CONFERENCIA ATEGRUS – GENERA 2011

TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA APLICADA AL APROVECHAMIENTO

ENERGÉTICO DE RESIDUOS Y BIOMASA

SENER INGENIERÍA Y SISTEMAS S ASENER INGENIERÍA Y SISTEMAS, S.A.

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Madrid, 12 de Mayo de 2011

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN

Ó Ñ2. SITUACIÓN ACTUAL EN ESPAÑA: RESIDUOS y BIOMASA

3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO

4. DESARROLLOS DE SENER CON ALTA EFICIENCIA

5. RESUMEN Y CONCLUSIONES

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• Las recientes Directivas Marco sobre Residuos (DMR, Directiva 2008/98/CE de 19 de

1. INTRODUCCIÓN (I)Las recientes Directivas Marco sobre Residuos (DMR, Directiva 2008/98/CE de 19 deNoviembre de 2009) y sobre Energías Renovables (DER, Directiva 2009/28 /CE de 23 de Abrilde 2009) marcan el camino para los próximos años, donde se deben integrar criteriosenergéticos, ambientales y técnicos.g , y

• Estas Directivas de la UE van a marcar el camino hacia el futuro modelo energético y degestión de residuos, suponiendo un cambio en la administración y en la población.La DMR establece un determinado nivel de eficiencia energética para considerar si una• La DMR establece un determinado nivel de eficiencia energética para considerar si unacombustión de residuos es una operación de valorización energética o es de eliminación.

• La DER establece para 2020 un “triple objetivo del 20 %”:– aumentar un 20% la eficiencia energética– reducir un 20% las emisiones de CO2

que un 20% de la energía en la UE proceda de energías renovables– que un 20% de la energía en la UE proceda de energías renovables• Todos los estados miembro de la UE han entregado ya su Plan de Acción Nacional para

cumplir con los objetivos de la DER. Además, en España ha publicado simultáneamente elPlan de Energías Renovables 2011 2020

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Plan de Energías Renovables 2011 – 2020.

1. INTRODUCCIÓN (II)

L i d d d ll d d l t d l UE t i lt d d• Las sociedades desarrolladas del entorno de la UE se caracterizan por su alto grado dedependencia de combustibles fósiles de importación, por los problemas generales dedepósito en vertedero de residuos aprovechables material y energéticamente y por susimportantes acimientos de biomasas de distintos tiposimportantes yacimientos de biomasas de distintos tipos.

• Algunos de los problemas del mundo rural son la despoblación, agotamiento de las tierras yabandono de los cultivos tradicionales, los residuos agro-ganaderos e incendios forestales.

• Algunos de los problemas del mundo urbano son la concentración de población y la falta degu os de os p ob e as de u do u ba o so a co ce t ac ó de pob ac ó y a a ta deespacio, con la consiguiente generación descontrolada y acumulación de RSU.

• ALTERNATIVA: aprovechamiento energético de la biomasa (cultivos energéticos) y de• ALTERNATIVA: aprovechamiento energético de la biomasa (cultivos energéticos) y deresiduos agro-ganaderos, forestales y urbanos.

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1. INTRODUCCIÓN (III)APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO valorización mediante diferentes procesos de lo queantes era un residuo depositado en vertedero, considerándolo ahora una materia prima(residuos, biomasa) para generación de energía.La eficiencia energética, tal y como establece DMR 2008/98/CE , no sólo debe ser energética,g , y , g ,sino también debe ser vista desde el punto de vista ambiental (balance de CO2).

Vertedero Valorización energética 1. Metano a la atmósferaconvencional alta eficiencia

CO2

300

1. Metano a la atmósfera2. Generación eléctrica, biogás3. Emisiones evitadas por carbono secuestrado

en el vertedero 4. Otras emisiones5. Emisiones evitadas en vertedero con

2/ t d

e RSU

.

Emisi

ones

de C

dire

ctas 200

100

1 3

7

89

generación eléctrica por biogás

t de C

OEon

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e CO 2

vitad

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0 24

56

1011

6. Transporte de residuos7. Emisiones N2O, cenizas, escorias8. Emisiones de combustión 9. Emisiones evitadas por generación eléctrica10. Emisiones evitadas por reciclaje de metales

5

Emisi

o e

-100

-200

11. Emisiones evitadas por valorización energética

2. SITUACIÓN ACTUAL EN ESPAÑA: RESIDUOS y BIOMASA

OBJETIVO PER 2005-2010:12 1% de cons mo de• 12,1% de consumo deenergía primaria Renovable→ 9,45% (2009).30 3% C b d• 30,3% Consumo bruto deelectricidad de origenrenovable → 24,7% (2009).

• Objetivo PER paraBIOMASA: 1.317 MW.

• En 2010 (fuente CNE): Biomasa(b.6 y b.8): 511 MW = 39%del Objetivo → faltan 806MW

Fuente: IDAE

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3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (I)GENERALIDADESGENERALIDADES

Existen diferentes desarrollos tecnológicos asociados al aprovechamiento energético del id l bilos residuos y la biomasa:CONVERSIÓN TÉRMICA

– Combustión (aire en exceso) Productos: vapor, electricidad, cenizas.Combustión (aire en exceso) Productos: vapor, electricidad, cenizas.– Gasificación (aire en defecto) Productos: gas pobre (CO+ H2 + CH4), cenizas.– Pirólisis (ausencia de aire) Productos: syngas (CO+ H2), líquidos, residuo carbonoso– Plasma (ionización) syngas (CO+ H2), productos vitrificados.

Se ha demostrado que únicamente con la COMBUSTIÓN se obtienen resultadosSe ha demostrado que únicamente con la COMBUSTIÓN se obtienen resultadossatisfactorios a escala industrial, adquiriendo un equilibrio tanto técnico como económico.

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3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (II)TECNOLOGÍA CONVENCIONAL

La tecnología que tradicionalmente se ha aplicado a la valorización energética de RSU ybiomasa, se ha basado en un ciclo termodinámico convencional, siguiendo los siguientes

TECNOLOGÍA CONVENCIONAL

, , g gparámetros:• Ciclo Rankine (año 1.850): Caldera + TV.

Baja presión (50 bar)• Baja presión (50 bar)• Alta temperatura(> 450 ºC)• Rendimiento: 25%.

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TECNOLOGÍA CONVENCIONAL

3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (III)

Los hornos de incineración sufren problemasde corrosión.

TECNOLOGÍA CONVENCIONAL

La corrosión originada por el cloro presente enlos residuos, posee un crecimiento exponenciala T> 400ºC.Consecuencias: sustitución frecuente de losenlaces de los haces tubulares de la caldera delprimer paso con el segundo paso y partes dep p g p y plos haces sobrecalentadores o los hacescompletos.Para atenuar los efectos de la corrosión esPara atenuar los efectos de la corrosión espreciso limitar la temperatura, lo que reducenotablemente el rendimiento del ciclo térmicoconvencional.

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EVOLUCIÓN DEL RENDIMIENTO EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA

3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (IV)EVOLUCIÓN DEL RENDIMIENTO EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA

0,6Precalentamiento regenerativivodel agua de alimentación

Ciclos combinados

Parámetros de vapor

0,5

0,4

ento

ámet

ros

de v

apor

Parámetros de vapor

Tecnologías de alta eficienciadesarrolladas por SENER

PVE Zabalgarbi< 400°C, 100 baralta eficiencia con turbina de gas

0,3

0,2

Ren

dim

i

Par

á

enta

mie

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to s

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e

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dobl

e

Reactores de agua ligera

PVE Tarragona

PVE Rüdersdorf420°C, 90 barrecalentamiento

a ta e c e c a co tu b a de gas

0,1

Locomotora de vapor

Rec

al

Rec

alen

tam

ient

Rec

alen

tam

ien PVE Tarragona

360°C,36 bar

Rango de trabajo convencionalen Plantas de RSU y Biomasa

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Biomasa excepción Biomasa habitual Residuos excepción1) Residuos habitual 1)

Residuos,alta eficiencia con turbina de gas Residuos, alta eficiencia sin energía auxiliar

1) : PVE sin suministro de calor a terceros

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TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA

3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (V)TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA

• El objetivo de los desarrollos de SENER ha sidomejorar la eficiencia del aprovechamiento ener-

ResiduosR.S.U.

Caldera de residuosPérdidas 15,5 %

100%

( 22 % )84 5 %

Ciclo convencional(< 25 %)mejorar la eficiencia del aprovechamiento ener

gético de biomasas y residuos.

• La aplicación de estas tecnologías no dependede una determinada técnica de combustión

Turbina de vapor

, ( 22 % )

Autoconsumo 5 %

Pérdidas 59 3 %

84,5 % ( )

de una determinada técnica de combustión(parrilla, lecho fluido). Ventaja: contar con lasolución más apropiada en cada caso.

• Estos ciclos térmicos generan más energía

Generación neta < 25 %Pérdidas 59,3 %

• Estos ciclos térmicos generan más energíaeléctrica que con los ciclos convencionales,solventando además el problema de lacorrosión. Caldera de residuos

ResiduosR.S.U.

Pé did 13 %

100% Ciclo de alta eficiencia (> 30 %)

• Estas tecnologias, patentadas por SENER,emplean componentes conocidos y sumamentecontrastados pero dispuestos de forma

Pérdidas 13 %( 32 % )

Autoconsumo 3 %Pérdidas 54 %

87 %Turbina de vapor

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contrastados, pero dispuestos de formanovedosa para aumentar la eficienciaenergética. Generación neta > 30 %

TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA-SENER 2

3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (VI)TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA SENER 2

Tecnología de alta eficiencia, aplicada en la PVE Zabalgarbi, basada en las siguientes premisas:• Uso eficiente de recursos: residuos y gas natural.y g• Aprovechamiento de los gases de escape de una TG, como en cualquier cogeneración.• Ciclo Convencional + Recalentamiento.

Al ió (100 b ) b j ( 400ºC)• Alta presión (100 bar) y baja temperatura (<400ºC)• Evita CORROSIÓN.• Rendimiento ~ 47%.e d e to %

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TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA-SENER 4

3. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO (VII)TECNOLOGÍA DE ALTA EFICIENCIA SENER 4

Evolución natural, derivado de la experiencia de SENER con la PVE de Zabalgarbi (Bilbao), enoperación desde 2004 :• Se basa en un Ciclo Convencional con Recalentamiento (alta P y baja T).• No necesita TG: el recalentamiento se realiza dentro de la caldera de residuos.• Producción eléctrica sensiblemente superior a la del Ciclo Convencional• Producción eléctrica sensiblemente superior a la del Ciclo Convencional.• Rendimiento ~ 33%.

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4. DESARROLLOS DE SENER CON ALTA EFICIENCIA (I)PLANTA DE VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE RSU - ZABALGARBIDATOS TÉCNICOS:• Operación: 8.000 h/año (desde 2004).• Tipo de residuo: residuo sólido urbano y asimilable a urbano.p y• Nº líneas: 1 (30 t/h).• Capacidad: 240.000 t/año.• Energía eléctrica generada : 670.000 MWh/año.g gBENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES Y SOCIALES:• Ahorro en energía convencional: 47% (≈ 44.000 teq/año).• Generación de energía renovable equivalente a 23.500 teq/año.g q q• Emisiones de CO2 evitadas: 440.000 t/año.• Reducción de impacto medioambiental por KWh generado.• Generación de empleo: 72 trabajadores.Generación de empleo: 72 trabajadores.BENEFICIOS ECONÓMICOS:• Reducción de la corrosión en el horno.• Mejora de la disponibilidad.

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Mejora de la disponibilidad.• Reducción de costes de Operación y Mantenimiento (O+M).• Mejora en el ratio: Inversión/MWh generado.

PLANTA DE VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE BIOMASA4. DESARROLLOS DE SENER CON ALTA EFICIENCIA (II)

Estas tecnologías de alta eficiencia también se pueden aplicar a plantas de valorizaciónenergética de biomasa, dependiendo de su composición.EJEMPLO: El eucalipto (cultivo energético) presenta un elevado contenido en cloro, elcual comienza a generar corrosión a T> 480ºC.

- Tecnología a aplicar: SENER 4 modificado (media T)Tecnología a aplicar: SENER 4 modificado (media T).- Rendimiento eléctrico: 34% (frente a 28%: convencional).

SENER está trabajando en 6 plantas de biomasa en España aplicando esta tecnología, conrango potencia ente 15-27 MWe, utilizando como biomasa, residuos forestales y cultivosenergéticos como sorgo y centeno.

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Alimentación

Biomasa Bombas

Caldera

Turbina

Edificios Control+Elec.

Caldera

Biomasa

Escorias

ACCFiltro

Cenizas

Ventilador I. D.

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5. RESUMEN Y CONCLUSIONES• La Directiva sobre Energías Renovables ha fijado como objetivo para 2020 un aumento del 20%

f é ó % G %en la eficiencia energética, una reducción del 20% en las emisiones de GEI y un 20% deproducción eléctrica con energías renovables.

• PER 2005-2010: NO se han cumplido las expectativas; PANER 2011-2020 establece objetivosotros objetivos:otros objetivos:

• Biomasa (generación eléctrica): 1.000 MW de potencia instalada-6.000 GWh producción.• RSU: Potencia nueva renovable en 2020: 187 MWe‐1.400 GWh producidos (2009: 95 MWe).

• Los ciclos Rankine convencionales se han quedado obsoletos, derivado de que han emergidotecnologías nuevas que no sólo son más eficientes, sino que suponen ahorros económicos enel O+M, mayor producción energética y mejores ratios de inversión por MWh generado.

• La alta eficiencia no sólo mejora las prestaciones, si no que a la vez se ve mejorado el plan denegocio.

• Los requerimiento de eficiencia establecidos en el anexo II de la DMR, se cumplen con ciertah lholgura.

• SENER lleva años apostando por esta tecnología, probada en sus instalaciones de Zabalgarbi(operando desde 2004) y que ahora está lanzando en el campo de la biomasa.

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• Se debe apostar por la alta eficiencia para, por fin, alcanzar los objetivos energéticos en España.

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Mercedes Gómez de Arteche BotasSENER INGENIERÍA Y SISTEMAS S A

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SENER INGENIERÍA Y SISTEMAS, S.A.mercedes.gomez@sener.es