Revalorización energética de gas renovable procedente de lodos de EDAR mediante cogeneración

Abstract

En el presente Proyecto de Fin de Máster (PFM) se busca dar respuesta al objetivo de la descarbonización de la economía española. La Unión Europea tiene la intención, materializada en el acuerdo de París, de neutralizar las emisiones de GEI en 2050. En el corto plazo, se propone que las energías renovables alcancen una cuota del 27% en el panorama energético. Actualmente, el gas natural en España es responsable del 20% de las emisiones de GEI. Históricamente España ha optado por la inversión en el desarrollo de alternativas eléctricas; en el plano de los biocarburantes – con una única planta productora de biocombustibles – se ha quedado rezagada respecto a Europa, con un total de 540 plantas. Con el ánimo de incentivar la propuesta europea de la adopción de vectores energéticos limpios también en el sector gasista, el presente trabajo propone una alternativa al gas natural convencional: gas natural renovable (GNR).

El GNR tiene un amplio espectro de aplicaciones con una elevada penetración en la economía. Este estudio se centra en la calefacción de distrito a partir del GNR producido en una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) que da servicio a medio millón de habitantes equivalentes. El biogás que se obtiene es almacenable y se consume en una planta de trigeneración con un ciclo orgánico de Rankine (ORC) capaz de calentar un circuito de agua (para calefacción en invierno, y agua caliente sanitaria a lo largo de todo el año), enfriar un segundo circuito mediante una máquina de absorción (para refrigeración en verano) y producir electricidad gracias a un generador asíncrono accionado por el fluido de trabajo del ORC.

El abastecimiento de la red de distrito se gestiona en función de la temperatura de demanda del agua de la red. Dicha temperatura varía esencialmente con la localización (esto es, el clima de la población) y depende de otros factores de como la ocupación media de las viviendas, la calificación energética de los inmuebles y la tipología de estos. Considerando todo lo expuesto se ha desarrollado una herramienta informática con la que se obtiene la curva monótona de demanda de cada provincia de España. A partir del perfil de demanda se establece el plan de consumo anual del biogás disponible. Para garantizar la máxima rentabilidad de la planta se necesitan calderas de apoyo cuando la potencia es superior a la potencia nominal del ORC (restringida por el biogás disponible). Así, la planta operaría a potencia nominal durante el máximo número de horas satisfaciendo la demanda valle de una población de treinta mil habitantes equivalentes. La calefacción de distrito contribuye a la economía circular y reduce las emisiones de GEI.

In the present final thesis, the author seeks to give an adequate response to the aim of decarbonizing the Spanish economy. The European Union intends, in the shape of the Paris agreement, to neutralize GHG emissions by 2050. In the short term, it is proposed that renewable energies reach a 27% share in the energy panorama. Natural gas in Spain is responsible for 20% of GHG emissions. Historically, Spain has opted for investment in the promotion of electrical alternatives; in the area of biofuels - with only one biofuel production plant - it has lagged behind Europe, with a total of 540 plants. In order to encourage the European proposal for the adoption of clean energy carriers also in the gas sector, this paper proposes an alternative to conventional natural gas.

Renewable natural gas has a wide spectrum of applications with a high penetration in the economy. This study focuses on district heating from biogas produced in a wastewater treatment plant (WWTP) with a population of half a million. The biogas obtained can be stored and is consumed in a trigeneration plant with a Rankine organic cycle (ORC) capable of heating a water circuit (for heating in winter, and domestic hot water throughout the year), cooling a second circuit by means of an absorption machine (for cooling in summer) and producing electricity thanks to an asynchronous generator driven by the working fluid of the ORC.

The supply of the district network is managed according to the temperature demand of the water in the network. This temperature varies essentially with the location (i.e. the climate of the population) and depends on other factors such as the average occupation of the homes, the energy rating of the buildings and their typology. Considering all of the above, a computer tool has been developed with which the monotonous demand curve of each province in Spain can be obtained. From the demand profile, the annual consumption plan of the available biogas is established. To guarantee maximum profitability of the plant, support boilers are required when the power is higher than the ORC nominal power (restricted by the available biogas). Thus, the plant would operate at nominal power for the maximum number of hours, satisfying the valley demand of a population of thirty thousand equivalent inhabitants. District heating with renewable gas contributes to the circular economy and reduces GHG emissions.