EJERCICIOS TEMA 4
1.
5.000 m3 de excremento de ganado y 1.000 m 3 de desecho de agricultura son
anualmente digeridos en un reactor anaerobio en un tiempo de retención de 28 días. El excremento de ganado tiene una densidad de 1000 kg/m 3, un contenido de materia seca del 10%, un contenido de materia orgánica (en base seca) del 80% y una producción de biogás de 0,25 m 3/kg de materia orgánica. El desecho de agricultura tiene una densidad de 0,8 ton/m 3, un contenido en materia seca del 30% y un 70% de materia orgánica (en base seca) y una producción de biogás de 0,55 m3/kg materia orgánica. Calcular el volumen del digestor, la producción anual de biogás y la capacidad del tanque almacenador del biogás.
2.
En una planta de biogás se generan 2,524·10 6 Nm3 de biogás al año, si el porcentaje
de metano en el biogás generado es del 60% (poder calorífico inferior del metano 8.900 kcal/Nm3) se consume un 7% del biogás generado en la propia planta producción, calcular la potencia del motogenerador que consumiría el metano generado en la planta y el número de motogeneradores de 750 kW a instalar. Datos:
3.
El rendimiento de cada motogenerador es del 35%.
Una fábrica genera 100 m3/día de un lodo residual con las siguientes características:
DBOL = 20.000 mg/L; N = 400 mg/L. Determinar la cantidad de metano que se podría producir en un digestor de mezcla perfecta a partir de dicha corriente residual y el tamaño de dicho digestor. Datos:
tiempo de retención celular: 10 días, eficiencia de estabilización: 65%; coeficiente de crecimiento
de los microorganismos: 0,05 kg células/kg DBOL; constante de velocidad de desaparición de los -1
microorganismos: 0,02 días .
4.
Una familia de 5 personas necesita sobre 10 m 3 de metano diariamente. Determinar el
tamaño del biodigestor requerido y la cantidad de residuos a suministrar al biodigestor para abastecer las necesidades de dicha familia si los materiales residuales que se disponen tienen las siguientes características: 1
Datos:
5.
Excrementos
Paja de arroz
Carbono orgánico (% de sólidos totales)
48
43
Nitrógeno (% de sólidos totales)
4,5
0,9
Sólidos volátiles (% de sólidos totales)
86
77
Humedad (%)
82
14
La relación óptima C/N para la digestión anaerobia es 25:1.
Si en el ejercicio anterior se supone una carga de sólidos volátiles de 2 kg SV/m 3·d y
una tiempo de retención hidráulico de 30 días, calcular el caudal volumétrico de agua que se debe añadir en la mezcla de alimentación. Datos:
Densidades aparentes: 1,1 kg/L y 0,1 kg/L para los excrementos y la paja de arroz,
respectivamente.
6.
Un digestor anaerobio operando establemente está siendo alimentado con 200
Ton/día (suponer densidad relativa 1) de una mezcla de estiércol y residuos orgánicos, con un porcentaje en masa del 80% en estiércol (SV 10% masa) y 20% en residuos orgánicos (SV 90% masa). El THR es 30 días y la producción de biogás de 12.000 m 3/d, con un porcentaje de metano del 65%. a) Determinar el volumen del reactor. b) Determinar el volumen de biogás y metano generado por cada tonelada de substrato procesada, la velocidad volumétrica de producción de biogás y el volumen de biogás y metano por cada kg de sólidos volátiles eliminado. c) Describir brevemente qué le ocurrirá a los siguientes parámetros en los siguientes supuestos. Parámetros:
Producción diaria de biogás
Producción de biogás por ton de substrato procesado. Supuestos:
El caudal de alimentación desciende a 100 ton/día.
El caudal de alimentación aumenta hasta 2.000 ton/día. 2
El porcentaje de residuos orgánicos en la alimentación disminuye hasta un 10% manteniendo el caudal de alimentación.
El porcentaje de residuos orgánicos aumenta hasta un 80%, manteniendo el caudal de alimentación.
d) Si 100 m 3 de CH4 tienen un contenido energético bruto de 1000 KWh, ¿Qué potencia eléctrica podrá generar esta planta de biogás?
7.
Una planta de tratamiento de agua residuales tiene una demanda anual de 1.450
MWhE de electricidad (bombas, motores de los mezcladores, elementos auxiliares,…). Por otro lado, el tratamiento de los lodos de depuradora y su gestión (obligatoria) conllevan una demanda de calor de 1.580 MWh T. Para suplir parcialmente a dicha demanda de electricidad, se instala un digestor de lodos para generación de biogás. El coste de inversión del digestor es de 178.000 €. El biogás se almacena en un depósito de doble membrana para su posterior suministro a un motor alternativo de una potencia de 110 kW E aproximadamente. El coste del depósito de doble membrana y del motor son de 97.000 € y 113.000 €, respectivamente. Los costes de operación y mantenimiento del motor representan 1,7 c€/kWh E, mientras que el del digestor y suministro de biogás se eleva al 120% de este valor. El motor alternativo quema el biogás así generado (60% CH 4 y 40% CO2 en vol.), teniendo un rendimiento de un 33%. Un 39% del poder calorífico del combustible se recupera en forma de calor (gases de escape del motor, agua de refrigeración, lubricante, etc…), supliendo integralmente a la demanda de calor, sin excedente. Las perdidas térmicas del motor representan un 9%, siendo este calor no recuperable. Para beneficiarse de la tarifa regulada para la cogeneración, el rendimiento eléctrico equivalente (REE) ha de ser superior a un 59% (RD 413/2014 Anexo XIV). a) Determinar el REE de la planta. b) Determinar el tiempo de amortización de la instalación de cogeneración (despreciar la tasa de inflación). c) ¿Interesa vender o no toda la electricidad a la red eléctrica?. Concluir sobre la opción más adecuada. d) Determinar las emisiones de CO2 asociadas a la planta.
3
Datos:
Precios en c€/kWh Venta de electricidad (Instalación < 10 años)
12,0400
Venta de electricidad (Instalación > 10 años)
9,9932
Compra de electricidad
9,2523
Compra de Gas Natural
4,8099
El factor de emisiones de la red eléctrica española es Ered = 0,39 kgCO2/kWhe.. El poder calorífico del metano es 55 MJ/kg.
8.
Una planta de producción de electricidad a partir de biogás generado de purines de
cerdo puede tratar unos 90 m 3 de purines diarios. Los generadores eléctricos movidos por la energía generada en la combustión del biogás suministran a la red de tendido eléctrico 750000 kWh de electricidad al año. a) Calcúlese la potencia media de la planta en kW. Suponiendo que la eficiencia de la planta sea del 25%, calcúlese la cantidad de energía total que se debe convertir en calor. b) Suponiendo que el biogás contiene un 60% en volumen de metano, calcúlese el volumen de biogás necesario diariamente para generar la energía anterior sabiendo que el contenido energético del metano puro es 40 MJ/m 3. c) Si el contenido medio de sólidos en los purines es del 5%, es decir, 50 kg de sólido por m3 de purines, calcúlese el volumen de gas producido por cada tonelada de sólido seco.
9. A
un digestor de 3 m 3 se le suministran diariamente 0,2 m3 de purines de cerdo, 4 kg
de los cuales son sólidos volátiles (SV, 1 kg de sólidos volátiles produce 9,4 m 3 de biogás). Una vez terminada la digestión se elimina el volumen de purines digeridos. Suponiendo que la reacción de digestión es la siguiente: C12H22O11 + H2O + bacterias
6CH4 + 6 CO2 + 0,3 MJ
→
y que la reacción tarda 7 días en producirse, calcúlese: 4
a) El volumen de biogás producido (70% de este biogás es metano) b) El calor que puede obtenerse por combustión del biogás producido ese día. c) ¿Cuánto keroseno habría que quemar para producir el mismo calor que el producido al quemar el biogás que se genera cada día? (Calor de combustión del keroseno = 37 MJ/litro). d) Se puede duplicar prácticamente la velocidad de reacción en el digestor elevando la temperatura desde 28 ºC (temperatura ambiente) a 35 ºC. 1. ¿Qué ventaja reportaría? 2. ¿Cuánto calor habría que aportar diariamente para conseguir ese cambio de temperatura? 3. ¿En qué proporción puede contribuir a este calor el desprendido durante el propio proceso de digestión?
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