biogás de vertederos la presencia en el mismo de sulfuro de hidrógeno (H2S). En proporciones del orden de 1.000 a 3.000 ppm es inadmisible la
utilización del gas para alimentar al motor, por lo que es preciso instalar un sistema de desulfuración que tienda a eliminarlo o reducir la proporción hasta 800- 500 ppm como máximo.
Asimismo, hay que prever que puedan existir compuestos de silicio (siloxanos) en el biogás, los cuales en proporciones superiores a 4 mg/Nm3 son altamente perjudiciales
para el motor, por lo que se instalará un filtro específico de carbono activo.
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La instalación para la valoración energética del biogás y su conexión a la red de distribución constara de:
Sistema de Captación del biogás.
Estación de Regulación y Acondicionamiento. Central de Aspiración.
Sistema de Alimentación al motor. Conjunto de Generación.
Instalaciones Auxiliares.
Sistema de Evacuación de Energía. Este apartado no se abordará, al ser un tema específicamente eléctrico.
Esquema de la instalación
SISTEMA DE CAPTACIÓN DEL BIOGÁS
El sistema general de captación estará constituido por los pozos de captación, red de transporte y elementos auxiliares (trampas para condensados y estación de regulación y medida)
El sistema de captación se dividirá en módulos con los mismos elementos, uno por cada vaso.
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Se contempla dentro de este apartado la realización los pozos con el fin de poder realizar una extracción del biogás El radio de acción de cada pozo se puede estimar en unos 25- 30 m, con una separación media entre pozos de unos 50 m. La profundidad media se estima en 8 metros, teniendo en cuenta que se perfora aproximadamente un 75% de la profundidad media del vertido. Los pozos se realizarán mediante perforación a rotopercusión con un diámetro mínimo de 300 mm
Inmediatamente tras la ejecución de la perforación, se rellenará el sondeo con grava silícea de calibre 25-32 mm en sus primeros 0,5 m, tras lo cual se colocará la tubería ranurada de PEAD DN160 PN 10, s/UNE 53.131, con uniones roscadas o soldadas a tope. En caso de ser necesaria la preparación de la tubería ranurada in situ, se le practicarán agujeros repartidos de modo regular por todo su exterior. El diámetro de esos agujeros estará comprendido entre 15 y 20 mm y un número tal que, en cada metro de tubo, la superficie de agujeros sea al menos el 10% del total, garantizándose la resistencia mecánica del tubo. En la situación definitiva el extremo superior del tubo se dejará aproximadamente 25 cm por encima del nivel final del suelo, una vez realizado el sellado del vertedero
El relleno del espacio anular entre el tubo ranurado/perforado y la masa de vertido se ejecutará con material calibrado silíceo seleccionado (tamaño entre 20 y 40 mm). Se habilitará una boca de conexión bridada de diámetro adecuado para conectar las tuberías de PEAD (DN90) en el lateral y de forma perpendicular al cuerpo de la campana. Esta boca dispondrá de una válvula de mariposa todo/nada para apertura o cierre del pozo, del diámetro adecuado para la tubería de conexión.
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Los pozos se impermeabilizarán a su alrededor para evitar las entradas ocasionales de aire al estar sometidos a depresión. La impermeabilización consistirá en un refuerzo con bentonita.
Para llevar a cabo la conexión de los pozos con el equipo de aspiración-generación eléctrica de biogás se emplearán tuberías de PEAD de diámetro adecuado. El tendido de estas líneas puede ser aéreo o enterrado. Cada sistema presenta sus ventajas e inconvenientes.
El sistema aéreo presenta como ventaja la facilidad y seguridad en la operación: en todo momento se puede vigilar el estado de las líneas y la extracción de condensados que se acumulan en las tuberías se puede realizar de forma continua, segura y económica. En caso de que se produzcan asentamientos de la superficie del vertedero, éstas no influirán significativamente sobre las tuberías, pudiéndose si fuera necesario modificar su trazado. Por el contrario el tendido aéreo conlleva un mayor impacto visual y requiere una cierta vigilancia en caso de que algunos soportes de las tuberías sufran caídas accidentales, en general causadas por agentes meteorológicos (viento, nieve, etc.). La accesibilidad a las líneas puede suponer un riesgo en caso de acceso de personal incontrolado.
La disposición de las tuberías enterradas supone mayores inconvenientes en caso de presencia de condensados (la instalación de trampas de condensados es más complicada y no son elementos accesibles) y las tuberías se ven muy influenciadas por asentamiento de la superficie del vertedero. Una vez instaladas su accesibilidad es reducida a no ser que se realicen obras. Sin embargo visualmente el sistema pasa desapercibido, ya que apenas se pueden ver las arquetas y puntos concretos de los tendidos de tuberías.
En el caso que nos ocupa se ha optado por un sistema de tuberías aéreo, ya que operativamente es más fiable, y con un mínimo de mantenimiento/vigilancia el sistema de conducciones funciona de forma óptima.
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De cada uno de los pozos de biogás saldrá una línea para conducir el biogás extraído. Estas líneas serán de PEAD DN90-180-200, en función del caudal que circule por ellas, suministradas en barras (6 o 12 metros) y soldadas mediante soldadura a tope. En los cambios de inclinación bruscos y en las bermas se emplearán codos con el fin de evitar dobleces excesivos en las tuberías.
La extracción de condensados es necesaria para no reducir el área interior de las conducciones de biogás debido a la acumulación de condensados en su interior. Si se reduce el área aumentan las pérdidas de presión y la soplante aumenta su carga indeseadamente succionando condensado que corroe su interior.
Los desagües KOP (trampas para condensados), a fin de que trabajen eficazmente, deben estar instalados en puntos bajos del sistema de captación para permitir un caudal eficaz del condensado por la pendiente del sellado. Además se instalarán cinco trampas para condensados en las cinco líneas que llegan de cada vaso antes de llegar a la estación de regulación y
medida de la instalación para generar electricidad. Pueden instalarse bien en fosos excavados o en un pozo de sondeo especial. La profundidad mínima es de 1,5 m aunque normalmente se instalan de 3 a 4,5 m de profundidad enterrados. Se colocan con gravas con cantos rodados y limpia en la base del hoyo, y se va rellenando y conectando las entradas y salidas de gas hasta alcanzar la superficie.
Las Centrales de Regulación Manual (CRM) sirven para gestionar de una forma óptima el funcionamiento de la instalación de biogás, teniendo en cuenta que la composición y caudal de biogás varía con el tiempo y de forma distinta en cada pozo. Permiten
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mediante la regulación de la depresión aplicada a cada línea, obtener de todas y cada una de ellas el biogás que realmente se está generando en la correspondiente área de influencia.
El cuerpo de la CRM será un tramo de tubería de PEAD DN200, con entradas perpendiculares al eje y una salida en sentido longitudinal. Las entradas y salida serán valonas con brida sobre las que se instalarán las correspondientes válvulas de mariposa y un punto de toma de muestra. Sobre el cuerpo de la CRM se habilitará una trampa de condensados en la parte baja. Se instalarán seis, una en cada vaso para regular el biogás generado en cada vaso y una a la entrada de la instalación de generación eléctrica.
Las ventajas de instalar las CRM son, entre otras:
Posibilidad de independizar de forma más selectiva grupos de pozos en casos determinados (bloqueo temporal de pozos por trabajos de mantenimiento en una zona del vertedero, entradas de aire en conducciones, etc.), manteniendo el resto de la red de captación y conducción.
Facilita las labores de mantenimiento y gestión del biogás, ya que en seis puntos se centraliza la regulación de los pozos. Esto es importante también para la valorización energética del biogás.
Diferentes CRM, en función de las líneas de entrada
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ESTACIÓN DE REGULACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO
Constará de una Central de Regulación y Medida con cinco entradas y una salida. Cada entrada corresponderá con la línea proveniente de cada vaso, tras pasar por su correspondiente separador de condensados.
Estación de regulación en el interior de un sistema de valorización energética de biogás
Se instalará un Sistema de Deshumidificación con la misión de lograr que la humedad relativa de biogás, antes de su introducción en el sistema de alimentación, esté en valores inferiores al 80 %, o que el vapor de agua en el biogás no supere los 20 mg/l. La deshumidificación del biogás tendrá lugar en los elementos del sistema de captación (pozos, líneas, separadores de condensados), así como en los equipos existentes en la central. Intercalado entre la Estación de Regulación Manual y el Filtro de Carbón activo se instalará un separador de tipo ciclónico-centrífugo para la deposición de condensados y partículas.
Al fin de asegurar que el nivel de siloxanos en el combustible no supera el valor límite establecido por el fabricante del motogenerador, se instalará un filtro de carbón activo que será necesario poner en servicio si se detecta un nivel de siloxanos en el biogás por encima de los valores límite. La detección de estos compuestos se comprobará
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efectuando el análisis correspondiente, o bien, si la proporción de Si en el aceite motor sustituido en las labores de mantenimiento supera los 75 ppm.
El Sistema de Desulfuración eliminará la concentración de ácido sulfhídrico existente en el biogás del vertedero.
El sulfuro de hidrógeno (H2S) o ácido sulfhídrico forma parte del biogás. Este compuesto
presenta propiedades especialmente nocivas cuando es usado como combustible para motores. Sus reacciones químicas antes de la combustión, disolviéndose fácilmente en agua formando agua sulfhídrica, con propiedades de ácido, y su producto de combustión, el dióxido de azufre (SO2), que en combinación con el vapor de agua, producto asimismo
de la combustión, origina ácido sulfúrico, producen graves daños por corrosión y desgaste en los motores, además de contaminar el medio ambiente (lluvia ácida).
Por ello es fundamental, por un lado, eliminar al máximo el vapor de agua que acompaña al biogás, además de evitar su condensación en los colectores, y por otro, neutralizar el sulfuro de hidrógeno y eliminarlo antes de que el flujo de biogás sea aspirado e impulsado hacia el sistema de alimentación del motor.
El método físico-químico escogido para eliminar el ácido sulfhídrico, en este caso, es el de Adsorción: la desulfuración se efectúa haciendo pasar al biogás, una vez separados los condensados, por un reactor previamente cargado con reactivos a base de compuestos férricos, en forma de materiales sólidos granulados de gran superficie específica.
Existen numerosas ventajas en el uso de métodos de adsorción para purificar gases: Gran estabilidad térmica.
Proporciona un servicio prolongado.
Para su ejecución se emplea un simple equipamiento. Fácil operación del sistema de purificación.
Elevada selectividad en la eliminación de sulfuro de hidrógeno.
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Con el fin de poder realizar la sustitución del reactivo sin interrumpir el flujo de gas (y sin tener que derivar el flujo a la soplante sin depurar), se plantea la instalación de dos desulfuradores que actuarían en paralelo. La capacidad de cada uno de ellos será de 2,5 m3 y estarán dotados con sus respectivas válvulas de entrada y salida que permitieran el
flujo a través de los dos en paralelo, o a través de uno de los dos mientras que en el otro se efectúa el cambio de reactivo.
A la salida del filtro de desulfuración se instalará una válvula encargada del corte del flujo o de su direccionamiento a la Central de aspiración o a la Antorcha, de acuerdo con la señal proveniente del sistema de control de gas.
CENTRAL DE ASPIRACIÓN
En la central de aspiración se ubica el turbo-soplante, de accionamiento eléctrico, que genera la depresión en la red de captación e impulsa al biogás hacia el grupo generador. Para ello dispone de equipos electromecánicos como el mencionado soplante y otros elementos auxiliares: valvulería, uniones flexibles, antirretornos de llama, equipos de medida, condensador, etc.
El turbo-soplante a instalar, cuya potencia nominal será de 5 kW, deberá de estar especialmente diseñado para trabajar con biogás, y ser capaz de trabajar con un caudal de 300 m3 /h.
En los tramos anterior y posterior a la soplante se instalarán los puntos de conexión de las sondas de la Estación de Medida, con el fin de medir en continuo los siguientes parámetros:
Temperatura del biogás Caudal
Presión
Composición (CH4 y O2 , CO2 , y H2S)
Tras la soplante, el flujo de biogás comprimido se conducirá hasta el sistema de alimentación a través de conducciones, y entre las que se intercalará un condensador
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dotado con válvula de purga. Este diseño permitirá que se produzca un efecto de intercambio térmico tendente al enfriamiento del gas y una última separación de condensados, favorecida asimismo por el incremento de presión.
ANTORCHA
A la salida del sistema de desulfuración se contará con una válvula la cual permitirá derivar el flujo de biogás hacia la Central de Aspiración o, ante cualquier incidencia, hacia la antorcha que está provista de su correspondiente soplante.
Dicha válvula podrá ser accionada de forma manual o automáticamente desde el sistema de control, permitiendo la impulsión del gas hacia el grupo generador o derivando el caudal hacia la antorcha. Del mismo modo la antorcha podrá eliminar el excedente el biogás no consumido por la planta de valorización, teniendo capacidad para quemar todo el que se genere.
El conjunto que forma la antorcha está formado por un calderín que permite la deposición y purga de condensado, soplante de 5 kW, quemador, sistema de ignición y chimenea.
Para iniciar la operación automática del encendido de la antorcha, se abre la electro válvula 1 que conduce el biogás al piloto 2. Transcurridos unos segundos, mediante la bujía de encendido 3 se intenta el encendido del gas. Si mediante termopar 4 no se detecta el encendido del piloto se intentará de nuevo el encendido por tres veces con intervalos de un minuto. Finalizado sin éxito el último intento se cierran todas las electroválvulas y se activa una alarma luminosa y sonora. Si el encendido del piloto ha sido exitoso, se abre la válvula 6 y se inicia el quemado del biogás residual.
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Un pirómetro 5 detecta la llama del gas residual y en caso de apagado activa una alarma, sin que por ello deje de estar en marcha el piloto.
Si se detecta el apagado del piloto y de la llama del biogás residual, se cierra la entrada de este y se acciona la alarma. Se intenta el re-encendido del piloto como en la puesta en marcha, si está opción está seleccionada o se queda a la espera de nuevas instrucciones por parte del operador. Todas las acciones se pueden realizar mediante control remoto. El gas se quema sobre una placa cerámica que permite grandes variaciones tanto en el caudal como en la composición y PCI del biogás.
La antorcha podrá trabajar a la intemperie, y cumplirá con todas las normativas para evitar el peligro de explosión, tanto de ámbito nacional como respecto a las directivas comunitarias que le son de aplicación (marcado CE), en concreto la directiva 93/68/CEE que modifica las 89/366/CEE y 90/396/CEE.
Antorcha exterior para quema de biogás
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SISTEMA DE ALIMENTACIÓN AL MOTOR
Tras la Central de Aspiración se dispone del sistema de alimentación del motor constituido por un conjunto denominado Rampa de gas.
La Rampa de gas permite aportar el caudal de biogás necesario para que cada motor desarrolle la potencia prefijada, siendo sus componentes los siguientes:
Un presostato de presión mínima de gas, GW50 A-2 (50-150 mbar), que impide el funcionamiento del motor si el gas no tiene una presión suficiente.
Una electroválvula de regulación que permite facilitar el caudal de gas necesario. Una electroválvula de seguridad, conectada en serie con la anterior, que asegura el
cierre del flujo de gas en caso de fallo de la regulación.
Un regulador de presión que tiene la misión de reducir la presión del gas y mantener constante ésta hasta el valor determinado en las especificaciones del grupo motogenerador.
Un filtro de biogás que impedirá el paso a las electrovávulas y regulador de cualquier tipo de impurezas que pudieran afectar al correcto funcionamiento de estos elementos, además de los de carburación del motor.
CONJUNTO GENERADOR
El conjunto generador a biogás está compuesto por los siguientes componentes y sistemas:
Combustible: Biogás de vertedero
Motor alternativo de gas, ciclo Otto, de cuatro tiempos Alternador síncrono
Sistema de arranque
Sistema de aire para combustión Sistema de combustible