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El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano usando Tecnología de Microalgas Raúl Muñoz ( mutora @iq.uva.es) Instituto de Procesos Sostenibles Valladolid University

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Page 1: El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano ...€¦ · 8/12/2018  · El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano usando Tecnología de Microalgas Raúl Muñoz

El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano usando

Tecnología de Microalgas

Raúl Muñoz (mutora @iq.uva.es)Instituto de Procesos Sostenibles

Valladolid University

Page 2: El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano ...€¦ · 8/12/2018  · El ciclo del agua II: Proyecto innovador de Biometano usando Tecnología de Microalgas Raúl Muñoz

The biogas upgrading market

(IEA Bioenergy 2018)

Today….

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Physical/Chemical CO2 removal Technologies

(Bauer et al. 2013)

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Physical/Chemical CO2 removal Technologies

0.4-0.51 kWh Nm-3

0.55 kWh Nm-3

(Bauer et al. 2013)

Energy demand: 3-12 % energy content of Biogas

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Technology Niche

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Photosynthetic Biogas Upgrading

Microalgae recycling

Upgraded biogas

Raw biogas

Nutrient solution HRAP Sedimentation

tank

Ab

sorp

tio

n

colu

mn

▪ Photosynthetic fixation of CO2 as algalbiomass→ Valorization

CO2 + H2O + Light→ O2 + microalgae

▪ Free nutrient source: Digestate

▪ Simultaneous removal of H2S

▪ [CH4] > 95 %

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Photosynthetic Biogas Upgrading

CH4 > 95 %, CO2 < 1 %, N2 < 3%, O2< 0.5 %

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Photosynthetic Biogas Upgrading

Microalgae recycling

Upgraded biogas

Raw biogas

Nutrient solution HRAP Sedimentation

tank

Ab

sorp

tio

n

colu

mn

LG

Key operational parameter: Recycling Liquid/Biogas ratio

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Photosynthetic Biogas Upgrading

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Photosynthetic Biogas Upgrading

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Photosynthetic Biogas Upgrading

LG

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Photosynthetic Biogas Upgrading

CO2 content (%) in the upgraded biogas with the control system(green) and without control system (blue) under biogas flow rateperturbation (red)

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Photosynthetic Biogas Upgrading

Microalgae recycling

Upgraded biogas

Raw biogas

Nutrient solution HRAP Sedimentation

tank

Ab

sorp

tio

n

colu

mn

▪ The high pH value→ High H2S masstransfer

▪ RE-H2S > 99 %

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N = 600-4000 mg/LP = 100-500 mg/L

[Microalgae]=7-50 g/L

Digestate

Low PhotosyntheticEfficiency↓↓

Photosynthetic Biogas Upgrading & Nutrient Recovery

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Photosynthetic Biogas Upgrading & Nutrient Recovery

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Removal Recovery as Algal Biomass

Biomass productivity (g m-2 d-1)Biomass productivity (g m-2 d-1)

Tota

l Nit

roge

nR

emo

val(

%)

Tota

l Ph

osp

ho

rou

sR

emo

val(

%)

Photosynthetic Biogas Upgrading & Nutrient Recovery

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Technology Scale-up

120 L

180 L

32 m2

Wastewater Treatment Plants

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Preliminary Sustainability Analysis

REFERENCE FLOW RATE: 300 Nm3/h

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Preliminary Sustainability Analysis

Activated Carbon + Water Scrubber Photosynthetic Biogas UpgradingVersus

Table S1. Investment costs of a ACF-WS for the upgrading of 300 Nm3 h-1 of biogas

Cost Units Total cost (€) References

Land 100 € m-2 10 000 INE, 2015

Activated

carbon filter 129 € (Nm3/h)-1

treated biogas 38 766 Xiao et al. (2008)

Water scrubber 3500 € (Nm3/h)-1treated biogas 1 050 000

SGC Rapport

2013:270

Table S2. Investment costs of the HRAP-AC for the upgrading of 300 Nm3 h-1 of biogas Cost Units Total costs (€) References

Land 10 127 € ha-1 188 712 MAGRAMA, 2014

HRAP

construction 26 616 € ha-1 356 382

Craggs et al., 2012;

Lundiquist et al., 2010

Paddlewheel

stations 35 400 € ha-1 474 006 Craggs et al., 2012;

Screw press 86 000 € unit-1 86 000 HUBER Technology,

Germany

Solar dryer 325 000 € unit-1 650 000 HUBER Technology,

Germany

AC 3 980 € unit-1 51 745 Delf Grupo España S.L.

Gas diffusers 250 € (10 units)-1 3 250 Xylem Inc.

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Preliminary Sustainability Analysis

HRAP-AC ACF-WS0.0

0.2

0.4

100

200

300

400

500

600

700

b)

HRAP-AC ACF-WS0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

En

ergy

(KW

-h (

Nm

3)-1

treate

d b

iogas)

La

nd

(m2 (

Nm

3/h

)-1

treate

d b

iogas)

a)

HRAP-AC ACF-WS0.0

0.2

0.4

100

200

300

400

500

600

700

b)

HRAP-AC ACF-WS0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

En

ergy

(KW

-h (

Nm

3)-1

treate

d b

iogas)

La

nd

(m2 (

Nm

3/h

)-1

treate

d b

iogas)

a)

Land Requirements Energy Consumption

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Preliminary Sustainability AnalysisHRAP-AC ACF-WS

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

a)

b)

I

nv

estm

ent

cost

(€ (

Nm

3/h

)-1

trea

ted

bio

ga

s)

HRAP-AC ACF-WS0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

O

per

ati

ng

co

sts

(€ (

Nm

3)-1

trea

ted

bio

ga

s)

Investment costs associated to theproduction of dry algal fertilizer

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Take home Message

Biogas Upgrading market dominated by physical/chemicalTechnologies→ High Operating Cost & Environmental Impact

✓ Algal-Bacterial Processes have shown a similar CO2 and H2Sremovals & high robustness but at:

▪ Lower operating costs and environmental impacts▪ No need for previous removal of particles/H2O/siloxanes▪ Tested at pilot scale▪ Use of residual nutrients from digestate

✓ Photosynthetic upgrading allows for a simultaneous H2S & CO2

removal and Nutrient Recovery from Digestates as algal-biofertilizer

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University of Valladolid

Institute of Sustainable Processes

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http://www.ips.uva.es/

Muñoz R*, Meier L., Diaz I, Jeison D (2015) A critical review on the state-of-the-art ofphysical/chemical and biological technologies for an integral biogas upgrading. Reviews inEnvironmental Science and Bio/Technology