ES2340514T3 - Planta de biogas y modulo para planta de biogas. - Google Patents
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Abstract
Una planta de biogás con al menos un biodigestor y con módulos que alojan las partes técnicas de la planta, en particular la unidad de control de proceso, el sistema de bombeo y al menos una central para producción combinada de calor y electricidad, en la cual los módulos (4, 5) tienen garajes prefabricados (6) que actúan como estructuras o armazones protectores y como contenedores que alojan las unidades técnicas, en la cual los garajes prefabricados (6) están fabricados con materiales de construcción de origen mineral diseñados adecuadamente para alojar los módulos (4, 5).
Description
Planta de biogás y módulo para planta de
biogás.
La invención se refiere a una planta de biogás
de acuerdo con la primera parte de la Reivindicación 1 y a un módulo
para una planta de biogás de acuerdo con la primera parte de la
Reivindicación 7.
El biogás es una mezcla de gases generada a
través de descomposición microbiana, en un ambiente anaeróbico, de
sustancias orgánicas y que comprende entre 50 y 70% de metano
(CH_{4}), un portador de energía de alta calidad. Otros
componentes son de 30 a 40% de dióxido de carbono (CO_{2}), junto
con trazas de ácido sulfhídrico, nitrógeno, hidrógeno y monóxido de
carbono.
Debido a su alto contenido energético, el biogás
puede utilizarse como portador de energía para el calor y la energía
eléctrica generados. El valor calorífico promedio del biogás es del
orden de las 6.000 kcal/m^{3} (= 25.000 kJ/m^{3}). Por lo tanto,
el calor térmico de un m^{3} de biogás corresponde al de alrededor
de 0,6 l de petróleo para calefacción.
Para generar biogás, se utilizan recipientes de
fermentación y el biogás resultante se consume en calderas o motores
para generar electricidad. En principio, se pueden utilizar todos
los tipos de biomasa como materia prima para la producción de
biogás, siempre y cuando sus principales componentes sean hidratos
de carbono, proteínas, grasas y celulosa. Las sustancias orgánicas
que pueden utilizarse para la producción de biogás son generalmente
productos residuales o subproductos de varios sectores de la
industria y otras actividades. De la agricultura se pueden
aprovechar, por ejemplo, estiércol líquido y sólido, residuos
resultantes de producción de plantas, pero también plantas
especialmente cultivadas para este fin. También pueden utilizarse
residuos vegetales provenientes de fábricas de cerveza y de la
industria procesadora de verduras, junto con fango orgánico y
efluentes de procesos industriales. Asimismo es posible utilizar
productos de origen animal o aquellos provenientes de basureros
municipales. En principio, las plantas de biogás disponen de un
biodigestor para fermentar el sustrato. Se conoce el uso de
biodigestores con un volumen de, por ejemplo, 150 a 1.000 m^{3}.
En casos individuales, los biodigestores también pueden tener un
volumen significativamente mayor. Por ejemplo, se conoce un
biodigestor de un volumen de 8.000 m^{3}. El sustrato se mantiene
en el biodigestor durante varios días, periodo en el cual se genera
biogás como resultado de la actividad de los
micro-organismos. El biogás del biodigestor se
desulfura por conversión bioquímica y el ácido sulfhídrico se
convierte en azufre en su condición elemental original. Para evitar
la aparición de capas de espuma y capas de sedimentación, el
sustrato se agita según su composición. Esto también facilita el
escape de los gases que se desprendan. El sustrato fermentado se
transfiere luego a un depósito final que deberla ser sellado en la
mayor medida posible para evitar fugas de biogás residual.
A continuación, el biogás recién producido se
seca y se purifica a través de un filtro de seguridad.
La biomasa remanente después de la fermentación
puede utilizarse como fertilizante biológico.
El biogás como fuente de energía puede
utilizarse de manera muy eficaz para el funcionamiento de un enlace
calor-electricidad en una central para producción
combinada de calor y electricidad. En dicha planta el biogás se
utiliza como combustible de un motor diesel o a gasolina que acciona
un generador para producir electricidad. El calor que se desprende
del motor puede utilizarse como energía térmica para el biodigestor,
mientras que la electricidad generada alimenta la red eléctrica.
En particular se conoce que los componentes de
una planta de biogás son modulares, es decir, que las centrales para
producción combinada de calor y electricidad son modulares. En
términos generales, estos módulos se alojan en contenedores
esencialmente conocidos, con tuberías apropiadas que conducen a
otros componentes pertinentes de la planta.
Sin embargo, en el caso de los módulos alojados
dentro de contenedores, se suscita la desventaja de que los
contenedores convencionales no son lo suficientemente herméticos
para evitar la fuga de fluidos industriales como, por ejemplo,
aceites y otros. Por lo tanto, dichos contenedores deben mejorarse
mediante la soldadura de placas metálicas adicionales sobre su
superficie, lo cual resulta especialmente costoso. Asimismo, sin
medidas especiales, la vibración de los motores de combustión
interna se transfiere al contenedor, que generalmente está fabricado
con chapa metálica, lo cual genera problemas de vibración.
La construcción conocida del contenedor a partir
de chapa metálica también ocasiona problemas de aislamiento acústico
puesto que las centrales para producción combinada de calor y
electricidad generan un nivel de ruido considerable.
El documento US 5.656.491 A describe una planta
construida con módulos móviles para el desarrollo y producción de
productos biotecnológicos en escala experimental. La planta
comprende por lo menos dos módulos que pueden estar conectados e
integrados entre sí. Cada uno de los módulos móviles está
constituido por un contenedor móvil, y por lo menos un contenedor
constituye un entorno aséptico. Los módulos que incluyen un entorno
aséptico pueden contener tanques para materiales de alimentación,
ácido, solución alcalina y soluciones tampón, biorreactores y otros
aparatos para el cultivo de microorganismos y otros, modificados
según se requiera, por ejemplo genéticamente modificados, materiales
biológicos, máquinas centrifugas, aparatos de ultrafiltración y
homogenización, columnas de cromatografía, secadores por
congelación, autoclaves y otros aparatos comúnmente utilizados en
procesos biotecnológicos. Los otros módulos pueden contener equipos
tales como acondicionadores de aire, generadores, unidades de
producción para enfriamiento de agua, calderas para vapor puro y
vapor industrial, suavizadores de agua, unidades de osmosis
invertida, compresores de aire y similares. Los módulos individuales
pueden estar conectados por módulos de interconexión adicionales, lo
cual permite el acceso del personal de servicio a dichos módulos, y
además son asépticos. Puesto que el tipo y número de módulos
requeridos puede variar, sería posible crear una planta que cumpla
exactamente con los requerimientos del usuario y que tenga gran
flexibilidad. Asimismo, esta característica facilita un rápido
ensamblaje y desensamblaje de la planta así como también su uso para
otros fines.
En el documento DE 199 58 142 A1 se describe una
planta de biogás móvil. A los efectos del transporte, se considera
que la planta de biogás es rentable gracias a su estructura modular,
y que su capacidad de fermentación se adapta para cumplir con las
necesidades requeridas. Sería posible transportar los componentes de
la planta utilizando camiones diseñados para el transporte de
contenedores convencionales. La planta comprende un biodigestor y
una sección de generación de energía, alojados en por lo menos dos
contenedores convencionales separados o estructuras de contenedores
convencionales. El sistema puede convertirse durante el
funcionamiento, gracias a la estructura modular, de un sistema de
utilización de biogás (por ejemplo, conversión a generación de
electricidad/calor en la central para producción combinada de calor
y electricidad) a otro sistema (por ejemplo, combustión catalítica o
carga del
biogás).
biogás).
El documento WO 94/19120 describe un aparato
para la extracción de biogás en lugares destinados a la evacuación
de desechos. El biogás extraído se envía, dentro de la planta, a una
caldera o a un generador accionado por un motor que convierte el
biogás extraído en electricidad. El sistema contiene un módulo que
envía el gas a la caldera o al generador de gas accionado por un
motor. El módulo se aloja en un contenedor convencional, que está
dividido entre una cámara de control y una cámara de bombas. La
cámara de control y la cámara de bombas se separan una de otra
mediante un muro estanco a los gases. Los instrumentos de medición y
de control de la planta están ubicados en la cámara de bombas.
En el documento EP 0 264 567 A2 se describe un
biorreactor. Este biorreactor comprende un tanque de reactor que
contiene varios módulos de reactor separados entre sí. Estos módulos
de reactor son alimentados conjuntamente mediante una tubería de
agua no tratada que conduce al tanque de reactor. Al mismo tiempo el
tanque de reactor actúa como un tanque de suministro para el agua no
tratada. Por lo tanto, se puede prescindir de un tanque separado
para almacenar agua no tratada y en dicho tanque es posible efectuar
un simple control de temperatura del gran volumen de líquido. El
tanque de reactor actúa como un tanque de almacenamiento de calor
con una superficie emisora de calor mucho menor que los módulos
individuales. Debido a esto, la temperatura deseada para el proceso
biológico puede alcanzarse y mantenerse fácilmente con un
intercambiador de calor y una bomba relativamente pequeña.
En el documento DIN EN 13978-1
se definen garajes de hormigón prefabricado y se ofrecen
especificaciones exhaustivas sobre materiales de construcción,
fabricación, resistencia a influencias mecánicas, resistencia al
fuego y comportamiento en caso de incendio, propiedades de
aislamiento acústico, propiedades de aislamiento térmico y
durabilidad.
El problema que plantea la presente invención es
ofrecer una planta de biogás de estructura modular y con alta
flexibilidad en la cual los módulos individuales son herméticamente
cerrados, tienen propiedades mejoradas de aislamiento acústico y en
cuanto a las vibraciones y son asimismo considerablemente más
convenientes que las plantas de biogás conocidas.
El problema se resuelve mediante una planta de
biogás con las características de la reivindicación 1 y mediante un
módulo con las características de la reivindicación 7.
Se identifican desarrollos favorables en las
reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con la invención, los garajes
prefabricados se utilizan como estructuras protectoras para alojar o
formar los módulos. Estos garajes prefabricados pueden equiparse
fácilmente con las unidades de energía pertinentes y transportarse.
Puesto que su construcción requiere materiales de origen mineral y,
en particular, hormigón, las paredes están especialmente
insonorizadas debido a su peso. Asimismo, los garajes prefabricados
utilizados, puesto que están inicialmente diseñados para alojar
máquinas, también están herméticamente cerrados para evitar fugas de
fluidos industriales, mientras que los materiales de construcción
utilizados no presentan especialmente problemas relacionados con la
vibración.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
módulo básico, por ejemplo, al lado del biodigestor. Este módulo
básico tiene la forma de un garaje prefabricado que contiene el
sistema de bombeo, el sistema de ventilación, el equipo de
ingeniería eléctrica y la unidad de control. Asimismo, según la
invención se ofrece al menos una central para producción combinada
de calor y electricidad adicional que comprende un motor, un
generador, la lógica de circuito pertinente, un intercambiador de
calor, una unidad de refrigeración por circulación y la unidad de
procesamiento de gas. Estos módulos pueden tener la via de acceso
esencialmente conocida para garajes prefabricados como, por ejemplo,
puertas de garaje y/o puertas laterales. De acuerdo con la
invención, los módulos pertinentes también tienen, sobre las paredes
exteriores o sobre el techo, interfaces de conexión para la conexión
de tuberías o lineas de evacuación de desechos o suministro
eléctrico. Preferentemente, las interfaces de conexión están
estandarizadas de modo que existe, por ejemplo, una interfaz
estándar de un módulo de control para una geometría de conexión
estándar de un módulo combinado para producción de calor y
electricidad.
Preferentemente, el módulo básico para, por
ejemplo, alojar la unidad de control de proceso y el sistema de
bombeo también tiene puntos de interfaz libres o interfaces ya
disponibles para módulos combinados para producción de calor y
electricidad. Por lo tanto, es posible, en particular, por ejemplo,
conectar múltiples módulos combinados para producción de calor y
electricidad a un módulo básico común.
Si una planta de biogás construida de manera
adecuada se amplía en etapas, es posible por lo tanto conectar un
biodigestor a un módulo básico e inicialmente, por ejemplo, a un
módulo de central para producción combinada de calor y electricidad
y, a medida que aumenta la producción de biogás, conectar, por
ejemplo, hasta 4 módulos combinados para producción de calor y
electricidad al módulo básico. Si la capacidad del módulo básico se
agotase, se podría agregar un módulo básico adicional, por ejemplo.
Preferentemente, los módulos básicos por lo tanto también tienen
interfaces para entrelazar o interconectar varios módulos
básicos.
En el caso de la invención es conveniente que
una planta de biogás se fabrique de tal manera que sea posible
ensamblarla por módulos y que los módulos individuales se alojen
dentro de garajes prefabricados herméticamente cerrados, con
aislamiento acústico mejorado, problemas de vibración reducidos y
costes más bajos.
La invención se explica a titulo de ejemplo con
la ayuda de dibujos que muestran lo que se indica a
continuación:
Figura 1: Corte parcial lateral de un módulo
básico de planta de biogás
Figura 2: Vista esquemática en planta del módulo
según la Figura 1
Figura 3: Corte parcial de una vista trasera del
módulo de la Figura 1
Figura 4: Corte parcial lateral de un módulo
combinado para producción de calor y electricidad de una planta de
biogás
Figura 5: Corte parcial de una vista en planta
del módulo de la Figura 4
Figura 6: Corte parcial de una vista trasera del
módulo de la Figura 4
Figura 7: Vista en perspectiva de una planta de
biogás de acuerdo con la invención
Figura 8: Variante expandida y aumentada de una
planta de biogás según la Figura 7.
\vskip1.000000\baselineskip
Una planta de biogás 1 según la invención
(Figuras 7, 8) tiene al menos un biodigestor 2, un depósito de
material de desecho para material fermentado 3 y al menos un módulo
básico 4 y un módulo combinado para producción de calor y
electricidad 5.
El módulo básico 4 y el módulo combinado para
producción de calor y electricidad 5 se proporcionan cada uno dentro
de un garaje prefabricado 6. Un garaje prefabricado a los fines de
la presente invención es un edificio estandarizado, de forma
cuadrada con al menos un panel de suelo y varias paredes laterales
de materiales de construcción de origen mineral, en particular,
hormigón, en el cual el techo también está hecho preferentemente de
este material de construcción de origen mineral. El panel del suelo,
las paredes laterales y el techo forman un cuerpo integral.
El garaje prefabricado tiene sobre las paredes
laterales una o más aberturas con puertas y/o portones que cierran
la abertura.
Dichos garajes prefabricados se producen en
grandes cantidades motivo por el cual se ofrecen a buen precio y, a
la vez, cumplen con estrictos requisitos en cuanto a aislamiento
acústico, amortiguamiento de vibraciones y sellado.
El módulo básico 4 comprende, según se indica
más arriba, un garaje prefabricado 6, que está dividido por una
pared 9 (Figuras 1 a 3). Como resultado, se forman una cámara de
control 7 y una cámara de bombas 11. La cámara de control 7 contiene
armarios de interruptores 8 para toda la planta, así como también,
en particular, ordenadores industriales para operar la planta. La
pared divisoria 9 separa la cámara de control 7 y la cámara de
bombas 11 herméticamente una de otra.
Una entrada 10, ubicada, por ejemplo, en la
parte lateral del cuerpo del garaje, lleva a la cámara de control
7.
La cámara de bombas 11 incluye dos motores
eléctricos 12, montados, por ejemplo, axialmente adyacentes uno
respecto del otro. Aquí uno de los motores 12 actúa sobre un
macerador 13a para macerar el sustrato fermentado, y el motor
adyacente 12 sobre una bomba de rotor excéntrico 13b, mientras que
el flujo de fluidos del macerador 13a y de la bomba de rotor
excéntrico 13b están conectados.
Desde la bomba de rotor excéntrico 13b sale una
tubería 14 que conduce a un brazo distribuidor 16 con tapas
neumáticas corredizas del lado de la presión y con conexiones
apropiadas para conectar lineas de presión adicionales a la parte
exterior del módulo básico 4. De la misma manera, se proporciona un
brazo distribuidor 17 con tapas neumáticas corredizas aguas arriba
del macerador 13a del lado de la succión, similarmente con
conexiones apropiadas para conectar todas las lineas de succión.
Asimismo, se puede proporcionar un dispositivo de medición de flujo
15 en la tubería 14. El brazo distribuidor 17 del lado de la succión
está conectado con lineas que conducen al biodigestor, a un
biodigestor secundario (no mostrado) y a un grupo inicial desde el
cual se alimenta el biodigestor. El brazo distribuidor 16 del lado
de la presión está conectado a lineas que conducen al biodigestor,
el grupo inicial, al biodigestor secundario y al depósito de
material de desecho. La bomba es, por lo tanto, de uso universal,
capaz de transferir el material de un contenedor a otro o también de
hacerlo circular en el biodigestor, haciéndolo salir y entrar del
mismo.
Adicionalmente, se pueden ofrecer cavidades en
el suelo o preparar el suelo para dichas cavidades en la zona de la
cámara de bombas 11 con el propósito de facilitar un recorrido de
tuberías libre de congelamiento a través del suelo y bajo
tierra.
Asimismo, preferentemente en la cámara de bombas
11, se puede proporcionar un compresor (no mostrado) para
suministrar aire comprimido a la tapa neumática y, cuando sea
preciso, se puede proporcionar un compresor lateral para generar el
flujo de aire para la desulfuración biológica (no mostrado).
El módulo combinado para producción de calor y
electricidad 5 se aloja de forma similar en un garaje prefabricado
6. El módulo combinado para producción de calor y electricidad 5
comprende un módulo de motor 20 con un generador (no mostrado)
conectado al módulo de motor.
El módulo de motor 20 también se ofrece con un
recipiente de expansión 23 para el motor 20, más un enfriador de
agua 29 que está montado sobre el techo del garaje 6. Asimismo, el
módulo combinado para producción de calor y electricidad 5 contiene
un enfriador de emergencia 28 también montado sobre el techo del
garaje 6.
Para hacer uso eficaz del calor resultante,
también se ofrece un distribuidor de calor con bomba de circulación
21 para utilizar el calor de desecho en el módulo combinado para
producción de calor y electricidad, mientras que adicionalmente se
ofrece un intercambiador de gases de escape y calor 26 a través del
cual se hacen pasar los gases de escape antes de que se envíen al
canal de humos de gases de escape apropiado con silenciador sobre el
techo del garaje.
Asimismo se proporciona un ventilador 24 para
ventilar el garaje y preferentemente se monta de forma tal que el
flujo de aire se dirija por encima del módulo de motor 20.
Asimismo se ofrece una unidad de tratamiento de
biogás 27 que comprende, por ejemplo un filtro de carbón activado y
un deshumidificador de biogás para el correcto tratamiento del
biogás antes de que se envíe a la central para producción combinada
de calor y electricidad. Se ofrece también un armario de
interruptores 22 para el encendido y apagado, y control de la
central para producción combinada de calor y electricidad.
En una configuración básica, una planta de
biogás 1 comprende un biodigestor 2 y un depósito de material de
desecho 3 para material fermentado, junto con un módulo básico 4 y
un módulo combinado para producción de calor y electricidad 5. Si
dicha planta se amplia (Figura 12) se agregan, por ejemplo, dos
biodigestores adicionales y se conectan al módulo básico 4 por
encima de las conexiones pertinentes 16, 17. Con el fin de poder
utilizar la mayor cantidad de gas posible, en particular, sin que
sea necesario montar una instalación de almacenaje intermedio, se
agrega un módulo combinado para producción de calor y electricidad 5
y se conecta a través de las tuberías pertinentes 16, 17 y las
conexiones 16, 17 respectivamente.
El módulo básico 4 se conecta al módulo
combinado para producción de calor y electricidad 5 únicamente por
medio de una linea de datos eléctrica y un cable de alimentación.
Entre los módulos no existen tuberías que conecten uno con otro. La
conexión de gas de los módulos combinados para producción de calor y
electricidad 5 se realiza a través de una tubería que parte del
biodigestor y pasa a través del panel del suelo del módulo combinado
para producción de calor y electricidad 5.
Por motivos de seguridad es importante que la
cámara de bombas 11 esté separada respecto del módulo combinado para
producción de calor y electricidad 5.
En el caso de la invención es importante que los
módulos 4 y 5 se alojen en garajes prefabricados 6, lo cual da como
resultado una planta simple y segura, hermética, insonorizada,
rentable e insensible a vibraciones y oscilaciones.
Claims (12)
1. Una planta de biogás con al menos un
biodigestor y con módulos que alojan las partes técnicas de la
planta, en particular la unidad de control de proceso, el sistema de
bombeo y al menos una central para producción combinada de calor y
electricidad, en la cual los módulos (4, 5) tienen garajes
prefabricados (6) que actúan como estructuras o armazones
protectores y como contenedores que alojan las unidades técnicas, en
la cual los garajes prefabricados (6) están fabricados con
materiales de construcción de origen mineral diseñados adecuadamente
para alojar los módulos (4, 5).
2. Una planta de biogás de acuerdo con la
reivindicación 1, en la cual un módulo (4) es un módulo básico que
aloja el sistema de bombeo y/o el sistema de ventilación y/o el
equipo de ingeniería eléctrica y/o la unidad de control de
proceso.
3. Una planta de biogás de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en la cual un módulo (5) constituye un módulo
de central para producción combinada de calor y electricidad que
comprende al menos un motor de combustión interna (20) y/o un
generador y/o la lógica de circuito para este último y/o un
intercambiador de calor y/o una unidad de refrigeración por
circulación y/o una unidad de procesamiento de gas.
4. Una planta de biogás de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual los
módulos (4, 5) incluyen interfaces de conexión para la conexión con
otros módulos (4, 5) y/o componentes de planta.
5. Una planta de biogás de acuerdo con la
reivindicación 4, en la cual las interfaces de conexión contienen
conexiones para el suministro de energía para las líneas de datos
del sistema de lógica de circuito.
6. Una planta de biogás de acuerdo con la
reivindicación 4 ó 5, en la cual cada una de las interfases de
conexión está estandarizada para conectarse con otro módulo (4, 5) o
de otro módulo (4, 5) o de otro componente de planta situado fuera
de un módulo.
7. Módulo para una planta de biogás en
particular para una planta de biogás de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6 y que contiene partes de la planta de
biogás (1), en particular la unidad de control de proceso, el
sistema de bombeo (21) y/o una central para producción combinada de
calor y electricidad, montada en una estructura protectora en la
cual la estructura protectora es un garaje prefabricado (6)
fabricado con materiales de construcción de origen mineral.
8. Un módulo de acuerdo con la reivindicación 7
en el cual el módulo (5) constituye una central para producción
combinada de calor y electricidad.
9. Un módulo de acuerdo con la reivindicación 7
en el cual el módulo (4) está diseñado como un módulo básico que
contiene el sistema de bombeo y/o el sistema de ventilación y/o el
equipo de ingeniería eléctrica y/o la unidad de control de
proceso.
10. Un módulo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 9 en el cual el garaje prefabricado (6) es un
edificio cuboidal con al menos un panel de suelo y varias paredes
laterales fabricadas con materiales de construcción de origen
mineral, en particular hormigón, en el cual el techo también está
hecho preferentemente de estos materiales de construcción de origen
mineral.
11. Un módulo de acuerdo con la reivindicación
10 en el cual el panel del suelo, las paredes laterales y el techo
forman un cuerpo integral.
12. Un módulo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 11 en el cual el garaje prefabricado (6) tiene
sobre las paredes laterales una o más aberturas con puertas y/o
portones que cierran la abertura.
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