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COGERSA desarrolla BioGaps, el primer visor cartográfico para el control de la captación de biogás de vertedero

En 2012 el Consorcio para la Gestión de Residuos Sólidos de Asturias (COGERSA1) ha dado un paso adelante en los sistemas de control de la captación de biogás en vertedero, gracias al desarrollo de BioGaps, un software innovador que permite georreferenciar de forma exacta la información del sistema de supervisión y mostrarla en pantalla  de manera visual y sencilla, para facilitar al operador la interpretación de todos los datos del sistema y la toma de decisiones. BioGaps incorpora la "información de campo" en tiempo real a los sistemas de monitorización tradicionales.

BioGpases una innovación de base tecnológica que es fruto de la colaboración entre COGERSA, la Sociedad Asturiana de Diversificación Minera (SADIM) –perteneciente al Grupo Hunosa– y la empresa Instalaciones Eléctricas Cabo Peñas (IECP).

Por José Manuel González La Fuente
Doctor en CC. Químicas. Responsable de I+D+i de COGERSA, S.A.U.
josemagl@cogersa.es

Biogás

Los residuos orgánicos eliminados en un vertedero sufren una degradación biológica durante la cual se genera gas de vertedero. Este gas se compone fundamentalmente de metano (50-70%), dióxido de carbono (20-50%), nitrógeno (4-20%), vapor de agua, ácido sulfhídrico y compuestos orgánicos halogenados y organosulfurados. La generación y emisión incontrolada del gas de vertedero genera riesgos de incendio y explosión, inestabilidad del terreno, toxicidad, así como graves problemas ambientales tales como el efecto invernadero o los malos olores, además de ocasionar daños a la vegetación y la fauna del entorno. Por tales motivos, el R.D. 1481/2001 de vertederos, establece en su anexo I de “Requisitos generales para todas las clasesde vertederos”, apartado 4, que se tomarán las medidas adecuadas para controllar la acumulación y emisión de gases de vertedero. Además, en este mismo epígrafe se establece la obligatoriedad de que en todos los vertederos que reciban residuos biodegradables se recogerán los gases de vertedero, se tratarán y se aprovecharán; si el gas recogido no puedeaprovecharse para producir energía, se deberá quemar. Termina apuntado la norma que la recogida, tratamiento y aprovechamiento de gases de vertedero se llevará a cabo de forma tal que se reduzca al mínimo el daño o deterioro del medioambiente y el riesgo para la salud humana.

El biogás es un gas combustible que se obtiene como consecuencia del proceso de  desgasificación del vertedero, y presenta un contenido en metano más pobre que el gas de vertedero al aspirar aire ambiente. Se estima que por cada tonelada de residuos urbanos en vertedero, se generan aproximadamente 100 m3 de biogás a lo largo de 10 años. El biogás con un 52% de metano (como el que se produce en el vertedero de COGERSA) tiene un poder calorífico inferior de aproximadamente  4.200 kcal/m3N.

Captación y aprovechamiento de biogás en COGERSA.

Ya en 1989, COGERSA puso en marcha el primer sistema en España para la captación y aprovechamiento energético del biogás de vertedero, anticipándose con ello a la Directiva 1999/31/CE y al Real Decreto 1481/2001, lo cuales regulan la eliminación de residuos mediante depósito en vertedero. La gestión del gas de vertedero en COGERSA se desarrolla a través de cuatro etapas:

  • Captación: más de 330 pozos verticales cubren uniformemente toda la superficie del vertedero. Cada pozo está formado por un tubo de PVC tipo teja (315 mm d.e.), taladrado aproximadamente en la mitad de su longitud para permitir la entrada del gas. La parte superior de cada tubo tiene un labio que permite, bien la conexión de una pequeña antorcha, bien un tapón metálico que permite el montaje de la tubería y accesorios destinados a la conducción del gas. Para evitar fugas o entradas de aire al sistema, se sella la periferia con plástico térmico y arena.
  • Conducción: cuando el pozo comienza a producir biogás con una riqueza que justifica su aprovechamiento, se retira la antorcha y se conecta al tapón una tubería de polietileno de alta densidad de 90 mm d.e. Estas líneas de conducción unen los pozos de captación con los colectores generales de aspiración situados en las estaciones de regulación y medida. Raramente se conectan más de dos pozos a la misma línea. Las líneas de conducción se agrupan en racks de 12 ó 16 unidades. En el caso de COGERSA, el sistema de conducción de biogás es vertical y las líneas aéreas se fijan mediante soportes a postes metálicos, a modo de catenarias. El biogás se encuentra a una temperatura media de 35º C y saturado en vapor de agua. Por tanto, en los puntos bajos de las catenarias, se colocan purgadores para evacuar los condensados.
  • Regulación e impulsión: los turboaspiradores montados en las 4 centrales de extracción (CE) generan una depresión en los colectores de aspiración, que parten de cada una de las estaciones de regulación vinculadas, confluyendo en un colector general de aspiración. Estos equipos generan también la presión necesaria para impulsar el biogás hacia los puntos de consumo. Las líneas de conducción llegan a alguna de las 16 estaciones de regulación y medida (ERM), en las que un sistema de válvulas montadas en las líneas de regulación controlan la depresión ejercida. Un autómata central y el software de supervisión (Scada) se encargan de controlar todo el sistema. Para ello, se apoyan en 3 centrales de análisis, las cuales monitorizan los valores de metano y oxígeno en cada una de las líneas y colectores, y actúan sobre las válvulas y el resto de elementos para mantener constante el porcentaje de concentración en volumen  de metano en el biogás y controlar los niveles de oxígeno por debajo de un valor mínimo de seguridad para evitar mezclas explosivas. La red cuenta también con 2 antorchas de seguridad que se encargan de quemar el exceso de biogás que se puede producir puntualmente.
  • Valorización de biogás: Las centrales de extracción impulsan el biogás hacia 10 motoalternadores que suman una potencia instalada de 6,9 MW, así como a los quemadores auxiliares de dos hornos para la incineración de residuos hospitalarios. Uno de los hornos para la incineración de residuos clínicos, el horno rotativo, dispone de una instalación de recuperación de calor y una turbina aneja de 1 MW de potencia instalada para el aprovechamiento del vapor generado.

 

Superficie del vertedero (ha)

70

Volumen total del vertedero (m3)

18.000.000

Residuos eliminados 2011 (t)

620.178

Pozos de captación

más de 330

Líneas de captación

180

Estaciones de regulación y medida

13

Centrales de análisis

3

Tendido de captación

más de 55 km

¿Qué motivó el desarrollo de BioGaps?

COGERSA venía monitorizando el sistema de captación descrito de una manera más elemental, que permitía recoger cierta información bruta sobre la cantidad de gas generado,  pero no su asociación con el lugar concreto del vertedero en el que se estaba produciendo el dato.

Durante la explotación de un vertedero, los residuos se van depositando en capas, lo que precisa desconectar pozos de la capa inferior para permitir el avance de la capa superior cuando el frente de vertido de residuos se va aproximando a ellos. De igual modo, a medida que avanza el frente de vertido, es necesaria la ejecución de nuevos pozos que, llegado el momento, serán conectados a la red.

Esto origina un complejo conglomerado de líneas de extracción y canalización del biogás, cuya disposición y puntos de conexión se modifican con el tiempo. Es decir, una línea puede estar conectada a un pozo cercano de la estación en un momento determinado, pero en otro momento puede conectarse a un pozo alejado. También pueden variar en el tiempo el número de pozos a los que se conecta simultáneamente una misma línea.

Los sistemas convencionales de control no soportan ni clasifican esta información, lo que ocasiona una gran brecha de conocimiento entre las labores de ejecución y conexión/desconexión de pozos, así como en otros parámetros de explotación tales como la regulación de las líneas, y dificulta la interpretación de los registros del sistema de supervisión Scada. Limitaciones de los sistemas tradicionales:

  • No muestran con exactitud patrones comunes de comportamiento de cada zona del vertedero,
  • No pueden registrar la evolución de cada zona en el tiempo,
  • No resaltan singularidades que se desvíen anormalmente de un patrón común de una zona determinada,
  • No muestran si una línea está conectada a uno o más pozos, ni la distancia entre ellos y con respecto a la estación.

La ausencia de una georreferenciación de los parámetros de control de la red de captación venía constituyendo una pérdida de información muy valiosa para COGERSA, y dificultaba la toma de decisiones y la planificación. Por ejemplo, desde el punto de vista del responsable la explotación, no es lo mismo que una línea muestre un nivel bajo de metano si aspira de una zona en la que el resto presentan niveles más altos, que varias líneas de una zona presenten bajos niveles porque la fermentación está finalizando su ciclo. Algo similar ocurre con el oxígeno. Una singularidad en una línea puede significar un problema asociado a una pérdida de estanqueidad en algún purgador o en la conexión al pozo, pero niveles altos de oxígeno en una zona pueden manifestar una superficie demasiado permeable al aire.

Por otro lado, en los últimos años se viene registrando una reducción progresiva de la producción de biogás en el vertedero de COGERSA. Esta tendencia se explica por la reducción de los residuos eliminados en vertedero, especialmente relevante en el lustro más reciente por el contexto de crisis económica y por su reflejo en la disminución del consumo familiar y en la actividad industrial, comercial y hostelera; aunque también se relaciona con el desvío de grandes masas de residuos orgánicos que años atrás se eliminaban en el depósito hacia operaciones de valorización. Concretamente, unas 18.000 toneladas al año de restos vegetales y de estiércoles se destinan a la producción de compost de alta calidad desde el año 2002; y unas 18.000 t/año de lodos EDAR se compostan desde 2010. Y ya de cara al futuro, a mediados de 2013 comenzará a operar una planta de digestión anaerobia que sustraerá del vertedero otras 30.000 t/año de residuos orgánicos.

En definitiva: la reducción progresiva de la fracción orgánica eliminada en el vertedero conlleva una merma en la producción de biogás, y ello exige una optimización cada vez más exigente que un sistema convencional de monitorización no puede satisfacer completamente.

Evolución del volumen de biogás captado en el vertedero de COGERSA

BioGaps

El sistema se apoya en una base de datos que se alimenta automáticamente desde el sistema de supervisión (Scada), mostrando al usuario la información de forma amigable mediante un código de colores en un visor cartográfico. Ello permite asimilar de manera visual y sencilla los parámetros de la captación, y le facilita al usuario la interpretación de la información y la toma de decisiones. Es decir, cubre la brecha (gap) que se produce entre la información de un sistema de supervisión tradicional y la información que se obtiene de manera efectiva sobre el terreno. Permite además que los usuarios puedan consultar mediante su navegador web toda la información del sistema de supervisión, sin precisar el acceso directo al Scada, eliminando así los riesgos que ello conlleva. La incorporación de la información cartográfica a los datos de extracción y regulación permite conocer de forma sencilla y sistemática la evolución de las zonas de captación, lo que aporta grandes posibilidades de optimización cuando se relaciona con los residuos vertidos en cada zona (cantidades, características especiales, altura de las capas) u otros factores como distancias entre pozos, número de pozos conectados a una línea, etc.

Vista general de BioGaps 2.0

Los colores mostrados en el visor indican al operador el lugar exacto del vertedero en el que debe revisar el sistema de captación.

El manejo del visor es muy sencillo e intuitivo, por asemejarse a GoogleMaps. BioGaps 2.0 posee además un potente sistema de gráficos que facilita al usuario el acceso de la información haciendo click sobre los elementos georreferenciados. El visor está desarrollado en software libre 100% (Open Source) y la base de datos gratuita MS SQL Server Express.

Ejemplo de la visualización de la información completa de un elemento del sistema

Los densidad de determinados colores muestra intuitivamente el “estado vital” de cada zona y facilita la planificación.

Funcionalidades de BioGaps
  • Herramientas para desplazarse por la imagen, hacer zoom, medir distancias y superficies.
  • Cuenta los pozos y calcula la longitud aproximada del conjunto de tuberías.
  • Muestra la situación del sistema en cualquier momento histórico.
  • Permite incorporar ficheros KML para reflejar información relacionada con la captación, como frentes de vertido, celdas especiales, etc. Este tipo de contenido y su organización es configurable por el usuario.
  • Permite mostrar y ocultar cualquiera de los elementos, tanto actuales (pozos captados, no captados, vinculaciones pozo-línea) como históricos (pozos enterrados, vinculaciones históricas).
  • Muestra toda la información actual del Scada al pulsar sobre cualquiera de los elementos, incluyendo por ejemplo distancia de un pozo a su estación y distancia entre pozos de una misma línea.
  • Permite seleccionar 9 cartografías (GoogleMaps, SigPac, etc.).
  • Pulsando sobre cada elemento se puede acceder a una gráfica configurable que muestra la evolución de todos sus parámetros (caudal, depresión, apertura de válvulas, metano, oxígeno, etc.), permitiendo consultar punto a punto con el ratón, ajustar los ejes, el rango de fechas, etc.
  • Dispone de una opción avanzada de gráficos para comparar elementos similares, elementos dependientes, etc.
  • Todos los datos de las gráficas son exportables a ficheros .xls, con indicación del promedio, máximo y mínimo de cada serie.
  • Permite la visualización modo “Heatmap” a partir de los datos

Ejemplo de un gráfico de comparación de la evolución del % metano en dos centrales

 

Ejemplo de visualización del nivel de metano en modo “heatmap”

Enlaces relacionados

http://www.cogersa.es/metaspace/portal/14498/49846
http://www.sadim.es/metaspace/portal/47629/47646-inicio
http://www.iecp.es/

(1)La entidad está formada por los 78 ayuntamientos asturianos y por la Administración Autonómica (el Gobierno del Principado). COGERSA explota desde 1985 el Vertedero Central de Asturias, donde se depositan los residuos municipales mezclados de toda la región (unas 450.000 toneladas anuales), así como unas 80.000 t/año de los lodos de depuradora y unas 70.000 t/año de residuos industriales no peligrosos.

 

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