MPB 2. DISEÑO DE UN PRODUCTO INDUSTRIAL

Introducción diseño industrial.

En la introducción al proyecto de la MiniPlanta de Biogás (MPB), que se realizó en una entrada previa en este blog, ya se argumentó la motivación del desarrollo de una planta de biogás para gestionar descentralizadamente residuos orgánicos y del proyecto que se ha montado entorno a ella.

La presente entrada se centra en el estudio de mercado y de alternativas actuales, y en la propia concepción del producto y en los objetivos de diseño del mismo.

El diseño de la MPB es, básicamente, el diseño de un nuevo producto. En la actualidad, los proyectos industriales de planta de biogás obligan a un diseño individual y detallado, en el que cada proyecto requiere un gran esfuerzo de ingeniería. En cambio, la MPB puede concebirse como un producto, ya que puede ser reproducida siguiendo el mismo diseño, y puede aspirar a tener un amplio mercado con ligeras modificaciones.

Pero diseñar una MiniPlanta de Biogás (MPB) plantea muchas dudas iniciales, la primera es la propia definición del producto. Definir el producto por el equipo de diseño sólo puede llevarse a cabo después de evaluar distintos modelos de negocio y tras un estudio de la situación actual del mercado y de los productos existentes en el mismo.

Se considera que la MiniPlanta de Biogás (MPB) debe ser una planta industrial escalada a procesar cantidades de residuos en el entorno de 1 a 3 toneladas diarias. Pequeños productores de residuos cuya gestión sea costosa, responsables de la gestión de basura orgánica en países desarrollados o en vías de desarrollo, o consumidores de energía cara pueden obtener una rentabilidad económica y medioambiental de una instalación de estas características. Por supuesto, estas instalaciones deben procesar esta cantidad de material de entrada de forma estable y con un alto grado de automatización. Todas las instalaciones diseñadas para un orden de magnitud inferior a 1 t/d no son consideradas Mini Plantas sino Micro Plantas de Biogás, y estarían en un concepto diferente, el de la producción doméstica de biogás.

Situación actual del mercado. Análisis de productos similares.

Tras desarrollar detalladamente los modelos de negocio que acotaban la solución a nivel de inversión posible, se realizó un estudio de mercado comparativo de las plantas de baja potencia o MiniPlantas de biogás existentes actualmente en el mercado europeo. En este estudio no se tuvieron en cuenta aquellas instalaciones que no sean comparables, como instalaciones domésticas para producir gas o plantas de proyectos de investigación de empresas y universidades, que no están listas para salir a mercado.

La primera impresión que ofrece este mercado es que se trata de un mercado por despegar. Parece que no termina de desarrollarse en Europa la producción descentralizada de biogás a pesar de que hay varias empresas intentando este modelo de negocio en varios de los principales países europeos. Alguno de estos modelos son adaptaciones de diseños industriales a pequeña escala, mientras que otros tienen diseños más arriesgados.

Es destacable que la mayoría de las empresas que ofrecen estas instalaciones a pequeña escala NO ofrecen plantas industriales de biogás. Es posible que deficiencias de diseño o de operación, la falta de producción estable de estas instalaciones o su coste de inversión sean factores que estén dificultando acercar esta actividad a su máximo desarrollo.

La inmensa mayoría de las plantas disponibles se centran en diseños para granjas, restos de grandes comedores o rechazos de supermercados, así como en el uso del biogás para la producción eléctrica, aunque en las últimas semanas han salido noticias relativas a proyectos similares al concepto de biogasinera que AGF PROCESOS BIOGAS SL pretende desarrollar, y que explicó previamente en la entrada MPB1. En aquellos casos en los que se asocia una planta de enriquecimiento en la instalación de biogás, de nuevo se trata de una adaptación a pequeña escala de un proceso industrial, por lo que es costoso. Los sistemas de separación por membranas o de absorción disponibles a pequeña escala necesitan trabajar a presión o a altas temperaturas, lo que incrementa el coste de inversión considerablemente.

Un sustrato al que estas plantas parecen no estar siendo orientadas es al pequeño productor de residuo orgánico industrial o a la fracción orgánica del residuo doméstico. En otras entradas de este blog se hicieron estimaciones del potencial energético de la fracción orgánica de la basura doméstica, siendo éste un sustrato que, en su inmensa mayoría, aún está yendo a vertedero, siendo ésta una pésima gestión ambiental y una pérdida de recursos.

La mayoría de las soluciones son desarrolladas total o parcialmente en contenedores marítimos (sea containers, ISO container), evitando obra en lugar de ubicación y consiguiendo entregar la parte de la planta más compleja en cuanto a equipos e instalaciones probadas de taller. En algunos casos se necesita la construcción de un reactor para producir biogás en su ubicación final o está incorporado en los propios contenedores. Esta solución en contenedor parece la óptima y AGF PROCESOS BIOGAS SL la utiliza frecuentemente en las instalaciones industriales.

Un elemento que destacar es que todas las plantas actuales necesitan almacenar el gas generado, por lo que tienen que disponer de algún tipo de gasómetro, ya sea con material flexible (cúpulas o bolsa), por campana de agua o incluso destinando a esta función un contenedor marítimo para líquidos.

Todos los diseños se configuran en varios contenedores, normalmente separados, que contienen distintos elementos o equipos, por lo que se  requiere la conexión mediante tuberías externas de los distintos elementos internos de los contenedores. Esto obliga a realizar una instalación en campo con elementos externos: tuberías, válvulas e instrumentación, entre otros. Estos elementos hacen poco elegante el diseño de toda la instalación y obliga a realizar trabajos en la ubicación final del elemento. Esto se agrava en aquellos diseños donde los contenedores están físicamente separados entre sí, como ocurre con los contenedores donde se consume el biogás.

Pero con bastante seguridad se puede afirmar que el mayor factor limitante de estas plantas es el volumen de reacción. La mayoría de las plantas actuales de baja potencia no disponen de un elevado volumen de reacción, ya que están limitadas al volumen disponible en contenedores marítimos; y las que tienen un elevado volumen es porque requieren algún tipo de construcción en la ubicación final de la planta. Exceptuando los últimos casos, que son aquellos modelos donde se construye un reactor circular externo, no se dispone de mucho más de unos 20 m³ de volumen útil, por lo que no se podrá generar más de 10-20 Nm³ de biogás al día de forma estable. Apretar el proceso de la planta puede llevar a problemas de funcionamiento, como espumas, baja producción, fallo en la microbiología o un gas sucio y de baja riqueza.

Las plantas industriales de biogás trabajan en un rango medio de producción relativa de 0,5 – 1 Nm³ biogás por m³ de reactor al día (Nm³_b·m^-3_R·d^-1). Estas plantas industriales disponen de sistemas de agitación y calefacción, y sería razonable pensar que tienen un funcionamiento y un rendimiento mejor que plantas diseñadas con los mismos parámetros pero que no disponen, por ejemplo, de una agitación equivalente.

Por ello, es muy complicado que estas instalaciones puedan mantener de manera estable una producción alta de biogás y un caudal de entrada elevado. Alimentar a diario una tonelada de materia orgánica conlleva probablemente el fallo del proceso y el colapso de la planta, incluso si se consiguiera trabajar con producciones relativas superiores a las mencionadas (1,5 – 2).

Considerando una producción media a esa tonelada alimentada, la producción de biogás debería superar a diario los 50 Nm³, por lo que difícilmente estas plantas pueden alcanzar una producción estable, ya que no disponen volumen para ello usando tecnología tradicional. Si no se genera todo el gas posible, el contenido en sólidos biodegradables en el lodo será elevado, y se corre el riesgo de problemas asociados a un proceso parcial, como espumas o un gas muy sucio. Por los motivos previos, todas estas instalaciones necesitan filtros de carbón externos o incluso incorporan separadores de sólidos para dar salida a la biomasa no biodegrada y poder usarla para compost. Gran parte de estos sólidos deben pertenecer aún a fracciones biodegradables que la planta no ha sido capaz de convertir a gas, por lo que no se ha generado la cantidad máxima de energía, lo que posiblemente dificultará convertir el gas en un ingreso o ahorro económico que rentabilice la planta.

Una vez revisada la situación del mercado, se pueden definir los objetivos específicos del diseño de la MPB de AGF.

Objetivos de Diseño.

Después de valorar lo disponible en el mercado y de estudiar distintos casos de estudio y de negocio, se fijan los siguientes objetivos de diseño. Estos objetivos buscan desarrollar un modelo de planta que supla todas las carencias de las plantas actuales previamente contempladas.

1. Aplicar un proceso de alta eficiencia industrial a una planta de pequeña escala. Conseguir producciones relativas de biogás superiores a 5 Nm³_bm^-3_R·d^-1.

Se diseña la planta para poder desarrollar procesos de alta eficiencia y mayor complejidad que permitan que la producción de gas por unidad de volumen sea similar a la alcanzada a escala industrial por AGF PROCESOS BIOAGS SL. Esto permite que la cantidad de material procesada en la planta y el gas generado sean muy superiores a sus equivalentes con el mismo volumen de reacción.

Este aspecto es fundamental para conseguir rentabilizar la planta. Para ello, será fundamental el control de la operación de la planta, tratándola como si de una planta industrial se tratase.

2. Estabilidad de producción.

Realizar un diseño de ingeniería robusto y fiable, que genere una producción de biogás estable. A nivel operativo esto debe traducirse en una planta con funcionamiento automatizado exceptuando la alimentación de materia prima y labores generales de mantenimiento.

La planta debe producir biogás de forma estable y controlada a pesar de enfrentar diversos cambios en la alimentación. Es muy posible que por logística haya plantas donde no se pueda alimentar diariamente, sino una vez cada varios días o incluso una vez a la semana. Esto no debe ser problema para la planta de biogás, que debe mantener el control de la producción de gas en todo momento y la estabilidad de las distintas reacciones.

Esta puede ser una gran limitación a la hora de localizar potenciales proyectos. Depender de una alimentación continua para tener una producción de gas estable reduce considerablemente las posibilidades de encajar el proyecto a nivel operativo en muchas ubicaciones.

Como puede comprenderse, este es otro apartado fundamental para rentabilizar la planta, que no haya problemas de producción por cambios de composición en los materiales de entrada o por un incremento puntual de carga orgánica y se genere un biogás que pueda ser valorizado económicamente.

3. Tener un coste de inversión contenido.

Alcanzar este punto está muy relacionado con un diseño de ingeniería óptimo de la instalación. Los posibles modelos de negocio están muy limitados en cuanto a rentabilidad y sólo se podrá expandir esta actividad si se tiene un coste de inversión que justifique el riesgo y que permita rentabilizar la inversión en aquellos casos donde se cumpla la existencia de residuos y un uso justificado del biogás generado.

El coste de inversión debe evaluarse en función principalmente del uso que se le vaya a dar al gas generado, ya que cada uso requiere una inversión u otra.

4. Ingeniería Óptima.

El diseño de ingeniería deber ser tan bueno como sea posible, cuidando al máximo cualquier detalle, incluso los que no se ven. Se han necesitado años de investigación y de desarrollo para el diseño de algunas partes de la planta MPB.

El diseño realizado se basa en los siguientes aspectos:

• Diseño minimalista, amistoso y afable. Se busca que la planta sea lo más sencilla posible a nivel visual, sin ningún tipo de tuberías u otros elementos externos. Busca ser accesible, no ser excesivamente compleja. Normalmente las plantas de biogás no son algo cotidiano o agradable, en muchos casos todo lo contrario, tanto por diseño como por actividad u operación inadecuada. Hay que expandir el conocimiento social del biogás y eso sólo puede realizarse si se asocia a instalaciones alejadas de problemas, rentables y que no sean tan impactante como los tradicionales reactores circulares de hormigón con las cúpulas flexibles.
• Cuidar los Detalles, sobre todo aquellos que puedan ser críticos. Todas las piezas y partes del diseño han sido evaluadas en detalle, sobre todo aquellas ocultas pero que pueden provocar un fallo futuro de la planta por reactividad química. Se ha trabajado todo con los materiales de mayor calidad posible, utilizando tuberías de acero inoxidable de forma externa o interna. No hay ninguna tubería de plástico o de hierro. Como detalle se considera también que la planta pueda quedar recogida completamente dentro del propio contenedor, sin tener que instalar o añadir elementos externos en la ubicación final. De esta manera, tras su alimentación, se podrá cerrar completamente tras recoger todos los elementos externos.
• Alimentación. Sistema sencillo y flexible. La planta necesita un sistema de alimentación que sea versátil y que pueda adaptarse en función de las necesidades. La planta debe ser capaz de admitir residuos pastosos, líquidos o sólidos, y disponer de una zona de separación de inertes. También se debe poder adaptar a una alimentación más industrial, realizada por pala cargadora o cinta, como la que se tendría si se procesa el residuo de algún proceso industrial continuo. El diseño de la primera versión del sistema de alimentación ha sido uno los aspectos que más recursos ha consumido.
• Capacidad de ampliación añadiendo procesos adjuntos. Se busca disponer de espacio suficiente para añadidos y mejoras posteriores, como procesos de higienización o esterilización. Esto puede permitir ampliar la planta en caso de que sea de interés económico. AGF PROCESOS BIOGAS SL ha entregado la primera planta de esterilización de cadáveres de cerdo SANDACH C2 por Método 1 de España. Esta tecnología ya está probada y puede integrarse en la MPB. Se ampliará la información sobre la planta de esterilización en futuras entradas de este blog.
• Equipos de primera calidad, similares a los de una planta industrial. Para tener una planta de funcionamiento fiable se debe disponer de equipos de primera calidad. Por eso, la MPB debe disponer de las mismas capacidades que una planta industrial tanto a nivel de equipos, válvulas, tuberías e instrumentación. Por lo tanto, el diseño buscará dotar a la planta de todas las capacidades que tiene una planta industrial, para que no haya un severo efecto de cambio de escala.
• La planta debe funcionar sin almacenar gas. El gas debe producirse a medida que se consume, sin necesidad de almacenar el gas producido en un periodo donde el consumo es inferior a la producción. Ahorrar en la inversión necesaria para el almacén de gas -en caso de que se consiga- es fundamental para que el coste de inversión y la huella de la planta esté contenida. Además, los almacenes de gas son elementos peligrosos en cualquier instalación. Este aspecto supone uno de los principales retos de la planta.
• No usar plásticos. En las plantas existentes se suele instalar gran parte de las tuberías, tanto externas como internas, en materiales plásticos. Esto no supone una reducción de coste efectiva sobre la instalación con materiales más nobles, ya que el abaratamiento sobre metro lineal se ve compensado por el elevado coste de los accesorios; y además supone la posibilidad de desmontaje y cambio, lo que le da a todo el diseño un aspecto de provisionalidad que no se considera deseable. Las tuberías plásticas también incitan a modificar y cambiar las instalaciones, algo que se considera alejado de un proceso definitivo y una instalación de calidad. Por esto, todas las tuberías de la MPB están realizadas en inoxidable de calidad. La instalación de tuberías de alta calidad permite trabajar con fluidos sobrecalentados y asegura el correcto funcionamiento de la planta.
• No tener elementos añadidos en la ubicación final. Independientemente de mejoras que se quieran llevar a cabo en la ubicación final, las necesidades del emplazamiento no deben ser superiores a una solera y al suministro de servicios necesarios (agua y/o electricidad) y evacuación de la energía si procede, ya sea en forma de gas, o transformada en electricidad y/o fluido térmico.
• Capacidad de envío marítimo. Debido a que se considera la MPB de un producto de especial interés para países en vías de desarrollo, todo el diseño está realizado para su posible envío por transporte marítimo a cualquier puerto y su entrega posterior a cualquier parte del mundo.
• Fácil montaje en campo. Al no necesitar instalaciones externas y llevar todos los elementos probados desde taller, no son necesarios trabajos complejos de conexión y puesta en marcha de la planta. Lo que debería permitir el arranque rápido de la planta, tan pronto se reciba en destino, se conecte y se tenga operativa evitando problemas de conexión en campo y con la mayor brevedad posible.
• Marcado CE de la instalación. Debido a que no hay necesidad de un complejo montaje en destino, y que todo va diseñado y montado desde taller, se puede suministrar la MPB con un marcado CE y una evaluación HAZOP de cumplimiento de todos los requisitos legales a nivel de seguridad.
• Que pueda ser producido en serie también debe abaratar los costes de inversión. Se busca disponer de 6 modelos de planta combinando distintos sistemas de alimentación y distintos usos del gas. Si el diseño no tiene que adaptarse, se podrá industrializar su montaje y tener un coste de inversión cada vez controlado.
• Diseño que pueda ser patentado o protegido intelectualmente. Se busca un diseño de un proceso o producto lo suficientemente novedoso como para poder proceder a su protección intelectual e industrial por parte de AGF PROCESOS BIOGAS SL como desarrollador de este.

5. Bajo coste de operación.

El coste de operación está muy relacionado con el diseño. Las estimaciones realizadas durante el diseño se consideran dentro de un rango asequible, aunque se tendrán que estudiar en el primer prototipo. Los costes laborales pueden suponer la mayor carga para la planta, por lo que se diseña con un alto grado de automatización, siendo labor del operario únicamente la alimentación de la planta, el resto funciona en automático y está controlado en remoto por el equipo del Centro de Operaciones (COP) de AGF.

AGF PROCESOS BIOGAS SL ofrecerá el servicio de operación en remoto de la planta. La entrega de la planta es el comienzo de la verdadera relación entre las partes, ya que AGF no quiere que el promotor quede abandonado a su suerte con una instalación que no controla, y a la que está obligado a dedicar tiempo y esfuerzo.

6. Nuevos usos del gas. Producción de gas renovable.

La planta MPB tiene diversos usos posibles como instalación generadora de energía renovable. Es capaz de generar energía eléctrica y/o térmica, pero también puede ser capaz de producir gas renovable como vector energético para un uso posterior. Debido al estado actual del sector, donde todas las instalaciones están destinadas en su mayoría a la producción de energía eléctrica, se decide intentar dar un salto tecnológico y se intentará desarrollar el caso más complejo: producir biometano.

Para ello se ha desarrollado la planta de enriquecimiento, la PE 3 BM10, que combinada con la MPB dará el producto comercial de la MP2B, Mini Planta de Biogás y Biometano.

Producir energía eléctrica o calor es algo superado, sencillo, y es un uso válido que puede tener un mercado amplio. Hacer un proceso de separación de gases a baja presión y en una instalación de bajo coste sí es un reto tecnológico. El desarrollar la MiniPlanta de biogás con una planta de biometano sí es un gran salto adelante dentro del sector. Esta planta de separación de gases no espera llegar a valores de concentración de biometano para su uso en la red de gas natural, sino para su uso vehicular o su distribución a un punto de consumo cercano.

El proceso que se llevará a cabo en esta instalación es novedoso, y busca el punto de mayor separación de solubilidad entre los distintos gases a separar. El diseño de esta planta de enriquecimiento PE3 BM10 se ha llevado a cabo buscando no superar un coste de inversión determinado, por lo que no se podía trabajar a presiones moderadas ni altas.

El funcionamiento de esta planta de enriquecimiento y del proceso que lleva a cabo será uno de los principales objetos de estudio de la planta piloto, en esta primera versión construida. Si se consigue que la MPB cumpla con los principales requisitos de diseño previamente recogidos, se podrá poner en el mercado una planta de biogás que pueda contribuir a relanzar el sector de la gestión de pequeñas producciones de residuos orgánicos, ya que será capaz generar un vector energético que se pueda valorizar al mayor precio posible y en su totalidad.

Por ello, se decide no instalar un grupo de cogeneración para producción eléctrica, y dedicar el espacio y la inversión a la versión prototipo de la PE3 BM10, la planta de enriquecimiento a baja presión.

 Estado del proyecto. 

Una vez se han fijado los objetivos, se debe llevar a cabo el proceso de desarrollo de ingeniería y la ejecución del proyecto. AGF PROCESOS BIOGAS SL tiene las capacidades necesarias para poder desarrollar este producto hasta su salida a mercado y su comercialización posterior. El proceso de diseño y todo el montaje de la planta serán desarrollados en las próximas entradas de este blog.

A la fecha de la publicación, la planta MP2B está a un 70% de montaje. Se espera poder enviar la planta a su ubicación final durante la segunda quincena de abril.

Mientras tanto, en la parcela donde se va a llevar a cabo este proyecto se están realizando las obras necesarias para poder recibir la planta. Se espera poder comenzar la puesta en marcha antes de finalizar abril.