Ground source heat pump driven by reciprocating engine firing biomethane from wastewater treatment plant sludge in a cogeneration for district heating and cooling. A case study in Spain

Abstract

Las plantas de tratamiento de aguas residuales son una instalación clave en los municipios para alcanzar la calidad de agua requerida antes de regresar al medio ambiente. Su consumo energético constituye el coste más crítico de su operación, aunque los lodos producidos en el tratamiento pueden ser alimentados a un digestor anaeróbico para producir biogás. Dicho biogás generalmente se quema en un motor alternativo de cogeneración que produce energía inyectada en la red y calor para mantener la temperatura requerida en el digestor. Esta técnica de recuperación de energía también evita las emisiones directas de metano del biogás a la atmósfera. En este trabajo se propone una alternativa de valorización energética de los lodos, buscando cubrir la demanda térmica tanto invernal como estival del municipio cuyas aguas residuales son tratadas por la planta.

Se supone que hay disponible una red de calefacción y refrigeración urbana en el municipio, cuya demanda será cubierta (total o parcialmente) por el sistema propuesto. Se ha evaluado la producción de biogás de un gran número de estaciones depuradoras de aguas residuales en España. Este combustible se actualizará a biometano para inyectar un eventual excedente de generación en la red de gas natural. La demanda térmica horaria se estima a partir de una expansión de elaboración propia de las expresiones anuales dadas en la normativa española. Se asume un alto nivel de aislamiento en las viviendas del municipio para alcanzar el nivel máximo de cobertura de la demanda térmica. La calefacción y refrigeración por suelo radiante se utiliza como sistema final de aire acondicionado. La conversión se lleva a cabo suministrando el biometano a un motor alternativo de cogeneración, cuya potencia acciona una bomba de calor geotérmica y su calor recuperado se utiliza para el acondicionamiento térmico del digestor de biogás así como para calefacción en invierno.

Los resultados muestran que para una planta de tratamiento de 50000 habitantes, el porcentaje de cobertura de la demanda térmica oscila entre el 28% y el 51% y el coste nivelado de calefacción y refrigeración entre los 38 y los 65 €/MWhth. Generalmente, el costo más bajo se alcanza en zonas con un porcentaje de cobertura intermedio. Incluso con viviendas de alto aislamiento y sistemas de alta eficiencia, el porcentaje de cobertura de la demanda térmica es bajo. Esto sugiere que la producción de biometano de todo el municipio puede destinarse a satisfacer la demanda completa de un distrito seleccionado, construido con altos estándares. Este distrito podría estar enfocado a viviendas sociales.

Wastewater treatment plants are a key facility in municipalities to reach the required water quality before returning to the environment. Their energy consumption constitutes the most critical cost in their operation, although sludge produced in the treatment can be fed into an anaerobic digester to produce biogas. Such biogas is usually burnt into a cogeneration reciprocating engine that produces power injected into the grid and heat to maintain the required temperature in the digester. This energy recovery technique also avoids direct methane emissions from the biogas to the atmosphere. An alternative energy recovery of the sludge is proposed in this paper, seeking to cover both the winter and summer thermal demands of the municipality whose wastewater is treated by the plant.

A district heating and cooling network is assumed to be available in the municipality, whose demand will be met (total or partially) by the proposed system. The biogas production has been assessed from a large number of wastewater treatment plants in Spain. This fuel will be upgraded to biomethane to inject eventual surplus generation into the natural gas grid. The hourly thermal demand is estimated from a self-elaboration expansion of annual expressions given in Spanish regulations. A high insulation level in the dwellings of the municipality is assumed to reach the maximum thermal demand coverage level. Underfloor heating and cooling is used as final air conditioning system. The conversion is carried out by supplying the biomethane to a cogeneration reciprocating engine, whose power output drives a ground source heat pump and its recovered heat is used for the thermal conditioning of the biogas digester as well as for heating in winter.

The results show that for a 50000 inhabitants treatment plant, the thermal demand coverage percentage ranges from 28% to 51% and the levelized cost of heating and cooling from 38 to 65 €/MWhth. Generally, the lowest cost is reached in zones with an intermediate coverage percentage. Even with high insulation dwellings and high-efficiency systems, the thermal demand coverage percentage is low. This suggests that biomethane production from all the entire municipality can be devoted to meet a selected district's complete demand, built with high standards. This district might be focused on social dwellings.