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Modelo para el diseño de Sistemas de captación y aprovechamiento de Biogás producido en Rellenos Sanitarios Presentación final ME6909

Alumno: Daniel López Profesor guía: Leonel Núñez Profesor co-guía: Álvaro Valencia

Introducción • Relleno sanitario: Instalación de eliminación de residuos municipales. Energía Aprovechable Biogás (50% CH4)

Electricidad

Calor

Lixiviados

Motivación • Aprovechar POTENCIAL ENERGÉTICO del biogás como fuente ERNC en Chile. • Explorar alternativas de aprovechamiento energético con valor COMERCIAL y SOCIAL. • Inexperiencia en DISEÑO de proyectos de biogás en Chile.

Objetivo General • Desarrollar y validar un modelo para estudios de ingeniería de perfil para proyectos extracción de biogás y sus alternativas de valorización energética.

Objetivos específicos • Revisar Estado del Arte. • Estudiar modelos de producción de biogás. • Caracterizar rellenos tecnologías.

sanitarios

y

seleccionar

• Desarrollar una metodología de diseño.

• Definir casos de estudio y evaluar factibilidad.

Alcances • Modelo de diseño hasta nivel de una INGENIERÍA DE CONCEPTUAL • Se limitará el estudio a un grupo tecnologías de aprovechamiento energético. • Se considera solo el estudio de obras de captación de biogás y su aprovechamiento.

Metodología Revisión Antecedentes generales

Estudio Modelos de predicción

Revisión Estado del Arte sistemas de biogás

Desarrollo de modelo de diseño.

Selección de tecnologías y casos de estudio

Caracterización RS chilenos

Implementación modelo casos de estudio

Antecedentes específicos (1)

Producción de biogás

Tasa de generación de biogás vs Tiempo

Años

Antecedentes específicos (2) Modelos de estimación de producción de biogás • Modelo Estequiométrico • Permite estimar la composición del biogás. • Tasa máxima teórica de generación de biogás. • Modelo LandGEM • Usada para proyectos de ingeniería. • Recomendado por la EPA. • Depende de 2 parámetros “k” y “L0”.

Antecedentes específicos (3) Tecnologías de aprovechamiento Extracción de biogás

Aplicaciones Eléctricas

Tratamientos del biogás

Incineración

Aplicaciones Térmicas

Microturbina de gas

Grado bajo de energía

Calefacción

Motor combustión interna

Grado medio de energía

Calor de proceso

Turbina de gas

Grado alto de energía

Gas de cañería, LNG,CNG

Antecedentes específicos (4) Caso exitoso en Chile: Loma los Colorados, Santiago. • Capacidad 100 millones de toneladas. • Generación eléctrica con motores en 3 fases: • Fase I: 2 [MW] • Fase II: 10 [MW] • Fase III: 21[MW]

Caracterización rellenos sanitarios Región I II III IV V RM VI VII VIII IX XIV X

Max. Generación Potencia térmica Relleno sanitario de metano equivalente promedio [dam3/año] [kW] Pozo Almonte 91 86 Quebrada Ancha 409 393 Copiapó 4.194 3.806 Panul 3.848 3.158 El Molle 10.655 9.889 Santiago 28.926 26.479 Poniente Santa Marta 32.080 29.251 Las Quilas 28 25 El Retamo 6.521 6.515 Los Ángeles 3.961 3.765 Freire 365 360 Los Ríos 5.603 4.596 Osorno 3.546 3.059

Caracterización rellenos sanitarios Región I II III IV V RM VI VII VIII IX XIV X

Max. Generación Potencia térmica Relleno sanitario de metano equivalente promedio [dam3/año] [kW] Pozo Almonte 91 86 Quebrada Ancha 409 393 Copiapó 4.194 3.806 Panul 3.848 3.158 El Molle 10.655 9.889 Santiago 28.926 26.479 Poniente Santa Marta 32.080 29.251 Las Quilas 28 25 El Retamo 6.521 6.515 Los Ángeles 3.961 3.765 Freire 365 360 Los Ríos 5.603 4.596 Osorno 3.546 3.059

Caracterización rellenos sanitarios Región I II III IV V RM VI VII VIII IX XIV X

Max. Generación Potencia térmica Relleno sanitario de metano equivalente promedio [dam3/año] [kW] Pozo Almonte 91 86 Quebrada Ancha 409 393 Copiapó 4.194 3.806 Panul 3.848 3.158 El Molle 10.655 9.889 Santiago 28.926 26.479 Poniente Santa Marta 32.080 29.251 Las Quilas 28 25 El Retamo 6.521 6.515 Los Ángeles 3.961 3.765 Freire 365 360 Los Ríos 5.603 4.596 Osorno 3.546 3.059

Selección de tecnologías • Generación eléctrica: Motores a combustión interna (4 [MWe] a 12 [MWe]). • Cogeneración: Microturbinas. (30 [kWe] a 2000 [KWe]). • Uso directo del biogás: Calderas para distribución de agua caliente y/o vapor. • Uso directo del biogás: Evaporación de lixiviados.

Modelo de diseño Caracterización del relleno sanitario y sus condiciones

Estimación producción de biogás

Diseño sistema de extracción y conducción

Estimación eficiencia de extracción y potencial energético disponible

Estimaciones de costos de capital

Análisis de factibilidad económica

Estimación de costos O&M

Selección de equipos

Selección de tecnología de aprovechamiento energético

Análisis de casos • Caso 1: Relleno sanitario de Osorno.

Caso 1

GENERACIÓN DE BIOGÁS [FT3/MIN]

Capacidad de [ton] Población inicialmente

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2016

residuos

1.937.000

servida

Potencia térmica promedio [MW] Potencia térmica máxima [MW]

2026

2036

2046

2056

2066

2076

2086

2096

TIEMPO [AÑO] biogás capturado biogás total generado

257.000

2,5

3,5

Aprovechamiento energético Cogeneración con microturbinas • 5 unidades de 200 [kWe]. • Venta de energía eléctrica a consumidor industrial. • Venta de vapor a consumidor industrial y agua caliente a red distrital.

Generación de vapor y agua caliente con calderas • Caldera de vapor 2.600 [kW] y agua caliente 200 [Kw]. • Venta de vapor a cliente industrial. • Venta de agua caliente sanitaria y vapor para calefacción a red distrital.

Análisis económico • • • • •

Energía eléctrica 62,2 [CLP/kWh]. Vapor para calor industrial 20 [CLP/kWh]. Calor agua caliente sanitaria distrital 78 [CLP/kWh]. Vapor o agua caliente para calefacción 25 [CLP/kWh]. Precio CER 2.278 [CLP/ton CO2]. Microturbinas

Indicador Valor TIR privado [%] 8 VAN privado [CLP] -393.189.850 TIR social [%] 0 VAN social [%] -1.961.197.277

Calderas

Indicador Valor TIR privado [%] 2,65 VAN privado [CLP] -1.336.494.308 TIR social [%] 26,04 VAN social [%] 9.268.240.588

Análisis de casos • Caso 2: Relleno sanitario de El Molle.

1600

GENERACIÓN DE BIOGÁS [FT3/MIN]

Caso 2

1400 1200 1000 800 600 400

200 0 2014

2034

2054

2074

2094

2114

2134

TIEMPO [AÑO] biogás capturado

biogás total generado

Potencia térmica promedio [MW] Potencia térmica máxima [MW] Capacidad de [ton] Población inicialmente

residuos servida

8,2 10,5

6.450.517 830.000

Aprovechamiento energético Generación eléctrica con motores • 4 unidades de 1.000 [kWe]. • Venta de energía eléctrica a la red.

Evaporación de lixiviados • 6 unidades de 36 [m3/día]. • 150 [m3 biogás / m3 lixiviado].

Análisis económico • • • • •

Precio energía electrica 62,2 [CLP/kWh]. Precio potencia 60.948 [CLP/kW]. Precio CER 2.278 [CLP/ton CO2] Precio atributo ERCN 4 [CLP/kWh]. Ahorro por evaporación 15.500 [CLP/m3 de lixiviado] Motores

Indicador TIR privado [%] VAN privado [CLP]

Evaporadores y sist. extracción

Valor 10,6 404.679.573

Indicador Valor TIR privado [%] 0,81 VAN privado [CLP] -2.530.977.675 Solo evaporadores

Indicador TIR privado [%] VAN privado [CLP]

Valor 11,28 157.217.975

Discusiones • El potencial energético de rellenos caracterizados es bastante conservador. • La mayoría de los proyectos de analizados no es rentable privadamente, debido a los bajos precios de ventas de productos energéticos. • Se valida que los proyectos de generación eléctrica con motores son rentables, incluso a potencias cercanas a 4 [MW]. • Proyectos de calefacción son socialmente rentables, al sustituir leña en zonas saturadas.

Conclusiones • Se estudio el estado del arte, identificando principales alternativas para extracción y aprovechamiento energético de biogás. • Se emplean el modelo LandGEM y se validan algunos de sus resultados. • Se caracteriza rellenos sanitarios nacionales, se identifican varios con potencial de aprovechamiento de biogás. • Se desarrolla y aplica el modelo de estudio para los casos definidos.