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Microturbina a biogás en vertedero de basuras urbanas

La instalación de una microturbina de biogás pra producir electricidad y calor en un vertedero de residuos sólidos urbanos es un ejemplo de cómo un proyecto de ingeniería puede contribuir a la sostenibilidad.

La planta de biogás está situada en el área de aprovechamiento energético del Centro Industrial de Tratamiento Ambiental de Coll Cardús, que se encuentra en el término municipal de Vacarisses, punto kilométrico 28,200 de la carretera C-5, de Terrassa a Manresa. De sus 90 hectáreas de extensión, una tercera parte corresponde al terreno explotado para el vertido de residuos. El CITA Coll Cardús, gestionado por el grupo Hera, dispone de la ISO 9001, la ISO 140001 y la OHSAS 18001 para asegurar una buena calidad en sus procedimientos de gestión integral. Inicialmente era un vertedero incontrolado, pero en el año 1984 la empresa Tratesa, del grupo Hera, empezó a encargarse de la gestión del vertedero controlado de residuos sólidos urbanos. Actualmente gestionan más de 60.000 toneladas al año de RSU de municipios del Vallés y Bajo Llobregat y ciudades como Vic y Badalona.

Un vertedero de RSU  es un reactor bioquímico cuyas principales entradas son los residuos sólidos urbanos y el agua; y las principales alidas, los lixiviados-  residuos bajo forma líquida-, y los gases. El agua que se obtiene tras el tratamiento de los lixiviados sirve para usos propios de la instalación o para regar los alrededores. La valorización energética del biogás, que se produce por la digestión anaeróbica de los residuos, permite obtener combustible para los vehículos y producir electricidad.

Biogás: recogida y tratamiento

El gas del vertedero está formado principalmente por metano (CH4) en un 53%, dióxido de carbono (CO2) en un 40%, nitrógeno (N2) en un 3,6%, oxígeno (O2) en un 0,5% y el resto por sulfuros, disulfuros, amoniaco (NH3), hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO).

El biogás se recoge mediante una red de captación formada por pozos de extracción. Estos pozos tienen un diámetro de 500mm, una profundidad de 15 a 25m y un radio de acción de unos 25 metros. Desde los pozos el biogás se aspira por medio de unos sistema de cañerías de distintos diámetros que se unen a los colectores principales y que, a su vez, conducen el biogás hasta la central de aspiración.  Todo el sistema de captación y transporte del biogás se realiza a una presión inferior a la atmosférica.

Tras su captación y antes de ser empleado por el sistema de aprovechamiento enegético, el biogás se somete a un tratamiento, que depende de la aplicación final: si se utiliza como combustible para calderas, basta con una deshumidifición y una eliminación de compuestos corrosivos; en el caso de ser utilizada de motores y turbinas, se precisa una serie de filtros para eliminar la entrada de impurezas.

Todos estos procesos  se llevan a cabo en la planta de Biogás Natural Concentrado Comprimido de Coll Cardús (BNCC). Esta planta se halla instalada en el interior de dos contenedores metálicos unidos, que forman un conjunto independiente.

Energía eléctrica y calorífica

Este proyecto nace para dar solución a las necesidades de la planta de BNCC, que trata el biogás procedente del vertedero como combustible de la flota de vehículos de la empresa. Actualmente, en la planta de BNCC se lleva a cabo un condicionamiento del gas procedente del vertedero, que se compresiona y se almacena para su utilización posterior. Las dos principales neesidades son la energía eléctrica para trabjaar aislada de la red, y la producción de calor para la caldera.

La planta de BNCC requiere calor para la caldera de vapor, que se utiliza en el proceso de limpieza del absorbente, y requiere electricidad para el refrigerador y los compresores. La planta requiere una potencia calorífica de 70 a 90kW  entregada en 0,1kg/s a 95ºC, en función del precalentamiento existente, y una potencia eléctrica de 35 kW a 400 V. La solución propuesta para dar respuesta a estas necesidades consistió en la instalación de una utilidad de tratamiento de gas, una microturbina a biogás y un recuperador de calor, para suministrar electricidad y calor a la planta, tanto si se trabaja en isla como si se exporta la energía eléctrica sobrante a la red de distribución. El biogás procedente de la planta BNCC es el combustible que utiliza la microturbina. Previamente, hay que acondicionar este gas en la unidad de tratamiento de gas, específica para la microturbina, donde se realizan los siguientes procesos:

- limpieza de compuestos de siloxane y ácido sulfhídrico.
- elevación de la presión a la de trabajo para la microturbina
- refrigeración para el secado de gas

En el interior de la microturbina se produce la combustión del biogás, que se convierte en energía eléctrica en los alternadores. En el recuperador de calor se produce un aprovechamento del calor de los gases de ecape de la microturbina, mediante un intercambiador.

La unidad de tratamiento de gas, la microturbina, el recuperador de calor y los equipos auxiliares necesarios para su funcionamiento (compresores, filtro de carbón activo y refrigerador) que, con la excepción del refrigerador, no son los mismos que los de la planta del BNCC, se instalaron en la parte superior de los contenedores metálicos de la planta. Esta solución comportó la necesidad de construir una estructura metálica auxiliar para soportar el peso de todos los equipos necesarios.

Características tecnicas y de funcionamiento de la turbina

La microturbina genera energía a partir del flujo de gas caliente procedente de la combustión del gas en el aire comprimido entrante. Aguas arriba hay un compresor  acoplado mecánicamente a la turbina, donde está la cámara de combustión.  La energía se produce cuando el aire comprimido se mezcla con el combustible y se enciende en lacámara de combustión. los gases resultantes se dirigen directamente a las aspas, haciendo girar e leje de la turbina, y mecánicamente, ejerciendo fuerza sobre el compresor. Al final, los gases pasan a través de una pipeta, que acelera los gases de la combutión al volver a una presión atosférica, y produciendo más empuje. La energía se extrae a partir de un eje de fuerza, aire comprimido, empuje y de sus combinaciones. Se utiliza en aviones, trenes barcos, generadores eléctricos, etc.

Las turbinas de gases industriales tienen gran variedad de dimensiones, desde un contenedor móvil hasta una gran planta de sistemas complejos. Son espeicialmente eficientes, por encima del 60%, cuando el calor de la salida de escape se aplica a un intercambiador de calor para calentar el vapor de entrada de la turbina de vapor, creando un ciclo combinado. También se puede hacer la configuración de cogeneración focalizando la chimenea para calentar agua o una cámara. Además, mediante una nevera de absorción se consigue frío para refrigerar. La configuración de cogeneración puede superar el 90% de eficiencia energética. Las turbinas a gas más grandes, utilizadas para la generación eléctrica, operan a 3.000 revoluciones por minuto para encajar con la frecuencia de la red y disponer de una mínima caja de cambios. Al igual que los motores, la turbina requiere una estructura de cierre específica.

Las turbinas a gas de ciclo simple para generar electricidad requieren menor inversión de capital y pueden ser usadas para producciones grandes o menores. Además, en los actuales procesos productivos pueden estar disponibles en pocos meses, en comparación con los años necesarios en el caso de otras tecnologías. Otra ventaja es la capacidad que tienen de ser detenidas y puestas en marcha en pocos minutos, suministrando energía durante los picos de demanda; este es un uso frecuente de esta tecnología. Una turbina de ciclo simple de gran capacidad puede tener una potencia de 100 a 300 MW y una eficiencia térmica del 35 al 40%; las más eficientes llegan al 146%.

Las microturbinas son ampliamente utilizadas para la generación distribuida, y en aplicaciones que requieren calor y electricidad simultánemente. Abarcan desde unidades pequeñas como la palma de la mano, que producen menos de un kW, a unidades ocomerciales, que producen centenares de kW. Parte de su éxito se debe a las aplicaciones electrónicas, que permiten una operación telemática y su acoplamiento a la red eléctrica. La tecnología conmutada de electrónica de potencia elimina la necesidad de que el generador esté sincronizado con la red eléctrica. Esto permite que elgenerador esté integrado con la turbina y , además, sirva como motor de puesta en marcha

Ventajas de las microturbinas

Los sistemas con microturbinas tienen muchas ventajas respecto a los motogeneradores recíprocos, con mayor densidad de potencia respecto a su medida comparada, y emisiones exremadamente bajas de gases de combustión a la atmósfera, y también una única parte móvil. Estos sistemas se diseñan con cojinetes concéntricos que pierden el contacto cunado el eje gira a gran velocidad, evitando el uso de lubricante típico para cojinetes de rodamiento, ya que no se produce rodamiento. Para este sistema tampoco se precisa presurización externa, puesto que el cojinete se genera automáticamente por hidrodinámica del flujo de aire cuando se crea la alta presión. La refrigeración de la microturbina  no precisa lubricante ni ningún otro material peligroso.

Las microturbinas también tienen la ventaja dedisponer de la mayor parte de calor, a temperatura bastante alta, en la chimenea, mientras que el calor en un motogenerador se pierde, en parte, entre la chimenea y el sistema de refrieración. De todas formas, los motogeneradores son más rápidos para responder a los cambios de potencia de salida a causa de la irregularidad de la demanda, y son elećtricamente más eficientes, aunque la eficiencia de las microturbinas se esté incrementando. Estas también pierden eficiencia a niveles de baja potencia respecto a los motogeneradores. Las microturbinas aceptan, además de la mayor parte de combustibles comerciales, los combutibles de origen renovable como el gas de vertedero, y los de digestión anaeróbica o de plantas depuradoras de aguas residuales.

Los diseños de microturbinas suelen consistir en un compresor y una turbina radial de simple etapa y un recuperador, difícil de diseñar y fabricar, porque trabaja a alta presión y temperatura diferencial. El calor de las chimeneas puede servir para calentar agua, procesos de secado o para neveras de absorción, que crean frío para el aire acondicionado a partir de la energía del calor. La eficiencia típica de la microturbina se sitúa entre el 5 y el 35%, aunque cundo se trabaja en un sistema de cogeneración con calor y electricidad, las eficiencias se incrementan por encima del 80%.

La instalación dispone de un sistema de control y unos equipos de medición para poder realizar un seguimento detallado de la producción y los rendimientos. Los equipos de registro realizan un seguimiento de las distintas medidas, tanto puntuales como totales, neesario para la correcta evaluación del funcionamiento de la instalación. También dispone de un contador bidireccional digital trifásico homologado  precintado por la compañía eléctrica, para registrar la energía exportada a la red.

Magnitudes de instalación

En BNCC se utiliza una caldera de vapor para relizar la aportación de calor necesario para la limpieza del reactivo. El reactivo separa el dióxido de carbono del giobás. El biogás restante contiene una elevada concentración de metano.

La microturbina puede producir una potencia térmica de 70 a 90kW entregada en 0,1 kg/s a 95ºC, en función del precalentamiento existente, y tienen la capacidad el aportar el 100% del calor necesario para la planta. Pese a ser sustituible, la cal dera no se ha inutilizado por completo y servirá en caso de emergencia o en los períodos en los que la microturbina esté parada. Parte de la potencia eléctrica producida por la microturbina - de 65 kW a una tensión de 400 V- puede aprovecharse para el autoconsumo, y el resto exportarse a través de la red de la empresa distribuidora. En el momento en que la intalación esté funcionando en isla, desconectada de la red de la distribuidora de la zona, la planta de BNCC consumirá entre 9 y 35 kW eléctricos producidos por la microturbina y cerca del 100% de calor útil  (90 kW), con un rendimiento del 62%.

En cuanto al rendimiento, hay que decir que la microturbina podrá trabjar en isla y producir electricidad para el autoconsumo de la planta deBCN; o conectada a la red de la distribuidora, exportando electricidad.

El rendimiento mínimo se produce cuando la planta de BNCC está detenida, puesto que no admite energía. En este régimen de funcionamiento, la microturbina produce electricidad únicamente con un rendimiento eléctrico en los bornes del generador de un 29% respecto al combutible de entrada. en caso de que la microturbina trabaje como generadora de corriente y para alimentar con todo el calor útil, lo que implica trabajar a plenacarga, habrá que evacuar la energía eléctrica sobrante que la planta no pueda consumir.

La potencia eléctrica que producirá la microturbina es de 65kW. Se estima una disponibilidad anual de trabajo de 8.000 horas a plena carga. Por lo tanto,se prevé generar una energía eléctrica total de 520 kWh al año, exportable en su conjunto, si no hay autoconsumo.  Los regímenes de funcionamiento de la microturbina permitirán variar el autoconsumo de 0 a 35 kWh, para suministrar energía a la planta de BNCC. En este caso, el autoconsumo anual podría llegar a ser de 280 MWh; por lo tanto, la energía neta exportada a la red de la empresa distribuidora, una vez contabilizado el autoconsumo, es de 240 MWh al año.

Fuente: Tecnodebats, Publicación del Colegio de Ingenieros Técnicos Industriales de Barcelona