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Estudio de Prefactibilidad del Potencial del Biogás: Relleno Pichacay Cuenca, Ecuador
Preparado para: Empresa Municipal de Aseo de Cuenca (EMAC)
Preparado bajo:Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos -USEPA-
Programa de Acercamiento de Metano de Rellenos -LMOP- Contrato: EP-W-06-22 TO 006
Por:
Eastern Research Group, Inc. y
Carbon Trade, Ltd
7 de Octubre, 2007
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TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN EJECUTIVO ....................................................................................................................................................... 1
INTRODUCCCIÓN ................................................................................................................................................................ 2
1. LIMITACIONES DEL PROYECTO ........................................................................................................................... 3
2. BIOGÁS DE RELLENO ............................................................................................................................................... 3
3. INFORMACIÓN DEL RELLENO .............................................................................................................................. 4
3.1. Ubicación y Operación del sitio ............................................................................................................................ 43.2. Ingreso de Desechos .............................................................................................................................................. 5
4. COMPOSICION DEL DESECHO ............................................................................................................................... 6
5. ACTIVIDADES DE RECICLAJE ............................................................................................................................... 6
6. CONSTRUCCIÓN DEL SITIO .................................................................................................................................... 7
6.1 Observaciones Generales ....................................................................................................................................... 76.2 Información Ambiental ......................................................................................................................................... 76.3 Profundidad del Desecho ...................................................................................................................................... 7
6.4 Colocación del Desecho ......................................................................................................................................... 86.5 Impermeabilización de la Base..............................................................................................................................8
6.6 Capa de Cobertura ................................................................................................................................................. 8
7. GAS Y LIXIVIADOS .................................................................................................................................................... 9
7.1. Lixiviados ............................................................................................................................................................... 9
7.2. Gas ......................................................................................................................................................................... 9
7.3. Incendios .............................................................................................................................................................. 10
8. MODELO DE GAS ...................................................................................................................................................... 10
8.1. Modelo de Emisiones ........................................................................................................................................... 10
8.2. Parámetros del Modelo. ....................................................................................................................................... 11
9. RESULTADOS DE LINEA BASE PARA MODELO DE GAS .............................................................................. 12
10. EFICIENCIA ANTICIPADA EN LA CAPTACIÓN DE GAS ........................................................................... 13
11. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ........................................................ 13
11.1. Ubicación del Ensayo .......................................................................................................................................... 14
11.2. Objetivos del Ensayo ............................................................................................................................................ 14
11.3. Perforaciones ....................................................................................................................................................... 1511.4. Tuberías ............................................................................................................................................................... 15
11.5. Puntos de Monitoreo de Presión ......................................................................................................................... 1511.6. Quemador Móvil .................................................................................................................................................. 15
12. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – PROTOCOLO DE CONTROL ................................................................ 16
13. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – PROTOCOLO DE MONITOREO .......................................................... 16
14. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – INSTALACIÓN DE POZOS .................................................................... 18
14.1. Perforación de los Pozos de Gas ......................................................................................................................... 18
14.2. Conversión de Chimenea Pasiva. ........................................................................................................................ 1914.3. Sondas de Monitoreo ........................................................................................................................................... 19
15. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS - RESULTADOS ........................................................................................... 20
15.1. Salida del Quemador de Gas ............................................................................................................................... 2015.2. Pozo 1 ................................................................................................................................................................... 21
15.3. Pozo 2 ................................................................................................................................................................... 23
15.4. Pozo 3 ................................................................................................................................................................... 25
ii
16. DISPONIBILIDAD DE BIOGAS DE RELLENOS ............................................................................................. 26
16.1. Área Disponible ................................................................................................................................................... 26
16.2. Entrada de Oxigeno ............................................................................................................................................. 2616.3. Radio de Influencia ............................................................................................................................................. 27
16.4. Disponibilidad del Gas Específico ....................................................................................................................... 28
16.5. Disponibilidad del Gas en el Sitio ...................................................................................................................... 28
17. OPCIONES DE USO .............................................................................................................................................. 30
17.1. Energía Térmica .................................................................................................................................................. 30
17.2. Energía Eléctrica ................................................................................................................................................. 3117.3. Conexión a la Red ................................................................................................................................................ 33
18. COMERCIO DE EMISIONES .............................................................................................................................. 33
19. ESPECIFICACIONES GENERALES DE UN SISTEMA DE EXTRACCION DE GAS ................................ 36
19.1. Perforación .......................................................................................................................................................... 36
19.2. Pozos de Gas ........................................................................................................................................................ 3719.3. Control de Lixiviados ........................................................................................................................................... 37
19.4. Red de Tubería ..................................................................................................................................................... 38
19.5. Quemador y Bomba de Gas ................................................................................................................................. 3819.6. Cuadro de Cantidades.......................................................................................................................................... 39
19.7. Costos del Sistema de Evaporación de Lixiviados .............................................................................................. 41
20. MODELO FINANCIERO ...................................................................................................................................... 42
21. CONCLUSIONES ................................................................................................................................................... 44
REFERENCIAS .................................................................................................................................................................... 46
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS
TABLA 1 – INGRESO DE DESECHO 2001-2006 (ACTUAL) Y 2007 A 2021 (PROYECCIÓN) ............................................................ 5TABLA 2 – COMPOSICIÓN DE DESECHO ESTIMADO .................................................................................................................... 6TABLA 3 – PROMEDIO DE LLUVIA (MM) (FUENTE: WWW.WORLDCLIMATE.COM) ........................................................................ 7TABLA 4 – PARAMETROS DE MODELO ...................................................................................................................................... 11TABLA 5 – RESULTADOS DEL MODELO DE BIOGÁS .................................................................................................................. 13TABLA 6 – RESOLUCION DEL ANALISIS .................................................................................................................................... 17TABLA 7 – POZOS DE GAS ........................................................................................................................................................ 18TABLA 8 – PROFUNDIDAD DE LAS PERFORACIONES .................................................................................................................. 19TABLA 9 – ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DEL RADIO DE INFLUENCIA ......................................................................................... 28TABLE 10 – ESTIMADO DE ENERGÍA TERMAL DISPONIBLE ....................................................................................................... 29TABLE 11 – COSTO TIPICO DE EQUIPO DE GENERACIÓN ELÉCTRICA ........................................................................................ 31TABLE 12 – CAPACIDAD ESTIMADA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA ........................................................................................... 32TABLE 13 – ESTIMADO DE REDUCCIÓN DE EMISIONES DISPONIBLES ....................................................................................... 36TABLA 14 – CUADRO DE CANTIDADES PARA UN SISTEMA DE EXTRACCIÒN DE GAS ................................................................ 39TABLA 15 – COSTOS DEL EQUIPO GENERADOR ........................................................................................................................ 41TABLA 16 – COSTO CAPITAL ESTIMADO PARA MODELO FINANCIERO ..................................................................................... 42TABLA 17 – ESTIMADO INDICATIVO DE COSTOS DE OPERACIÓN PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ........................ 42TABLA 18 – SUPOSICIONES DEL MODELO FINANCIERO ............................................................................................................ 42TABLA 19 – SUPOSICIONES DE INGRESOS DEL MODELO FINANCIERO ....................................................................................... 43TABLE 20 - RESULTADOS DEL MODELO FINANCIERO – PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ............................................... 43TABLA 21 - RESULTADOS DEL MODELO FINANCIERO – SOLO QUEMA ..................................................................................... 44
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FIGURA 1 – LÍNEA BASE DE EMISIONES DE BIOGÁS .................................................................................................................. 12FIGURE 2 – RESULTADOS DEL QUEMADOR ............................................................................................................................... 20FIGURA 3 – RESULTADOS DEL POZO 1 ...................................................................................................................................... 21FIGURE 4 – RESULTADOS DE SONDAS EN POZO 1 ..................................................................................................................... 22FIGURA 5 – RESULTADO DEL POZO 2 ........................................................................................................................................ 23FIGURA 6 – RESULTADOS DE SONDAS DEL POZO 2 ................................................................................................................... 24FIGURA 7 – RESULTADOS DEL POZO 3 ...................................................................................................................................... 25
ECUACION 1 – MODELO DE DECAIMIENTO DE PRIMER ORDEN ................................................................................................. 10ECUACION 2 – LINEA BASE GHG EMISIONES ........................................................................................................................... 11ECUACIÓN 3 – REDUCCIÓN DE EMISIONES DISPONIBLES .......................................................................................................... 35ECUACIÓN 4 – REDUCCIÓN DE EMISIÓN DE INTERCAMBIO DE USO DE COMBUSTIBLE FOSIL ................................................... 35
APPENDICES
APENDICE I Registro de Monitoreo de Gas APENDICE II Ubicación de Ensayo de Bombeo de Gas APENDICE III Bitácora de Perforación APENDICE IV Registros de Monitoreo de Ensayo de Bombeo de Gas APENDICE V Dibujos de Conversión de Chimenea Pasiva y Colector Horizontal APENDICE VI Áreas disponibles para un Sistema de Colección de Gas APENDICE VII Diagrama de Sistema de Colección de Gas APENDICE VIII Ejemplo de Modelo Financiero APENDICE IX Certificado de Calibración de Analisador de Gas APENDICE X Fotos
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RESUMEN EJECUTIVO
El relleno Pichacay, propiedad de la Municipalidad de Cuenca Ecuador y operado por la Empresa Municipal de Aseo de Cuenca (EMAC), recibe desecho domestico y comercial de la ciudad de Cuenca y sus alrededores. Este sitio recibe aproximadamente 120,000 toneladas de desecho domestico anual. Con un plan de extensión para el año 2021, se espera que el sitio contenga aproximadamente 2.68 millones de toneladas de desecho para cuando alcance la fecha de clausura propuesta.
Bajo contrato con la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (U.S. EPA, por sus siglas en ingles), las empresas Eastern Research Group, Inc. (ERG), y Carbon Trade Ltd (Carbon Trade). completaron una evaluación inicial del potencial del Relleno Pichacay para generar metano. Un análisis de información proporcionada por la Municipalidad de Cuenca, indica que el sitio podría estar emitiendo actualmente 638 m3/hr de biogás, conteniendo aproximadamente un 50 por ciento de metano. Esta tasa podría alcanzar un tope de aproximadamente 1,800 m3/hr en el año 2022.
Siguiendo las evaluaciones iniciales del sitio, el Relleno Pichacay fue seleccionado para posteriores estudios de prefactibilidad, incluyendo ensayos de bombeo. Los informes proveídos por los ensayos de bombeo, incluyen información recabada de las operaciones de perforación, así como flujo de gas y tasas de calidad que permiten un análisis más exacto de la cantidad y calidad del gas que puede ser recuperado del relleno.
Los ensayos de bombeo se llevaron a cabo entre el 11 y 29 de Marzo del 2007 y operando con dos pozos perforados para captación de gases y una conversión de las chimeneas de gas pasivo existentes. El área seleccionada para los ensayos de gas fue sobre desechos con aproximadamente 4 años de antigüedad y fue considerada representativa del área total del sitio.
Los resultados de los ensayos de bombeo indican que se puede captar una buena calidad de biogás tanto de nuevos pozos perforados, como de la conversión de sistemas de chimeneas de gas pasivo existentes. Los datos de los ensayos de bombeo fueron extrapolados al área disponible en el relleno Pichacay, lo cuál indica que actualmente hay disponibilidad de 504 m3/hr de biogás.
El estudio indica que el relleno Pichacay contiene altos niveles de lixiviados, a pesar del sistema de drenaje existente. Este nivel de lixiviados en el sitio es una restricción significativa en la recolección eficiente de biogás y mayores rangos de recuperación serian posibles con la instalación de equipo de control de lixiviados (bombeo) como parte de cualquier diseño de sistema de captación de gas permanente.
El relleno Pichacay ofrece buena cantidad de energía disponible del biogás, por lo tanto ofrece la oportunidad de desarrollar un proyecto de biogás a energía. Sin embargo, la ubicación del sitio puede resultar en un costo relativamente alto para la conexión de electricidad a la red para la exportación de energía. Adicionalmente la altura a la que se encuentra el sitio podría resultar en un bajo rendimiento de los motores tradicionales de ignición con bujía y por lo tanto un alto costo capital. A pesar de estas restricciones, el sitio ofrece un buen potencial para un proyecto de biogás a energía. Aunque hay poca oportunidad para proyectos de uso directo, la implementación de tecnología para la evaporación de lixiviados representa una posibilidad.
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INTRODUCCCIÓN
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (U.S. EPA), esta trabajando conjuntamente con el Ministerio de Ambiente de la Republica del Ecuador, en un programa de cooperación para promover los beneficios que trae el uso de metano, mientras reduce también las emisiones de metano a la atmósfera. Algunas de las actividades clave para este programa de cooperación incluyen las siguientes:
(1) Identificar rellenos aptos con cantidades suficientes de gas de alta calidad que pueda ser usado para abastecer la necesidad de energía local.
(2) Conducir un taller para capacitar a propietarios de rellenos, oficiales municipales y organizaciones locales, con el fin de desarrollar proyectos de extracción de metano
(3) Llevar a cabo talleres para reunir a propietarios de rellenos, desarrolladores de proyectos, e instituciones financieras para que ayuden a promover el desarrollo de proyectos de metano en Ecuador.
Para apoyar estas actividades la U.S. EPA ha contratado a dos empresas, Eastern Research Group, Inc. (ERG) y Carbon Trade, Ltd. (Carbon Trade).
Algo importante en la identificación de rellenos aptos para proyectos de energía, involucra realizar visitas al sitio de relleno que han sido identificados por El Ministerio de Ambiente de Ecuador como sitios potenciales para desarrollar un proyecto. La mayoría de visitas a los sitios fueron completadas entre el 23 y el 27 de Octubre del 2006, En estas visitas, las empresas ERG y Carbon Trade recolectaron información acerca del diseño de cada relleno, volumen y composición del desecho y del gas que fue usado para evaluar el potencial del biogás. También se recolectó información con los usuarios locales de energía, que podrían estar interesados en utilizar energía producida por un relleno de desechos.
Este informe de prefactibilidad resume lo encontrado en el sitio durante la visita y los ensayos de bombeo realizados en el Relleno Pichacay en Cuenca, Ecuador. Este reporte incluye un análisis de potencial del biogás y examina las oportunidades que puedan existir para usarlo para abastecer las necesidades de energía de los usuarios e industrias locales. Este reporte, además incluye información técnica que puede ser de gran utilidad para potenciales desarrolladores de proyectos ya que ellos evalúan la tecnología y potencial del proyecto de energía, mediante el aprovechamiento del metano producido por el relleno.
La visita inicial al sitio, incluyó un análisis no invasivo del relleno, así también una inspección a las medidas de control de lixiviados, tecnología de contención, topografía y una operación general del relleno. Los ensayos de bombeo incluyeron la instalación de un sistema móvil de quema de biogás con capacidad de 300 m3/hr , que fue conectado con dos nuevos pozos perforados de captación de gases en el sitio y una conversión de chimenea de gas pasivo. Los ensayos de bombeo midieron la cantidad y calidad del biogás recolectado en un periodo de 19 días, durante el cual se tomaron medidas dos veces al día. La succión aplicada a los puntos de extracción fue ajustada constantemente para maximizar la eficiencia de recolección del biogás.
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1. LIMITACIONES DEL PROYECTO
La información y predicciones contenidas en este reporte de valoración, se basaron en datos suministrados por los dueños del sitio, los operadores y los resultados de ensayos de bombeo de gas. Ni la U.S. EPA, ni sus contratistas pueden tomar responsabilidad por la exactitud de los datos dados por terceras personas. Mediciones, valores y predicciones presentadas en este informe se basan en datos y condiciones físicas observadas durante las visitas y los ensayos de bombeo en el sitio.
Se debe notar que las condiciones del relleno pueden variar debido a cambios en el ingreso de desechos, prácticas de manejo, prácticas de ingeniería y condiciones ambientales (especialmente lluvia y temperatura). Por lo tanto, la cantidad y calidad del biogás extraído del relleno, puede variar en un futuro debido a los valores pronosticados en este reporte, los cuales están basados en condiciones observadas durante las vistas y los ensayos de bombeo en el sitio.
El Relleno Pichacay no tiene actualmente un sistema de captación de gas, quemado o utilización. Sin embargo, el sitio quema una porción pequeña del biogás emitido por las chimeneas de gas pasivo. El capital estimado, costo operacional y el rendimiento de inversión, resultado por instalar tal sistema en el Relleno Pichacay, se basan en costos actuales y típicos de América Latina, pero no garantiza exactitud de los datos.
Para el desarrollo de este informe se presto toda atención y cuidado, a potenciales inversionistas de proyectos de uso de biogás en el Relleno Pichacay se les aconseja que se satisfagan con la exactitud de los datos y los pronósticos contenidos en este informe.
Este informe ha sido preparado para la Asociación de Metano a Mercados de U.S. EPA y es información pública.
2. BIOGÁS DE RELLENO
Los rellenos producen biogás (normalmente llamado biogás de relleno) mediante la descomposición de materiales orgánicos bajo condiciones anaeróbicas (sin oxigeno). El biogás de relleno esta compuesto aproximadamente de partes iguales de metano y dióxido de carbono, con un pequeño porcentaje de oxigeno, nitrógeno y vapor de agua, como también un rastro de concentraciones de compuestos volátiles orgánicos (VOCs) y contaminantes del aire dañinos (HAPs). Ambos de los componentes primarios del biogás de relleno (metano y dióxido de carbono) son considerados gases de efecto invernadero (GHG), lo cual contribuye al calentamiento global. Sin embargo, el Panel Intergubernamental en Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en ingles) no considera al dióxido de carbono un “biogénico” sino una parte del ciclo natural del carbono. La IPCC no considera al dióxido de carbono de relleno un GHG porque, solo el contenido del metano es incluido en cálculos de emisiones a la atmósfera.
El metano es un GHG mas potente que el dióxido de carbono (CO2), con un potencial de calentamiento global 20 veces mayor a del CO2. Por lo tanto, la captura y combustión del metano (trasformándolo a dióxido de carbono y agua) en quemadores, y motores generadores u otro dispositivo, resulta en una reducción sustancial de emisiones GHG. Beneficios adicionales de la combustión del biogás, mayores que la reducción de emisiones de GHG, incluye el potencial de mejorar la calidad del aire local a través de la destrucción de HAPs y VOCs.
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Existen dos caminos naturales por los cuales el biogás puede dejar el relleno: por migración subterránea adyacente y por las chimeneas en el sistema de cobertura del relleno. En ambos casos, sin captura o control, el biogás (conteniendo metano) llegara de alguna manera a la atmósfera. El volumen y tasa de emisiones de metano de rellenos son función de la cantidad total de material orgánico enterrado en el relleno, la edad y humedad del material, técnicas de compactación, temperatura y tipo de desecho y tamaño de partículas. Mientras la tasa de emisiones de metano decrece debido a que un relleno se cierra (cuando la fracción orgánica esta agotada), el relleno continua emitiendo metano por muchos años (20 o mas) después de su clausura.
Un método común para controlar emisiones de biogás es instalar un sistema de recolección de biogás, que extraiga biogás bajo la influencia de una pequeña aspiradora. Sistemas de control de biogás están equipados con dispositivos de combustión (u otros tratamientos) diseñados para destruir metano, VOCs, y HAPs, antes de su emisión a la atmósfera.
Una buena calidad de biogás (alto contenido de metano con bajos niveles de oxigeno y nitrógeno) puede ser utilizada como combustible para compensar el uso de combustible fósil convencional. El valor calorífico se extiende típicamente de 15 a 18 Mega joules (MJ) por metro cúbico, lo cual es aproximadamente la mitad de valor calorífico del gas natural. El uso potencial del biogás generalmente cae en uno de las siguientes categorías: Generación eléctrica, uso directo para calefacción/combustible de caldera (medio-Btu), mejorar a gas de alto Btu, y otros usos tales como combustible para vehículos.
Este estudio se enfoca en evaluar el potencial de generación eléctrica, uso directo de calor o proyecto de quema en el Relleno Pichacay.
3. INFORMACIÓN DEL RELLENO
Antes de las visitas al sitio, se le solicito al dueño del relleno, la Municipalidad de Cuenca, que suministrara la información en relación al ingreso de desechos, detalles de la ingeniería y las condiciones ambientales del sitio del relleno. La información a continuación fue obtenida para el Relleno Pichacay y fue editada a un formato estándar. La información fue actualizada durante las visitas al sitio.
3.1. Ubicación y Operación del sitio
El relleno Pichacay se localiza aproximadamente a 21 km al sur de la ciudad de Cuenca en la Parroquia Santa Ana. El área es generalmente rural y tiene poco desarrollo industrial. El acceso al sitio es mediante un camino de subida del cual 4 km estaban siendo asfaltados durante el tiempo de los ensayos.
El sitio ocupa un área de cuatro hectáreas (Ha), el cual esta rodeado por tierra agrícola. A la Municipalidad le pertenecen 12 Ha más de tierra agrícola que esta asignada para el desarrollo futuro del sitio.
El sitio le pertenece a la Municipalidad de Cuenca y es operado por la Empresa Municipal de Aseo de Cuenca, EMAC.
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3.2. Ingreso de Desechos
El sitio empezó a funcionar en el 2001 debido a la clausura del relleno El Valle. En base a tasas actuales de disposición de desechos, se espera que el sitio alcance su capacidad para el año 2021, aunque una expansión es posible más allá de esta fecha.
Datos suministrados por el sitio indican que actualmente hay aproximadamente 522,000 toneladas de desecho en el lugar hasta junio de 2006. El desecho esta siendo depositado actualmente con un tasa aproximada de 104.250 toneladas por año (año 2006) y esto se espera incremente en un promedio de 2.4 por ciento por año.
Una báscula esta instalada en el sitio, por lo tanto, se pude asumir que la información acerca de la cantidad de desecho en su lugar y la tasa de ingreso de desecho es razonablemente exacta. El ingreso anual de desecho (actual y pronosticado) se observa en la Tabla 1
La Municipalidad ha suministrado información acerca de la composición del desecho. El ingreso de desecho contiene 85.3% de desecho domestico municipal, 6.7% de desecho industrial y 8.0% de desecho inerte.
Tabla 1 – Ingreso de Desecho 2001-2006 (Actual) y 2007 a 2021 (Proyección)
Año Ingreso Anual
(toneladas)2001 33,2622002 103,6362003 106,5422004 109,2472005 112,0052006 114,7812007 117,6002008 121,0392009 123,9752010 126,9632011 129,9422012 132,9602013 136,6582014 139,7852015 142,9582016 146,1292017 149,3442018 153,3002019 156,6252020 159,9952021 163,400Total 2,680,147
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4. COMPOSICION DEL DESECHO
Datos acerca de la composición del desecho fueron suministrados por el operador. Esta composición es presentada en la Tabla 2
Tabla 2 – Composición de Desecho Estimado
Categoría de Desecho Composición
(%) Comida 66.0% Papel y Cartón 12.5% Plásticos 4.6% Metal 1.5% Vidrio 1.7% Recortes de vidrio, abono 0.0% Desecho de jardinería 0.0% Madera (Leña y troncos de árboles) 0.8% Goma, neumáticos, textiles 0.3% Desecho orgánico, Incluye lodo no toxico, desecho de tanques sépticos, pañales y animales muertos.
0.0%
Otro desecho inerte 12.6%
Consecuente con otras publicaciones en la composición de desechos en Ecuador (Referencia 5), El porcentaje de desecho orgánico es relativamente alto y más del 60% del desecho puede ser categorizado de rápido decaimiento o pudrición.
5. ACTIVIDADES DE RECICLAJE
La Municipalidad de Cuenca opera un esquema de reciclaje en banqueta. El desecho apropiado para reciclaje es recolectado al mismo tiempo que el desecho doméstico y transportado a un sitio separado del desecho del relleno. Los materiales reciclables son depositados en una instalación de colección ubicada en el relleno, donde diferentes tipos de desechos son segregados dentro de cubos de recolección.
Parte de los desechos de los Mercados no son llevados al sitio Pichacay, ya que son transportados a las instalaciones de lombricultura, aun operadas en el relleno de El Valle.
En el relleno Pichacay no hay actividad de separación en sitio, ni recogedores de desechos.
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6. CONSTRUCCIÓN DEL SITIO
Una visita se completó el 24 de octubre, 2006 para examinar la ingeniería del relleno y obtener datos de monitoreo donde fuera disponible. Los puntos siguientes describen las características propias del sitio.
6.1 Observaciones Generales
El Sitio de Relleno de Pichacay esta construido en un valle natural a un lado del Valle Principal que contiene al Río Quingeo. Los contornos originales han sido excavados para formar celdas de confinamiento para el desecho. El sitio esta rodeado por tierra agrícola a los tres lados y una colina relativamente empinada al Este. El sitio tiene acceso vial por una carretera recientemente construida de aproximadamente 4 Km. de longitud.
No hay industria local y el área a los alrededores es completamente para agricultura. No hay viviendas colindantes al sitio. Sin embargo, hay un número de edificios asociados con la báscula y las operaciones del sitio, en la base del relleno.
6.2 Información Ambiental
El sitio se encuentra a una altitud de 2,607 m, un poco más alta que la Ciudad de Cuenca, con lecturas Barométricas de 744 mB, lo que equivale a 2,657 m bajo condiciones atmosféricas estándares.
El promedio de lluvia para la Ciudad de Cuenca esta mostrado en la Tabla 3,. Debe tomarse en cuenta que las condiciones climáticas en esta área son variables, Debido particularmente a cambios en la altitud. Los operadores del sitio tienen equipo completo de medición del clima e información atmosférica más exacta esta disponible.
Tabla 3 – Promedio de Lluvia (mm) (fuente: www.worldclimate.com)
Ene Feb Mar Abri May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total 62.2 84.8 99.0 115.2 64.0 50.7 40.3 36.2 59.8 96.2 96.0 78.4 887.2mm
El sitio esta categorizado como moderadamente húmedo, con lluvias parciales durante el año que rocían constantemente, humedeciendo el contenido en el desecho manteniéndolo a un nivel donde no se restringe la descomposición anaeróbica. Información acerca del agua contenida en el desecho, fue obtenida durante el bombeo en el periodo de prueba. Esto índica que la mayoría del desecho esta completamente saturado con agua.
6.3 Profundidad del Desecho
Planos exactos de la ingeniería del sitio están disponibles. Estos planos muestran que la profundidad planificada de colocación de desecho es de un máximo de 35.0 m en el centro de la última plataforma y espacios con un mínimo de 5 m en los bordes extremos.
El desecho es depositado en siete (7) distintas plataformas con 5m de profundidad total cada una. Operaciones actuales se llevan a cabo en las plataformas 6 y 7, siendo la 7 el área final a ser llenada antes que las nuevas celdas sean construidas. Cada plataforma esta construida encima de la capa anterior formando terrazas aproximadamente de 10 m de ancho. Cada plataforma esta clasificada
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aproximadamente a 35º en todos los lados creando gradientes que son empinados para el acceso de equipo de perforación.
Los caminos de acceso han sido construidos sobre muchas (pero no todas) de las plataformas de terrazas.
6.4 Colocación del Desecho
El desecho es depositado directamente desde los vehículos de recolección dentro del sitio. Materiales reciclables, los cuales son llevados separadamente en los techos de los camiones de desechos, son depositados dentro de un número de contenedores a la entrada del sitio. No existe equipo de compactación tipo “pata de cabra” aunque un excavador y un tractor de oruga son usados para distribuir y compactar los desechos, como también para colocar una cobertura diaria y material de cobertura. El sitio reporta que las técnicas recientes alcanzan una compactación de 0.75 T/m3.
El desecho es colocado en Capas de 2.30 m y es cubierto con 0.2 m de cubrimiento diario. Cada plataforma por lo tanto consiste en dos capas de desecho, separadas por arcilla/suelo mezcla de cobertura diaria. Medidas de inclinación en los desechos son realizadas rutinariamente con el inclinómetro. Esto indica que hay poco movimiento horizontal en la masa de desecho, pero se asienta de manera normal verticalmente.
6.5 Impermeabilización de la Base
El relleno Pichacay esta construido sobre una capa de arcilla de 20 cm de espesor con una geomembrana de 0.75 mm HDPE colocada por los operadores del sitio sobre la arcilla. La arcilla utilizada esta disponible en la localidad y excavaciones que fueron inspeccionadas en Marzo 2007 indican que la permeabilidad es relativamente baja y que las arcillas están libres de arena y rocas.
Ninguna cubierta protectora es instalada sobre la geomembrana sin embargo la primera capa de desecho ha sido seleccionada para asegurar que no hayan objetos punzo cortantes que puedan perforar el revestimiento.
Revestimiento de esta especificación no es requerido por las leyes de Ecuador.
6.6 Capa de Cobertura
La actual capa de cobertura de desecho esta construida de arcilla y suelos que se han obtenido desde los sitios de excavaciones. Diariamente una cubierta es colocada sobre los desechos, por la maquinaria del sitio. Algunas de las plataformas bajas han sido permanentemente cubiertas y selladas con aproximadamente 0.30m de arcilla local. Una proporción del área final (alrededor de 0.5 Ha) Tiene también suelo vegetal y una diversa vegetación, en su mayoría árboles de Eucalipto y grama.
El material usado para la cubierta diaria es localmente excavado, compone de arcilla y suelo. Se ha visto que cuando este material se seca se pulveriza fácilmente a un polvo fino, sin embargo cuando se moja forma arcilla de baja permeabilidad
Solamente celdas de desecho activas han expuesto el desecho y no existe evidencia de rompimiento de capas por desecho, más que, en pequeñas áreas asociadas con movimiento de tráfico en los caminos de acceso.
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7. GAS Y LIXIVIADOS
7.1. Lixiviados
Lixiviado es el líquido producido por agua contaminada dentro del relleno por una gran variedad de solutos, provenientes de la disposición y descomposición de desecho (incluyendo componentes orgánicos e inorgánicos) en rellenos. El agua en los rellenos resulta del drenaje de humedad del desecho mientras se descompone, el agua es el resultado de la biodegradación y lluvia que entra al sitio. Los lixiviados son altamente contaminantes y usualmente tienen una baja concentración de oxigeno disuelto.
Un sistema de recolección de lixiviados, hecho de zanjas llenas de piedras “drenaje francés” fue instalado en el sitio antes de que se depositaran los desechos. Estos drenajes consisten de zanjas de 1.0 m de ancho llenas con grandes rocas (100 mm+), las cuales luego son cubiertas con un geotextil. Los drenajes de lixiviados han sido instalados en la base del sitio y sobre la Plataforma 4. Cámaras de inspección han sido construidas en la salida de cada drenaje de lixiviados para monitorear el nivel y el flujo.
Los drenajes de lixiviados descargan su contenido en sistemas de lagunas en la base del sitio (en el lado opuesto al camino de acceso al sitio), donde es trasladada a una planta de tratamiento de aguas residuales. El operador del sitio noto que hay bajas concentraciones de metales en los lixiviados, permitiendo un tratamiento en un proceso de lagunas de bioestabilización tradicional para aguas negras.
Un numero de chimeneas verticales fueron construidas de Tubería MDPE corrugada “doble pared”. en varias ubicaciones en el sitio. La profundidad de los lixiviados no fue medida en estas cámaras, sin embargo una inspección visual índico que había liquido en la base.
7.2. Gas
Actualmente el biogás se escapa del sitio por medio de columnas de chimeneas de gas pasivo (10 aproximadamente). Estas chimeneas de gas pasivo están construidas con gaviones de malla hexagonal rellenos con piedra bola y generalmente no contienen tubos. Estas columnas están construidas desde la base del sitio. Aproximadamente seis de estas chimeneas tienen tubos de hierro galvanizado perforado de pequeña longitud con un quemador de encendido manual en la parte superior. Collares de concreto han sido construidos en la superficie para soportar los quemadores y varios de estos quemaban gas. Las chimeneas se intersectan con el sistema de drenaje de lixiviados.
Medidas de la concentración de gas fueron tomadas en varias ubicaciones durante la visita inicial al sitio. El record máximo de concentraciones de metano fue de 54.4 % v/v y el mas bajo de 25.7% v/v, tomada en una chimenea de gas pasivo de 5.0 m de profundidad.
También se tomaron mediciones del flujo en las chimeneas de gas pasivo, la cuales tenían puntos apropiados de medida. Sin embargo, se noto que el diámetro de la mayoría de las chimeneas de gas pasivo era grande, dando como resultado una velocidad del gas baja, incrementando cualquier error en las mediciones. El ritmo más alto del flujo pasivo (correcto para la altitud) era de 5.2 Nm3/hr a 54.5% v/v metano, con un promedio de 2.85 Nm3/hr.
10
Datos completos del análisis de gas, durante la visita inicial al sitio, se adjuntan en este informe en el Apéndice I.
7.3. Incendios
No hay evidencia de que se haya dado un incendio en el sitio.
8. MODELO DE GAS
8.1. Modelo de Emisiones
Las emisiones estimadas de biogás indican el potencial total de emisiones de biogás del sitio. Estos cálculos no deberían de ser confundidos con las estimaciones del biogás recuperable que puede estar disponible para utilización. Biogás recuperable se estima en la Sección 16 de este informe.
La línea base para estimar la cantidad de metano generado en el sitio se ha calculado con el uso de dos modelos de gas, que se basan en matemáticas de decaimiento de primer orden: El modelo de biogás de Carbon Trade y el Modelo LFG U.S. EPA México.
Ambos modelos se basan en la siguiente ecuación (Ecuación 1)
Ecuación 1 – Modelo de Decaimiento de Primer Orden )(
00 %1 lag
vol
ttknekMLQ
Donde:
Q cantidad total del biogás generado (metros cúbicos normales) n numero total de años modelado t tiempo en años, desde el inicio de la disposición de desechos. tlag tiempo estimado entre el deposito del desecho y la generación de metano. %vol porcentaje volumétrico estimado de metano en el biogás del relleno L0 volumen estimado de metano generado por tonelada de desecho sólido. k tasa estimada de descomposición del desecho orgánico. M masa de desecho en el lugar por año t (toneladas)
Cuando la cantidad de biogás generado por el sitio ha sido determinada teóricamente, la ecuación siguiente (Ecuación 2) puede ser usada para estimar el número efectivo de toneladas equivalente a dióxido de carbono emitido por el sitio. Este factor de 21(Referencia 1) es usado para estimar el potencial del gas invernadero, en toneladas equivalentes de dióxido de carbono, resultado de la emisión de metano a la atmósfera.
11
Ecuación 2 – Línea base GHG Emisiones
4.221% CHvolCO QT
eq
Donde:
TCO2eq. Toneladas totales generadas de dióxido de carbono equivalente.%vol Porcentaje volumétrico estimado de metano en biogás de relleno. Q Cantidad total de biogás de la Ecuación 1 (metros cúbicos normales)
CH4 Densidad del metano = 0.0007168 toneladas/metro cúbico.
8.2. Parámetros del Modelo.
El valor de los parámetros modelo Lo y k depende de la fracción orgánica disponible, la temperatura, y el contenido de humedad del desecho. Para este análisis, tres potenciales conjuntos de valor fueron desarrollados para estas variables, basado en tres referencias. Uno de los conjuntos de valores para estas variables fue desarrollado por las recomendaciones de SCS Engineers. Inc. a través del desarrollo del Modelo de Biogás U.S. EPA México (Referencia 3). Un segundo conjunto de valores para estas variables viene de las recomendaciones del actual Guía IPCC para Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero (Referencia 4) basadas en los datos de descomposición del desecho, suministrados por la Municipalidad de Cuenca y la disponibilidad de información meteorológica de Pichacay. El tercer conjunto de valores para estas variables viene del modelo de Carbon Trade.
La tabla 4 demuestra los tres conjuntos de parámetros de modelos utilizados en los modelos de gas, para desarrollar tres conjuntos de emisiones comparativas estimadas. Debe notarse que las recomendaciones de U.S. EPA México y las de la Guía IPCC han sido utilizadas en el modelo EPA México. El modelo de Carbon Trade incluye una función para suavizar la producción de gas así como también clasifica cuatro diferentes valores de k en, domestico, industrial, comercial y desechos inertes.
Tabla 4 – Parámetros de Modelo
Parámetro Fuente Valor Fundamento
Lo(potencial de generación de metano estimado)
Carbon Trade 90 m3 Orgánicos altos con lluvias moderadas
U.S. EPA México 84 m3 Lluvias moderadas Guía IPCC 70.8 m3 Calculado del contenido de
carbono disponible, promedio para otros sitios en Ecuador.
K(Constante tasa de generación de Metano)
Carbon Trade promedio 0.062
Calibrado para sitios similares
U.S. EPA México 0.08 Lluvias moderadas
Guía IPCC 0.05 Lluvias moderadas
%vol(Porcentaje en volumen de Metano)
Carbon Trade 50% v/v Norma aceptada para concentración promedio de metano en biogás de relleno bajo condiciones de extracción.
U.S. EPA México 50% v/v
Guía IPCC 50% v/v
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9. RESULTADOS DE LINEA BASE PARA MODELO DE GAS
La figura 1 y tabla 5 comparan emisiones de biogás emitidas por el modelo de Carbon Trade y el Modelo de Biogás U.S. EPA México (llevado acabo con ambos valores para k y Lo, de los modelos de México y IPCC)
Los diferentes modelos de gas tienen un acuerdo razonable en la forma general de la curva de gas generado, sin embargo, no concuerdan con un 40 por ciento de la tasa actual de generación de biogás en el Relleno de Pichacay, siendo mas optimista el Modelo U.S. EPA México LFG. Tomando un promedio de los modelos, se estima que el sitio debería estar produciendo actualmente 638 m3/hr de biogás con metano al 50 por ciento y elevando las tasas de emisión aproximadamente 1,820 m3/hr para el 2022. Este sitio podría operar mas allá del 2022, en ese caso la cantidad de biogás continuara elevándose.
Pichacay, Cuenca
0
500
1000
1500
2000
2500
2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 2021 2023 2025 2027 2029 2031 2033 2035 2037 2039 2041 2043 2045
Time
Gas
Pro
du
ctio
n R
ate
m3/
hr
CTL Model LMOP Mexico Model IPCC Model
Figura 1 – Línea base de Emisiones de Biogás
13
Tabla 5 – Resultados del Modelo de Biogás
Año Modelo
CTL m3/hr
ModeloLMOPMéxicom3/hr
ModeloIPCCm3/hr
Promediom3/hr @ 50% CH4
2007 737 756 423 638 2008 836 878 497 737 2009 929 996 571 832 2010 1,015 1,109 643 923 2011 1,097 1,219 715 1,010 2012 1,175 1,324 785 1,095 2013 1,250 1,427 854 1,177 2014 1,322 1,526 923 1,257 2015 1,393 1,623 991 1,336 2016 1,462 1,718 1,058 1,413 2017 1,529 1,810 1,125 1,488 2018 1,595 1,900 1,191 1,562 2019 1,661 1,989 1,257 1,635 2020 1,726 2,076 1,322 1,708 2021 1,790 2,162 1,387 1,780 2022 1,756 2,246 1,452 1,818 2023 1,638 2,074 1,381 1,698 2024 1,446 1,914 1,314 1,558 2025 1,287 1,767 1,249 1,434 2026 1,153 1,631 1,189 1,324 2027 1,040 1,506 1,131 1,225
10. EFICIENCIA ANTICIPADA EN LA CAPTACIÓN DE GAS
La estimación de generación de biogás por el sitio, no implica que el gas pueda ser captado o colectado para combustión o quema. Existe muchos asuntos de ingeniería y el continuo manejo de desechos y operación en el Relleno de Pichacay deben ser tomados en cuenta para medir la cantidad actual de gas que puede ser recolectada del sitio.
Un ensayo de bombeo de gas se llevo acabo en el sitio Pichacay, para mejorar la exactitud de estimados para determinar la cantidad de biogás que esta realmente disponible para entrega en un sistema de quema o uso de biogás.
11. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – Especificaciones Técnicas
El propósito de los ensayos de bombeo de gas es para determinar la cantidad y calidad del biogás disponible de los desechos existentes con fin de desarrollar un proyecto de generación de energía o quema. Los ensayos de bombeo generalmente simulan a gran escala un sistema de extracción de gas y
14
sus resultados pueden ser computados a escala para poder ver la capacidad del sitio para generación de energía y/o acreditación de carbono.
Debido a que no hay un sistema de captación de gas en el sitio Pichacay, nuevos pozos de gas han sido instalados. Estos pozos de gas fueron diseñados para ser instalaciones permanentes y son apropiados para futuras conexiones con un sistema de extracción de gas completo. Se extrajo y quemo gas de los nuevos pozos con el objetivo de determinar la velocidad en estado estable del flujo de metano a concentraciones simulando los requerimientos para proyectos de quema o generación de energía, utilizando motores de combustión interna.
Se recolectaron datos diariamente, incluyendo datos en las características de ingeniería del relleno.
11.1. Ubicación del Ensayo
Un área del Relleno Pichacay se selecciono basándose en accesibilidad para el equipo de perforación y equipo de quema y que tuviera desecho con edad promedio para el sitio. Para la ubicación del ensayo se selecciono el lado Este del sitio en la Plataforma 6. La plataforma 7 se estaba construyendo al oeste de la ubicación del ensayo y actividades de operación se estaban llevando a cabo en esta área.
La edad del desecho en la Plataforma 6 se reporto ser de tres a cuatro años, plataformas mas bajas para desecho mas viejo. Esta área puede ser considerada razonablemente como promedio para el sitio Pichacay, lo cual empezó en 2001. Un dibujo de la ubicación del ensayo es dado en el Apéndice II, Figuras 1 y 2. Los dibujos del sitio suministrados por el operador, tienen fecha de Julio 2001, por lo tanto no son dibujos “exactos” del sitio en el momento que se llevo acabo el ensayo de bombeo de gas.
11.2. Objetivos del Ensayo
El objetivo del ensayo de bombeo de gas fue determinar el óptimo estado de producción de gas y su capacidad para generar energía. Un número de objetivos secundarios fueron considerados, incluyendo los siguientes;
Temas de Ingeniería del Sitio: o Profundidad de capas de cobertura o Requerimiento para perforar o Contenido de humedad del desecho o Profundidad a la que encuentra lixiviado o agua dentro del desecho
Producción de Gas: o Concentraciones sustentables de metano o Radio de influencia de los pozos de gas o Concentraciones contaminantes o Temperatura del gas o Producción estimada de condensados
Temas de Ingeniería: o Sellado de los pozos de gas
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11.3. Perforaciones
Los pozos de gas fueron perforados en el sitio utilizando una perforadora de rotación. Las perforaciones fueron planificadas con una profundidad máxima de 20m. Las ubicaciones de los pozos fueron elegidos para que una muestra representativa del relleno fuera seleccionada y para que el ensayo no interfiera con las operaciones del sitio.
Adicionalmente a las perforaciones, varios puntos de monitoreo fueron insertados alrededor del campo de gas para determinar el radio de influencia de la extracción de gas. Tubos de acero perforados fueron insertados en un patrón predeterminado, permitiendo que la presión de aspiradora sea medida alrededor, de al menos, uno de los pozos de gas.
11.4. Tuberías
Los pozos de gas fueron conectados al quemador con una conexión de tubería temporal. La tubería seleccionada para el ensayo era de PVC, sólida de 4 pulgadas (100 mm) de diámetro, ya que estaba disponible a nivel local.
11.5. Puntos de Monitoreo de Presión
Sondas perforadas para monitorear la presión (de 20 mm de diámetro y 1.0 m de largo aproximadamente) fueron colocados en un radio de incremento alrededor de dos de las perforaciones. Debido a que la capa de cobertura en Pichacay se reporto ser de 30 cm, los puntos de monitoreo fueron perforados aproximadamente a un 70% de su largo con la parte de arriba sin perforar. Los puntos de monitoreo fueron integrados con una válvula que permitía la medición de la presión de gas (succión).
11.6. Quemador Móvil
Un pequeño quemador de gas móvil, con capacidad de 300 Nm3/hr, fue utilizada para el proyecto. El quemador de gas esta específicamente diseñada para ensayos de bombeo de gas y tiene una frecuencia variable del soplador de gas, que es controlada por la señal del sensor de la aspirador en la conexión de entrada.
En la conexión de salida se utilizo una turbina medidora de flujo tipo ATEX operando continuamente. El medidor del flujo tienen un ritmo y visual total calibrad en m3/hr. Una temperatura estimada es suministrada para monitorear la temperatura del gas y el equipo de análisis de gas portátil es utilizado para medir la presión del gas. Esto permite la normalización de la medida del ritmo del flujo de acuerdo a la formula:
Vgas Normal [Nm³/hr] = Vgas [m3/hr medido] x ___Pgas absoluto x 273,15 [°K]_____ 1013, 25[mBar] x (273,15 [°K] + Tgas)
El quemador tiene una ignición automática y esta equipado con un ajuste de aire primario manual, para maximizar la oxidación del metano, controlando la mezcla del gas con el aire, antes de la ignición
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El equipo opera con energía monofasica 220/240V 60/50Hz, que fue obtenida por la conexión al suministro de electricidad local de bajo voltaje.
12. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – Protocolo de Control
Una bomba de gas con aspiradora controlada es utilizada para mantener una presión constante en el cabezal. Esto permite que pozos individuales de gas se ajusten sin cambiar el ritmo del flujo de otros pozos conectados al sistema porque la presión dentro de las tuberías se mantiene constante por el bombeo de gas y por lo tanto es independiente al ritmo del flujo.
Las principales operaciones incluyen lo siguiente:
Ajustes de presión en la aspiradora para cambiar (en porcentaje) el flujo de todos los pozos de gas – conocido como ajuste de Modo Común.
Ajustes en la válvulas en cada apozo para cambiar el flujo de pozos individuales de gas conocido como ajuste de Modo Relativo.
Medidas de succión, son hechas en ambos, el quemador y cada pozo de gas, las decisiones de ajuste se hacen en base a las concentraciones de ambos, metano y oxigeno.
La aspiradora se ajusta basándose en las concentraciones de metano y oxigeno. El punto de concentración varía basado en el tipo de proyecto:
Proyectos para la Generación de Energía: 45% a 50% v/v Metano, Menos de 1% v/v Oxigeno.
Proyectos de Quema MDL / Proyectos Anti-Migración: 30% a 40% v/v Metano, menos de 3% v/v Oxigeno.
Proyectos de Uso Directo: 40% a 50% v/v Metano, Menos de 2% v/v Oxigeno.
Los ajustes fueron hechos basándose en las mediciones de la succión aplicada a los pozos de gas. Un periodo no menor de 8 horas fue permitido después de cada ajuste para permitir la estabilización en la concentración del gas y resultado de ritmo de flujo antes de posteriores ajustes (excepto en circunstancias extremas). Las succión puede ajustarse individualmente en cada cabezal de pozo de gas (Modo Relativo) en casos donde hay diferencia significativa entre las concentraciones de los diferentes pozos, o en el quemador (Modo Común) en casos donde todos los pozos varían, uniformemente en las concentraciones.
13. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – Protocolo de Monitoreo
Los parámetros siguientes fueron medidos durante las operaciones de los ensayos:
En los pozos y quemador/chimeneas de gas:
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Ritmo del flujo de gas m3/hr
Solo en el quemador/chimeneas de gas:
Volumen total del flujo en m3
Presión relativa en el lado de ingreso (en la ubicación del medidor de flujo) en mB Temperatura del gas en el lado de ingreso.
Solo en los pozos de gas:
Profundidad para nivel de lixiviados en m (Nota: medir infrecuentemente para evitar la entrada de oxigeno al pozo)
Solo en los sondas de gas:
Presión Relativa (succión) en mB
Los siguientes parámetros ambiéntales fueron grabados:
Presión atmosférica diaria en mB Evento (donde fuera posible) la cantidad de lluvia en mm Temperatura máxima del aire diaria Temperatura mínima del aire diaria
El monitoreo de las concentraciones de gas, presión y ritmo de flujo fue realizado dos veces en cada periodo de 24 horas.
El monitoreo de los otros parámetros, excepto profundidad de lixiviados, se hicieron diariamente.
El monitoreo de profundidad de lixiviados se hizo semanalmente, o cuando las condiciones ambientales alteraban las lecturas.
El equipo de análisis de gas consiste de un analizador manual Geotechnical Instruments GA2000, con la exactitud demostrada en la Tabla 6
Tabla 6 – Resolución del Análisis
Parámetro Alcance Exactitud Metano 0% a 100% por volumen +/- 3% (en rango de 15% a gran escala) Dióxido de carbono 0% a 100% por volumen +/- 3% (en rango de 15% a gran escala) Oxigeno 0% a 25% por volumen +/- 1% Monóxido de carbono 0 ppm a 500ppm +/- 10% Sulfuro de hidrógeno 0 pmm a 200ppm +/-10% Presión relativa -250 mB a +250mB +/- 5 mB
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14. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS – Instalación de Pozos
Tres conexiones de gas fueron utilizadas para el ensayo de bombeo. De estas, dos fueron perforadas en el sitio y una fue construida por la conversión de una chimenea de gas pasivo existente. Un dibujo de la ubicación del ensayo es dado en el Apéndice II, Figura 1 y 2. La distancia entre cada pozo de gas fue seleccionada a ser 30.0 m, lo cual es típico de un sistema de biogás y permite la instalación de pozos de gas donde es representativo del sitio como demostrado en la tabla 7.
Tabla 7 – Pozos de Gas
Pozo Número (Tipo) Ubicación Criterio para su selección 1 (Perforado) Plataforma No. 6 Ubicado aproximadamente a
10m de la cara de la plataforma. 2 (Conversión de chimeneas de gas pasivo)
Plataforma No. 6 Ubicada a la orilla de la cara de la plataforma.
3 (Perforado) Plataforma No. 6 Ubicada en el centro del sitio
La siguiente información técnica y operacional se obtuvo durante el establecimiento y operación del ensayo de bombeo de gas.
14.1. Perforación de los Pozos de Gas
El establecimiento de operaciones de perforación en el Relleno Pichacay fue atrasado debido a que el equipo de perforación se arruino. Este atraso no afecto las condiciones o el desecho encontrado en el sitio Pichacay. El atraso en las instalaciones de los pozos de gas fue en resultado de la falta de experiencia del contratista en perforación.
El contratista de perforación que estuvo disponible para la instalación de los pozos de gas en el sitio Pichacay, no estaba equipado con barrenas perforadoras diseñadas específicamente para instalaciones en desecho. Por lo tanto, una barrena de suelos existente fue modificada a propósito. Mientras esto demostró operar exitosamente, requiere de más tiempo para perforar y mantenimiento cuando se opera con desechos.
Debido a restricciones en la disponibilidad de tiempo para llevar a cabo el ensayo de bombeo de gas, solo dos perforaciones fueron hechas en el sitio. Un tercer punto de extracción consistió en una conversión de una chimenea de gas pasivo existente. (Sección 14.2)
En amabas perforaciones la profundidad especifica de 20 m no pudo alcanzarse debido a que se encontró con lixiviados. Debido al alto nivel de contenido orgánico del desecho y el alto nivel de lixiviados, desechos en las secciones mas bajas de ambas perforaciones era relativamente homogénea y fluida. En la ausencia de perforación encajonada, las perforaciones se cerraban rápidamente, después de la extracción del equipo para perforar y antes de la instalación del equipo de pozo. En adición, la barrena continua utilizada para las operaciones de perforación fue modificada con una jaula para permitir que el desecho saturado fuera retirado de los pozos.
La perforación se continuo en ambos pozos a un máximo de 2 m bajo el nivel de liquido, después de lo cual, el equipo del pozo fue instalado. La tabla 8 indica la profundidad alcanzada en cada pozo.
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Tabla 8 – Profundidad de las Perforaciones
Numero de pozo Profundidad de perforación
Profundidad Instalada Nivel Final de Lixiviados
1 7.5 m 7.5 m 5.5 m 2 11.0 m 8.2 m 6.5 m
La bitácora de perforación proporcionada por el contratista se adjunta en el Apéndice III. La velocidad de la perforación se vio limitada debido a llantas y otros obstáculos que se encontraron dentro de los desechos.
14.2. Conversión de Chimenea Pasiva.
Para comparar pozos de gas perforados a otros métodos de extracción de biogás del sitio Pichacay, se convirtió una de las chimeneas (que se encontraba en el área de ensayo pero había quedado sellada), para permitir la conexión al sistema de extracción de gas.
La capa de cobertura y los desechos excavados del área de aproximadamente 4 m2 alrededor de la ubicación de la chimenea hasta una profundidad de 3.0 metros. La columna de piedras grandes utilizada en construcción de las chimeneas fue localizada y se removieron los desechos de la superficie inmediata.
Una hoja delgada de polietileno fue utilizada para cubrir el área, a la cual se le corto un agujero en el centro, directamente sobre la chimenea. Una sección de tubería de presión PVC sólida de cuatro pulgadas fue insertada al agujero y la hoja de polietileno quedo temporalmente pegada al tubo usando cinta autoadhesiva. Deteniendo el tubo de PVC verticalmente, una masa de bentonita hidratada fue colocada en al unión de la hoja y el tubo, proveyendo un sello.
La excavación después fue llenada alrededor con desechos hasta un 0.5 m de la superficie. Una hoja de MDPE de 0.75 mm fue colocada sobre los desechos, los cuales fueron cubiertos con material de arcilla. Un cabezal de gas se conecto a la tubería PVC que quedo en pie.
Se reconoce que esta instalación fue temporal y fue construida solamente con materiales encontrados en el sitio. Deben hacerse mejoras respecto a la conversión de chimeneas pasivas existentes con materiales selectos para este propósito.
No se encontró agua en las excavaciones. La construcción del pozo de gas pasivo usado en esta conversión no permitiría la medición de profundidad de lixiviados.
14.3. Sondas de Monitoreo
Sondas de monitoreo de Presión fueron insertadas a intervalos de 5.0 m desde Pozo 1 y Pozo 2. Ambos conjuntos de sondas de monitoreo fueron instalados a radios con incremento hacia el centro del sitio.
20
15. ENSAYO DE BOMBEO DE GAS - Resultados
El ensayo de bombeo fue operado del 11 al 29 de marzo, 2007, iniciando con el monitoreo de un solo pozo (pozo 1) hasta el 14 de marzo, siguiendo con la terminación de la conversión de la chimenea (pozo 2) y el segundo pozo perforado (pozo 3).
15.1. Salida del Quemador de Gas
El flujo de gas combinado para los tres pozos fue monitoreado tanto en el ingreso como egreso del quemador móvil, o sea pre y post filtrado y tratamiento, de acuerdo con el protocolo de monitoreo. Se realizo una medición de la tasa de flujo y flujo total con el medidor de flujo fijo en el quemador.
Durante el ensayo se quemo un total de 16,241 m3 de biogás, conteniendo un promedio de 50.54 por ciento de metano. Se realizaron ajustes aplicados a la succión en el quemador (ajuste de modo común), basados en el protocolo de control (sección 12) y un incremento gradual en la succión aplicada a los tres pozos resultantes.
La figura 2 muestra una representación grafica de los resultados de monitoreo tomados en el quemador.
Pichacay Landfill Gas Pumping TrialFlare Stack results
0
10
20
30
40
50
60
70
Dry Dry Dry Cloudy Cloudy Cloudy Wet Cloudy Rain Rain Rain Rain Rain Dry Rain Rain Cloudy Cloudy Dry Dry Rain Dry Cloudy Rain Rain Dry Rain Dry Dry Dry Dry Dry
Weather
Met
han
e %
/ F
low
Rat
e m
3/hr
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
11/03
AM
11/03
PM
12/03
AM
12/03
PM
13/03
AM
13/03
PM
14/03
AM
14/03
PM
15/03
AM
15/03
PM
16/03
AM
16/03
PM
17/03
AM
17/03
PM
18/03
AM
18/03
PM
19/03
AM
19/03
PM
20/03
AM
20/03
PM
22/03
AM
22/03
PM
23/03
AM
23/03
PM
24/03
AM
24/03
PM
25/03
AM
25/03
PM
26/03
AM
26/03
PM
27/03
AM
27/03
PM
28/03
AM
28/03
PM
29/03
AM
Date AM/PM
Oxy
gen
% /
Vac
uum
mB
CH4 Flow m3/hr O2 Vacuum
Borehole 1 Only
Figure 2 – Resultados del Quemador
Durante el ensayo, la concentración de metano se estabilizo a aproximadamente 51 por ciento por volumen y la concentración de oxigeno a 1 por ciento por volumen. El flujo se incremento a un promedio de 51.2 m3/hr (descontando la medición final, la cual es más baja que el promedio anterior y se considera falsa). Registros completes del monitoreo en el quemador se adjuntan en el Apéndice IV, pagina 1.
21
Debido a que no se encontró una diferencia significativa en la concentración de oxigeno entre el quemador y los tres pozos de gas, se puede asumir que la tubería estaba intacta y no había dilución de gas de los pozos.
Se obtuvo una concentración consistente de bajo oxigeno, aunado al incremento de la tasa de flujo, mediante el ajuste del flujo en cada pozo (modo relativo de ajuste).
La concentración de sulfuro de hidrogeno promedio 25.5 partículas por millón (ppm) con relativamente poca variación a lo largo del ensayo. La concentración del monóxido de carbono promedió 206 ppm y mostró un valor máximo de 365 ppm al inicio del ensayo, con un declive gradual a alrededor de 150 ppm al finalizar el ensayo.
15.2. Pozo 1
La calidad y cantidad de gas producido por el pozo 1 se midió dos veces al día. La medición de la concentración de gas y presión se realizó con un analizador de gas manual, mientras que la medición de la tasa de flujo se realizo con un medidor de flujo de turbina manual. La medición se llevo a cabo mediante la inserción del medidor de flujo al cabezal de pozo. La medición manual de la tasa de flujo en este sentido puede estar inexacta y por ende las mediciones tomadas en los pozos no se consideran tan exactas como las muestras en el quemador.
La figura 3 muestra una presentación gráfica de los resultados de monitoreo del pozo 1.
Pichacay Landfill Gas Pumping TrialBorehole 1 results
0
10
20
30
40
50
60
70
Dry Dry Dry Cloudy Cloudy Cloudy Wet Cloudy Rain Rain Rain Rain Rain Dry Rain Rain Cloudy Cloudy Dry Dry Rain Dry Cloudy Rain Rain Dry Rain Dry Dry Dry Dry Dry
Weather
Met
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/ F
low
Rat
e m
3/hr
0
2
4
6
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10
12
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11/03
AM
11/03
PM
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AM
Date AM/PM
Oxy
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Vac
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mB
CH4 Flow m3/hr O2 Vacuum
Figura 3 – Resultados del Pozo 1
22
Después de un periodo inicial de estabilización de los niveles de metano en el pozo reducido, en respuesta a la succión en incremento aplicada al quemador, que fue estabilizado alrededor del 38 por ciento por volumen, se mantuvo muy constante la tasa de flujo del pozo
Registros de monitoreo completos del Pozo 1 se adjuntan en el Apéndice IV, pagina 2.
La concentración de sulfuro de hidrogeno se promedio en 2 ppm con una variación relativamente baja a lo largo del ensayo, mientras que la concentración de monóxido de carbono promedió 252 ppm y fue bastante constante durante el ensayo.
El monitoreo de la succión en las tres sondas asociadas al Pozo 1 se llevo a cabo durante el ensayo. En la figura 4 se muestra el resultado de la medición de succión en las sondas 1, 2 y 3, las cuales fueron colocadas dentro de la masa de desechos a distancias del pozo de 5.0 m, 10.0 m y 15.0 m respectivamente.
Pichacay Landfill Gas Pumping TrialBorehole 1 Probe Results
-5
0
5
10
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Dry Dry Dry Cloudy Cloudy Cloudy Wet Cloudy Rain Rain Rain Rain Rain Dry Rain Rain Cloudy Cloudy Dry Dry Rain Dry Cloudy Rain Rain Dry Rain Dry Dry Dry Dry Dry
Weather
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0
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AM
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29/03
AM
Date AM/PM
Probe 1 (5.0m) Probe 3 (15.0m) Probe 2 (10.0m)
Figure 4 – Resultados de Sondas en Pozo 1
Las tres sondas indicaron una presión positiva, lo cual indica que las tres sondas fueron insertadas en la basura que estaba activamente generando biogás. Adicionalmente, la presencia de dicha presión constante indica que las sondas fueron selladas adecuadamente por la capa de cobertura.
Las tres sondas mostraron un incremento simultáneo en la presión en la parte inicial del ensayo (14 de marzo) cuando la superficie del sitio fue saturado por la lluvia. Esta es una indicación clara que la permeabilidad de la capa de cobertura fue mejorada por la saturación.
23
La Sonda 1, siendo la más cercana al Pozo 1, mostró un inusual incremento en la presión del gas al inicio del ensayo, la cual decremento conforme el ensayo avanzó, lo cual se considera como un resultado directo de encontrarse dentro del radio de influencia del Pozo 1. Similarmente fue el caso de la Sonda 2, a 10.0 m de distancia del Pozo 1. Sin embargo, ambas sondas mostraron un presión positiva durante el periodo. En cuanto a la Sonda 3, esta no mostró cambios en presión y por ende se considera que se encontraba fuera del radio de influencia del Pozo 1.
15.3. Pozo 2
El pozo 2, que se formo de la conversión de una chimenea de gas pasivo existente. La calidad y cantidad del gas producido por el Pozo 2 fue medido dos veces al día. La medición de la concentración de gas y presión se realizó con un analizador de gas manual, mientras que la medición de la tasa de flujo se realizo con un medidor de flujo de turbina manual. La medición se llevo a cabo mediante la inserción del medidor de flujo al cabezal de pozo. La medición manual de la tasa de flujo en este sentido puede estar inexacta y por ende las mediciones tomadas en los pozos no se consideran tan exactas como las muestras en el quemador.
En la Figura 5 se muestra una representación grafica de los resultados de monitoreo del Pozo 2.
Pichacay Landfill Gas Pumping TrialBorehole 2 results
0
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Dry Dry Dry Cloudy Cloudy Cloudy Wet Cloudy Rain Rain Rain Rain Rain Dry Rain Rain Cloudy Cloudy Dry Dry Rain Dry Cloudy Rain Rain Dry Rain Dry Dry Dry Dry Dry
Weather
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Date AM/PM
Oxy
gen
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Vac
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mB
CH4 Flow m3/hr O2 Vacuum
Figura 5 – Resultado del Pozo 2
Concentraciones de metano en el Pozo 2 muestran una relación inversa a la succión aplicada, mientras que la tasa de flujo permaneció a un nivel muy bajo, promediando 2.0 m3/hr. Cualquier incremento en la succión resulto en un declive rápido de la concentración del metano con solamente un pequeño incremento en la tasa de flujo. De tal manera que se puede deducir, en esta instancia, que existía fuga directa de la atmósfera entre el pozo y la extracción del biogás era reemplazado con ingreso de aire al incrementar la succión.
24
Los registros de monitoreo completos del Pozo 2 se adjuntan en el Apéndice IV, pagina 3. Consideramos que mucha de la fuga asociada con la conversión de la chimenea pasiva puede evitarse con excavaciones más profundas y la instalación de geomembrana sobre una mayor área alrededor del pozo.
El monitoreo de la succión en las tres sondas de presión asociadas al Pozo 2 se llevo a cabo durante el ensayo. En la figura 6 podemos observar el resultado de la medición de succión en las sondas 3, 4 y 5, las cuales fueron colocadas del pozo a 5, 10 y 15 metros respectivamente.
Pichacay Landfill Gas Pumping TrialBorehole 2 Probe Results
-0.5
0
0.5
1
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Dry Dry Dry Cloudy Cloudy Cloudy Wet Cloudy Rain Rain Rain Rain Rain Dry Rain Rain Cloudy Cloudy Dry Dry Rain Dry Cloudy Rain Rain Dry Rain Dry Dry Dry Dry Dry
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AM
Date AM/PM
Probe 4 (5.0m) Probe 5 (10.0m) Probe 6 (15.0m)
Figura 6 – Resultados de Sondas del Pozo 2
La presión que se muestra en la Sonda 4 (5.0 m de distancia del Pozo 2) cambio de poca (presión) positiva a poca presión negativa (succión) durante el ensayo. A pesar del pequeño cambio de este valor, esta claro que la sonda 4 se encuentra dentro del radio de influencia del pozo 2.
La sonda de presión 5 (10 m. de distancia del Pozo 2) mostró relativamente poco cambio y no se encontró una relación aparente a la succión aplicada al Pozo 2. De tal manera que se considera que la sonda estaba afuera del radio de influencia del Pozo 2
Mientras que la sonda 6 mostró cambios al azar durante el ensayo. Esta sonda sufrió daños causados por movimiento vehicular asociados a las operaciones de perforación en el Pozo 3, de tal manera que estos resultados se consideran inefectivos.
Sin embargo, dejando a un lado la naturaleza temporal de la conversión de la chimenea, es claro que cierta cantidad de biogás puede obtenerse aun de una conversión muy simple de una chimenea existente.
25
Se recomienda que cualquier chimenea que se construya en el futuro, en el relleno Pichacay, cuente con tubería perforada de PVC o MDPE desde la base del sitio. Esta tubería debería terminar 5 metros por encima del nivel plano del ultimo nivel y deberá conectarse a tubería sólida del mismo diámetro a la superficie. La capa de cobertura final alrededor de cada chimenea deberá tener más espesor. Un dibujo que muestra este ensamble se muestra en el Apéndice V.
15.4. Pozo 3
La calidad y cantidad del gas producido por el Pozo 3 fue medido dos veces al día. La medición de la concentración de gas y presión se realizó con un analizador de gas manual, mientras que la medición de la tasa de flujo se realizo con un medidor de flujo de turbina manual. La medición se llevo a cabo mediante la inserción del medidor de flujo al cabezal de pozo. La medición manual de la tasa de flujo en este sentido puede estar inexacta y por ende las mediciones tomadas en los pozos no se consideran tan exactas como las muestras en el quemador.
La figura 7 muestra un representación gráfica de los resultados del Pozo 3.
Pichacay Landfill Gas Pumping TrialBorehole 3 results
0
10
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Dry Dry Dry Cloudy Cloudy Cloudy Wet Cloudy Rain Rain Rain Rain Rain Dry Rain Rain Cloudy Cloudy Dry Dry Rain Dry Cloudy Rain Rain Dry Rain Dry Dry Dry Dry Dry
Weather
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25/03
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AM
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PM
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AM
27/03
PM
28/03
AM
28/03
PM
29/03
AM
Date AM/PM
Oxy
gen
% /
Vac
uum
mB
CH4 Flow m3/hr O2 Vacuum
Figura 7 – Resultados del Pozo 3
La concentración de metano del Pozo 3 fue muy consistente, sobre 55 por ciento por volumen con concentraciones bajas de oxigeno. El pozo produjo tasas de flujo inusualmente altas, promediando 24.6 m3/hr en la ultima semana del ensayo.
Registros de monitoreo completos del Pozo 3, se adjuntan en el Apéndice IV, pagina 4.
26
Debido a que las concentraciones de oxigeno no cambiaron con el incremento de la succión y la tasa de flujo, se considera que la reserva de gas no fue agotada en esta área y que la tasa de flujo puede ser incrementada con tiempo adicional.
La suma de metano, oxigeno y dióxido de carbono medido en el Pozo 3 tuvo más del 100 por ciento en algunos momentos. Esto puede ocurrir cuando existe la presencia de otros hidrocarburos, aparte del metano, dentro del biogás, debido a la interferencia que se da con la calibración del analizador infrarrojo.
No se asociaron sondas de monitoreo de presión al Pozo 3.
16. DISPONIBILIDAD DE BIOGAS DE RELLENOS
Los cálculos para la cantidad de gas disponible para un Proyecto de Uso del Biogás en un Relleno, se basa en la extrapolación de los resultados del ensayo con el área total del relleno.
16.1. Área Disponible
EMAC, ha estimado que gran mayoría del área del relleno se encuentra actualmente disponible para la instalación del sistema de extracción de gas. Las áreas de disposición actuales cubren con aproximadamente un 15% del sitio, por esto, la instalación de sistemas de extracción de gas por medio de perforación no sería posible. Sin embargo, hay opciones para la instalación del sistema de extracción horizontal, la cual puede ser operada durante las actividades de descarga de desechos.
Algunas áreas a las orillas del sitio, tienen una profundidad para el desecho de 5.0m, lo cual es probablemente muy bajo para la recuperación económica del gas. Por lo tanto, basándose en la extensión del relleno, nos permite cubrir un 2.05Ha de la superficie total con un sistema de gas, ocupando un 75.2% del área de disposición actual. Un dibujo del área estimada disponible es dado en el Apéndice VI.
16.2. Entrada de Oxigeno
El biogás del relleno que es generado por las masa de desecho resulta con una presión positiva dentro del desecho. Si el biogás del relleno no es controlado, esta presión envía al gas fuera de la masa de desecho, por una ruta con poca resistencia. Comúnmente, se tiene como resultado que el biogás se escape de la superficie del sitio. Aunque la presión también puede cuasar que el gas se mueva lateralmente. Por ejemplo, el gas puede moverse por los poros de la tierra o por el suelo movido por excavaciones si la capa de arriba ofrece mayor resistencia. En casos extremos, se conoce que el biogás del relleno puede viajar en miles de metros de tubos y ductos, ubicados cerca del desecho. La diferencia entre la presión del sitio y la atmosférica, es la fuerza que mueve al gas a migrar en estos términos.
Los Sistemas de Colección de Biogás en Rellenos operan por medio del uso de pequeños espacios vacíos en la masa de desechos (comúnmente entre 5 mB y 50 mB) e induciendo un gradiente de presión. El gradiente de presión hace que el biogás del relleno fluya hacia los pozos de gas, en lugar de que tome su ruta de migración normal. Sin embargo la presencia de espacios vacíos dentro del desechos, puede causar que el aire (conteniendo oxigeno) migre hacia el sitio, particularmente si el techo de la base o la capa selladora es pobre.
27
La entrada de oxigeno a la masa de desecho, altera las condiciones anaeróbicas en el desechos a aeróbicas, reduciendo así la cantidad de metano generado.
Para evadir llevar oxigeno al relleno, el biogás se extrae a una distancia bajo la superficie del sitio. Buena calidad en el sellado de las capas de arcilla, permite la extracción mas cercana a la superficie.
En el Sitio Pichacay, la experimentación con las propiedades y el grosor de la capa de arcilla indican que la permeabilidad es moderadamente alta. Esta permeabilidad limita los espacios vacíos que pueden ejercerse en el desecho y la eficiencia en la recolección del metano. La cantidad de metano recolectado, puede incrementar si se usan capas de arcillas con menor porosidad y si se aumenta el grosor de las capas.
Los resultados del ensayo para el bombeo de gas, confirman que se requiere de menores espacios vacíos para la operación del sistema de extracción de gas, particularmente para los pozos de gas, que son construidos por la adaptación de las chimeneas de gas ya existentes.
16.3. Radio de Influencia
Radio de Influencia (ROI, por sus siglas en ingles) es conocido como la distancia a la que los pozos de extracción de gas atraen al biogás del relleno, de la masa de desecho. Es generalmente encontrado, que la profundidad de la extracción de las perforaciones, es aproximadamente igual al ROI. Por ejemplo, una perforación con 20 m de profundidad, puede extraer gas de cualquier dirección a 20 m alrededor del pozo. Sin embargo, las condiciones del desecho, implican que el ROI, no es igual en cualquier dirección, particularmente donde las cámaras de desecho están divididas por arcilla o en las áreas donde no hay una capa selladora.
Los resultados del ensayo para el bombeo de gas indican que el espacio usado en las tres perforación utilizadas en el ensayo, pueden haber sido mas ancho que el radio de influencia. Esto es probable, al menos en una parte, que el resultado de una profundidad baja en la perforación, es consecuencia de los altos niveles de lixiviados presentes en el sitio
La presión encontrada alrededor de la perforación 1 indica que el ROI se extiende al menos 10m más allá del pozo. La presión encontrada que rodea la perforación 2 indica que los espacios pueden ser detectados a 5 m del radio, pero no a 10 m o 15 m (aunque sellando la perforación 2 pudo haber sido mejorado). Sin embargo, la presión sonda a 15m (sonda No. 6) de la perforación 2 fue dañada durante los movimientos del equipo de excavación, ocasionando un funcionamiento incorrecto.
Durante el ensayo de bombeo de gas, fue evidente que no hubo burbujas de gas en el área; en una visita al sito aproximadamente tres semanas después de la terminación del ensayo, se encontró evidencia de burbujas de gas en la superficie dentro del área de ensayo. Si bien no es concluyente, esto es evidencia de que el ROI de los pozos de gas, se extendió por toda el área de ensayo (con una distancia entre los pozo de 30m).
Entonces, consideramos que el ROI en las perforaciones de ensayo excedía los 10m. Con pozos mas profundos, lo cual puede incorporar la extracción de lixiviados, el ROI es probablemente mas alto. Para el propósito del análisis de la viabilidad del gas, un ROI de 15.0 m, puede ser usado razonablemente para calcular el flujo de gas en el sitio entero.
28
16.4. Disponibilidad del Gas Específico
Basado en la estimación del ROI de los pozos de gas y el flujo del gas en la pila quemada, durante el ensayo, el área que puede ser considerada a ser colectada de 2,120 m2 (3 x 15 m x 15 m x Pi ).
La estabilización del flujo del gas, durante la ultima semana del ensayo de bombeo de gas, es 51.2 Nm3/hr a 51.0 por ciento metano.
Corrigiendo el ritmo del flujo a 50 por ciento metano (para comparación con la línea base del gas modelo) nos da un ritmo de flujo de 52.2 Nm3/hr.
La disponibilidad especifica del gas, es entonces la siguiente:
52.2 m3/hr / 2,120 m2 = 0.0246 Nm3/hr/m2
Este costo de disponibilidad del gas específico, toma en cuenta las conversiones de las chimeneas de gas pasivo existente, asumiendo que habrá dos (2) pozos de gas excavados por cada una (1) de las conversiones de las chimeneas de gas pasivo. La mayoría de las chimeneas de gas pasivo en el Sitio Pichacay, están localizados a orillas de la masa de desechos y no producirán tanto gas como las perforaciones excavadas en el centro del sitio.
Asumir la efectividad del ROI de los pozos de gas, tiene un efecto marcado en la cosecha de gas especifico. Un pequeño error en el ROI, tiene como resultado un gran cambio en la cosecha de gas específico y por esta razón, una disponibilidad total de la cosecha de gas para el sitio del relleno.
La tabla 9 muestra un análisis de sensibilidad en pequeñas variaciones del ROI estimado
Tabla 9 – Análisis de sensibilidad del Radio de Influencia
ROI Cambio en % del ROI Cosecha de gas especifico
Cambio en el % de la cosecha de Gas especifico
14.0 m -6.7% 0.02826 Nm3/hr/m2 +14.7% 15.0 m 0% 0.02462 Nm3/hr/m2 0% 16.0 m +6.6% 0.02164 Nm3/hr/m2 -12.2%
Una gran colección de gas extraído por perforación usado en el ensayo de bombeo de gas, puede dar como resultado un estimado diferente de ROI. La información obtenida del monitoreo de presión desondas, es considerado para demostrar alguna indicación del ROI, aunque no sea exacto.
16.5. Disponibilidad del Gas en el Sitio
El área seleccionada para los ensayos de bombeo de gas, representa en Pichacay, una profundidad y edad del desecho promedio (de 3 a 4 años y de 20 m a 25 m de profundidad). Áreas más viejas y menos profundas del sitio tendrán menor disponibilidad de gas específico, en lo contrario, áreas nuevas y profundas tendrán mayor disponibilidad de gas. Entonces, la disponibilidad del gas específico estimado puede ser aplicada a toda el área disponible del relleno y tendrá, en promedio, resultados en flujo de gas representativo del sitio.
29
En base al área estimada del sitio de relleno disponible para la instalación y operación del sistema de colección de gas (2.05 Ha), el relleno de biogás disponible del Relleno de Pichacay es el siguiente:
0.0246 m3/hr/m2 x 20,500m2 = 504 m3/hr @ 50% metano.
La línea base modelo estimada (sección 9) de Pichacay para el 2007, indica una producción de gas a un ritmo de 638 Nm3/hr del sector A del sitio. El gas de ensayo indica un ritmo de flujo disponible de 78.9 por ciento de lo actual (promedio) predicho por el modelo de línea base. Entonces esta figura podría se considerada una recolección eficiente, tomando en cuenta las áreas que no están disponibles para la recolección de gas.
Si el área total estuviera disponible para la recolección de gas, entonces el sistema de recolección de gas ocuparía 2.45Ha y la disponibilidad del gas seria la siguiente;
0.0246 m3/hr/m2 x 27,200m2 = 669 m3/hr @ 50% metano.
Esto implica que el sitio podría estar generando 4.8 por ciento más gas que el modelo de línea base.
Información obtenida del ensayo de gas en Pichacay, será usado para mejorar los valores estimados de Lo y k, los cuales podrían aplicarse en el relleno de biogás generándose en Ecuador. Esto será incluido en un reporte por separado, para ser producido dentro del Programa de Metano a Mercados en Ecuador de la U.S. EPA.
Aplica esta información a la Tabla 5 y proporciona un estimado disponible del flujo de gas, como se muestra en la Tabla 10
El metano tienen un valor calorífico de aproximadamente 35.5 MJ/m3, sin embargo, porque el relleno de biogás contiene 50 por ciento de metano aproximadamente, la energía termal resultante contenida en el relleno de biogás es de 17.75 MJ/m3.
La tabla 10 muestra también un estimado de la energía termal disponible.
Tabla 10 – Estimado de Energía Termal Disponible
Año
Promediom3/hr
disponible @ 50%
CH4
EnergíaTérmicaMJ/hr
EnergíaTérmica
mmBTU/hr
EnergíaTérmica
kW
2007 504 8,946.0 8,473 2,485.0 2008 562 9,975.5 9,448 2,771.0 2009 618 10,969.5 10,389 3,047.1 2010 671 11,910.3 11,280 3,308.4 2011 721 12,797.8 12,121 3,554.9 2012 770 13,667.5 12,944 3,796.5 2013 817 14,501.8 13,734 4,028.3 2014 862 15,300.5 14,491 4,250.1 2015 907 16,099.3 15,247 4,472.0
30
Año
Promediom3/hr
disponible @ 50%
CH4
EnergíaTérmicaMJ/hr
EnergíaTérmica
mmBTU/hr
EnergíaTérmica
kW
2016 950 16,862.5 15,970 4,684.0 2017 992 17,608.0 16,676 4,891.1 2018 1,033 18,335.8 17,366 5,093.3 2019 1,074 19,063.5 18,055 5,295.4 2020 1,115 19,791.3 18,744 5,497.6 2021 1,154 20,483.5 19,400 5,689.9 2022 1,168 20,732.0 19,635 5,758.9 2023 1,092 19,383.0 18,357 5,384.2 2024 999 17,732.3 16,794 4,925.6 2025 919 16,312.3 15,449 4,531.2 2026 848 15,052.0 14,256 4,181.1 2027 786 13,951.5 13,213 3,875.4
17. OPCIONES DE USO
Varias opciones existen para la utilización del biogás de relleno, para la industria y los procesos de agricultura, como también para la generación de energía eléctrica. El metano contenido en el biogás, puede además ser separado de sus componentes y ser utilizado como suplemento natural de gas, o en algunas circunstancias, puede ser comprimido para ser utilizado como combustible para vehículos. En adición a esto, la disposición del metano en forma sólida en la tierra, es uno de las principales fuentes de emisión de gas, para el Efecto Invernadero, su captura y oxidación a dióxido de carbono, resulta ser beneficioso para el ambiente. Este beneficio puede ser medido e intercambiado a través de varios esquemas de comercio de reducción de emisiones a nivel mundial.
17.1. Energía Térmica
El biogás del relleno ha sido utilizado en un sinnúmero de procesos industriales y de agricultura que requieren de energía termal. En circunstancias donde el uso de calor es directo, dentro de distancias razonables del sitio de relleno, existe un potencial para reducir el costo de utilización del biogás del relleno. El biogás del relleno ha sido utilizado en proyectos, incluyendo la quema de ladrillos en horno, como otras manufactureras de cerámica, calentando invernaderos y en otras industrias con espacios de calor. Los productos de la combustión del biogás del relleno, sin pre-tratamiento alguno, pueden contener compuestos que son peligrosos para la salud, incluyendo dioxinas y furanos. Por lo tanto, el uso directo del biogás del relleno, en procesos de agricultura deber ser controlado.
El actual estimado de energía termal disponible para el Relleno Pichacay, indica que el transporte del biogás del relleno en distancias largas del relleno, no es económico.
Sin embargo, fue notorio que actualmente la EMAC transporta lixiviados del relleno fuera del sitio de tratamiento de agua residual (aguas negras) tradicional. Existe una opción de utilizar la energía termal en el biogás del relleno, para la evaporación de lixiviados, reduciendo así el costo en transporte y reteniendo cualquier contaminación dentro del sitio Pichacay.
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Un número de tecnologías reservadas, existen para la evaporación de lixiviados utilizando calor generado por la combustión del biogás del relleno. Mientras no ampliamente utilizadas, las tecnologías permiten la evaporación del agua contenida dentro de los lixiviados, teniendo como resultado una concentración de sales y otros contaminantes que pueden ser devueltos al sitio de relleno para contención. Hasta un 97 por ciento del contenido de agua puede ser removido y este vapor es normalmente descargado hacia la atmósfera. Un control cuidadoso de la temperatura de evaporación es requerido para minimizar la evaporación de contaminantes dentro del vapor de agua descargado.
La evaporación de lixiviados requiere dentro de 120 m3 y 215 m3 del biogás del relleno con metano a un 50 por ciento para evaporar 1 m3 de lixiviados, dependiendo de la tecnología empleada. El gas disponible en Pichacay, es por lo tanto, capaz de evaporar (concentrado) un mínimo de lixiviados de 2.34 m3 por hora (o 56.2 m3 por día).
17.2. Energía Eléctrica
La energía eléctrica puede ser producida por una variedad de tecnologías. La mayoría de proyectos de energía de biogás en rellenos, usa motores de bujía, con capacidad de 1.0 megavatio (MW) típicamente, mientras que proyectos relativamente mayores usan las turbinas de gas convencionales que producen 10 MW.
La tecnología de micro turbina recientemente desarrollada, ha sido utilizada por pequeños proyectos de biogás de relleno, ya que se encuentra dentro del rango de 50 a 250 kilovatios, ofreciendo bajas emisiones y bajos costos de mantenimiento. Sin embargo las micro turbinas tienen baja eficiencia termal en comparación a los motores de bujía.
Tabla 11 demuestra una comparación de costos entre micro turbinas y motores con bujía.
Tabla 11 – Costo Típico de Equipo de Generación Eléctrica
Motor de Ignición con Bujía
Microturbina
Capacidad Eléctrica Típica 1,000 kW 100 kW Capacidad Eléctrica Mínima 300 kW 30 kW Eficiencia Típica 38% eléctrica neta 30% eléctrica neta Calidad Mínima del Gas Combustible
35% v/v a 100 mB 45% v/v a 7 Bar
Costo capital por kW De $520 USD / kW (@mínimo 500kW)1,3
De $7,200 kW (@30kW) a $2,500 USD / kW (@400kW) 1,3
Costo de Operación por kWh $0.013 USD / kWh2 $0.014 USD / kWh2
Emisiones NOx <500 ppm <15 ppm 1 Costo capital del motor / solo la turbina. No incluye equipo de suministro de gasolina. 2 Costo de operación del motor / solo la turbina. No incluye sistema de suministro de gasolina 3 Excluyendo el costo de la conexión de cuadricula.
De la predicción de gas disponible en el Sitio del Relleno Pichacay, se estima que allí habrá suficiente gas para operar un proyecto de generación de energía basado en motores de bujía. Esto se usara para suministrar energía en la cuadricula, así como también proveer energía de consumo local al sitio. La
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cantidad estimada de gas disponible en el sitio Pichacay, es actualmente suficiente para soportar a un relleno de biogás de tamaño mediano, con un motor de bujía de aproximadamente 1MW. Esta capacidad crecerá con los años, debido al incremento de desechos que lleguen al sitio.
Basado en la cantidad estimada de biogás del relleno recuperable del Relleno Pichacay, la Tabla 12 muestra la capacidad eléctrica disponible generada en el sitio. La energía exportada será menos que la capacidad de los motores, ya que la energía es requerida para operar el equipo de suministro y el equipo enfriador del biogás del relleno. Estas cargas, cuentan con un 4 y un 6 por ciento del producto de los generadores.
Los motores del biogás del relleno, normalmente no operan satisfactoriamente con menos del total del producto (OUTPUT). Por lo tanto, la exportación de la energía puede solo ser incrementada normalmente dentro de pasos acorde con la capacidad de cada motor.
Los requerimientos de mantenimiento de los motores de bujía, reduce el número de horas de operación disponibles al año. Un estimado razonable de la disponibilidad de los motores de bujías es de 85 por ciento (i. e., operando a carga llena durante 7,466 horas por año). Con el tiempo restante es requerido abordar el mantenimiento rutinario y de emergencia, como también las restricciones en el producto como consecuencia de los defectos del suministro de combustible y cuadrícula.
Tabla 12 – Capacidad Estimada de Generación Eléctrica
Año
Promediom3/hr
Disponible @ 50% CH4
Capacidaden Bruto
kW
CapacidadNeta kW
ExportadoMWH1 @ 5% carga parasita
2007 504 944 896 6,671 2008 582 1,090 1,035 7,706 2009 656 1,229 1,167 8,689 2010 728 1,363 1,294 9,635 2011 797 1,493 1,418 10,558 2012 864 1,618 1,537 11,444 2013 929 1,740 1,653 12,308 2014 992 1,858 1,765 13,142 2015 1,054 1,974 1,875 13,961 2016 1,115 2,089 1,984 14,772 2017 1,174 2,199 2,089 15,554 2018 1,232 2,308 2,192 16,321 2019 1,290 2,416 2,295 17,088 2020 1,348 2,525 2,398 17,855 2021 1,404 2,630 2,498 18,600 2022 1,434 2,686 2,551 18,994 2023 1,339 2,508 2,382 17,736 2024 1,229 2,302 2,186 16,276 2025 1,132 2,120 2,014 14,996
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Año
Promediom3/hr
Disponible @ 50% CH4
Capacidaden Bruto
kW
CapacidadNeta kW
ExportadoMWH1 @ 5% carga parasita
2026 1,045 1,957 1,859 13,842 2027 967 1,811 1,720 12,807
1 Asumiendo que la capacidad instalada es suficiente para la utilización de todo el biogás del relleno disponible.
Las operaciones de los motores de bujía serán afectadas por la altitud del Relleno Pichacay. La reducción de la densidad del aire, reducirá la eficiencia volumétrica de los motores, aun con turbocompresores. Mientras la altitud desvalora de los motores de gas es diferente dependiendo del fabricante, en general, se producirá una reducción del producto, si se utiliza cualquier motor en altitudes mayores a 500 m. Encima de esta altitud un devalúo adicional de 1.0 por ciento a 1.5 por ciento, ocurrirá por cada 100 m de altitud adicionales. El uso de turbocompresores extra grandes puede reducir este efecto, sin embargo, algún devalúo es de esperarse con una altitud de 2607 m en el sitio.
Con propósito para un análisis financiero, un devalúo de 25 por ciento en relación al rendimiento de motores al nivel del mar debe ser asumido para la operación en Pichacay. Por lo tanto un motor estándar de 1.0 MW operado a 2,600 m, producirá solo 750 kW.
17.3. Conexión a la Red
En el Relleno de Pichacay, no esta disponible la energía en tres-fases. La energía es suministrada al sitio vía un transformador de paso, de 25 kVA, el cual esta alimentado por un suministro sencillo de 11 kV. Actualmente, el voltaje mediano más cercano esta ubicado en la vía de acceso al sitio, aproximadamente a 3.5 km de la entrada del sitio.
Detalles técnicos de la red del sitio, no están disponibles, sin embargo, la examinación visual de la red de distribución al principio de la vía de acceso, indica que un fase-tres de 34 kV (aproximadamente) es disponible en esta localización. Se requiere de una discusión con el operador de la red de distribución para determinar si existe capacidad de absorción de energía generada en Pichacay.
Hay una propuesta para construir un nuevo suministro de energía a lo largo de la línea de acceso, pero los detalles del plan no estaban disponibles durante la investigación del sitio.
Una excepción debe ser hecha en la estimación de los cálculos financieros, para la instalación de una línea de voltaje mediano a lo largo de la vía de acceso (3.5 km).
La red Ecuatoriana opera a 60 Hz
18. COMERCIO DE EMISIONES
Por cuenta y transferencia, ahora es posible la reducción de los gases invernadero, emitidos por actividades que reducen o capturan cualquiera de los seis principales gases del Efecto Invernadero. Porque la disposición del metano en forma sólida en la tierra, es uno de las principales fuentes de emisión de gas, es capturado y oxidado a dióxido de carbono, siendo un resultado beneficioso para el
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ambiente. Este beneficio puede ser medido e intercambiado a través de un número diferente de emisiones con la reducción del esquema de comercio a nivel mundial.
Para poder comercializar la reducción de emisiones, normalmente el proyecto debe calificar, y debe ser capaz de demostrar que no hay requisito bajo la ley o licencias de permiso para recolección de desechos u otras regulaciones, para control de emisiones particulares de gases invernadero relacionados con el proyecto. Esto parece ser el caso en el Relleno Pichacay.
Los cálculos de reducción de emisiones se definen en la metodología relacionada a los mecanismos de comercio particular.
Como parte de todas las metodologías, debe de estar demostrado que prácticas de empresas particulares no alteran las emisiones de gases invernadero. Estudios del Sitio de Relleno Pichacay, indican que el metano generado por el sitio, ha sido combustionado (periódicamente), en quemadores de gas abiertos, que son convenientes para algunas (pero no todas) de las chimeneas de gas pasivo. El operador del sitio, reporta que actualmente hay alrededor de 10 quemadores de gases utilizados periódicamente para la quema de biogás del relleno. Considerando la cantidad de reducción de emisiones disponibles en el sitio, debe aplicarse un factor de ajuste para tomar en cuenta la destrucción de metano en estos quemadores pasivos.
La evidencia del flujo de biogás en el relleno, de la perforación 2, la cual fue creada a partir de una chimenea de gas pasivo, es usada para estimar el efecto de estos quemadores. Ya que esta chimenea de gas pasivo estaba ubicada en desecho de edad y profundidad promedio, y se reporto construida en la base del sitio, esto es considerado algo típico en este tipo de construcciones.
El ritmo del flujo de gas de la chimenea de gas pasivo durante el ensayo, bajo los efectos de la succión, es un promedio de 2 Nm3/hr (Sección 15.3) y el promedio del ritmo del flujo medido al inicio de la visita al sitio, fue de 2.85 Nm3/hr. Por lo tanto, el flujo bajo condiciones pasivas, en ausencia de un espacio vació aplicado, será menor que esta figura. Por lo tanto, las 10 chimeneas de gas pasivo que actualmente se estima queman un promedio menor a 20 m3/hr de biogás en el relleno, bajo condiciones pasivas.
La actual metodología, estima combustión eficaz en quemadores abiertos de 50 por ciento, por lo tanto, la actividad de las aberturas transformadas cuenta por 10 m3/hr del biogás del relleno en metano al 50 por ciento (promedio).
Por lo tanto, si practicas actuales continúan en proporción al ritmo de terminación del factor del Relleno, de no mas de 2 por ciento (10 Nm3/hr / 504 Nm3/hr) debe aplicarse y dirigirse a los quemadores de gas pasivo.
La Ecuación 3 estima el número de reducción de emisión de gas disponible cada año del Relleno Pichacay, como resultado de quemado solo del biogás del relleno. (sin recuperación de energía)
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Ecuación 3 – Reducción de Emisiones Disponibles
EFQAFT CHAvailvolCOAvaileq 4.2
21%)1(
Donde:
TAvailCO2eq. Reducción de emisiones disponibles total en toneladas de dióxido de carbono equivalente%vol Porcentaje volumétrico de Metano en biogás del relleno QAvail Cantidad total de biogás del relleno disponible AF Factor de ajuste (2% en este caso)
CH4 Densidad del metano = 0.0007168 toneladas/metro cúbicos EF Factor de equipo (disponibilidad operativa)
Mientras es normal el método de quemadores para la oxidación termal del biogás del relleno, cualquier proceso que prevenga la emisión de metano a la atmósfera se clasifica como reducción de emisiones comerciales. El dióxido de carbono creado por la oxidación termal de metano es considerado ser de “ciclo corto” y el producto del ciclo normal del carbono; por lo tanto no debe ser tomado en cuenta para las metodologías actuales.
Si la producción de energía eléctrica también se incluye, y la energía es exportada para la red de distribución local o es usada para desplazar otros usos de la electricidad, es posible ganar reducción de emisiones adicionales, como resultado del desplazamiento del uso del combustible fósil. Para calcular el número de reducción de emisiones disponibles en cada año, de la exportación de electricidad, se usa la ecuación siguiente:
Ecuación 4 – Reducción de Emisión de Intercambio de Uso de Combustible Fósil
ortedeqMWhEFT gridCO exp.2
Donde:TCO2eq. Reducción de emisión total en toneladas equivalentes de dióxido de carbono EFgrid Factor de emisión de red para Ecuador = 0.66531 tCO2/MWh 2.
MWhexported Número total de megavatios hora exportados a la red.
En base al cálculo de disponibilidad de biogás del relleno en el Relleno de Pichacay, asumiendo que todo el metano es usado para generar energía o combustión, el número posible de reducción de emisiones generado se muestra en la tabla 13. Lo mostrado en la primera columna de la Tabla 13, son estimados de créditos que estarían disponibles si el gas llegara a combustionarse y son basados en la suposición de que el destello será usado para asegurar una alta eficiencia de combustión. Note que el monitoreo adecuado de la emisión de destellos es requerido para alcanzar créditos en una reducción de emisión completa. Si el fuera a combustionarse en un motor para producir electricidad, entonces el proyecto habría alcanzado los mismo créditos enseñados en la columna uno por combustión, en adición a los créditos mostrados en la columna dos por desplazar combustible fósil y generadores de electricidad. Reducción de emisiones producida por la generación de electricidad resulta del desplazamiento del uso de combustible fósil y por ende las actividades de combustión adicionales.
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Tabla 13 – Estimado de Reducción de Emisiones Disponibles
Año CO2 Equivalente Actividades de Quema
Adicional CO2 Equivalente Toneladas de Generación de Energía en lugar de Quema *
2007 32,565 4,678 2008 37,605 5,402 2009 42,386 6,089 2010 47,038 6,757 2011 51,496 7,397 2012 55,825 8,019 2013 60,025 8,623 2014 64,096 9,207 2015 68,102 9,783 2016 72,043 10,349 2017 75,855 10,897 2018 79,603 11,435 2019 83,350 11,973 2020 87,098 12,512 2021 90,716 13,031 2022 92,655 13,310 2023 86,516 12,428 2024 79,409 11,407 2025 73,142 10,507 2026 67,520 9,699 2027 62,480 8,975
* Proveído, siempre que la capacidad del generador de electricidad instalado exceda la disponibilidad de gas
19. ESPECIFICACIONES GENERALES DE UN SISTEMA DE EXTRACCION DE GAS
Para poder recolectar el biogás del relleno de Pichacay, se debe instalar un sistema de recolección de gas. A continuación se señalan las explicaciones generales que se requieren para operar este equipo.
19.1. Perforación
Técnicas de perforación rotativa, han demostrado ser un éxito en el Relleno Pichacay. Sin embargo, mantener la integridad de la perforación para permitir la instalación de pozos resulta difícil debido a la alta saturación de desechos. Por lo tanto, puede ser necesario la utilización de taladros y bombeo de lixiviados durante las perforaciones.
Identificando la manufacturera o importador local de barrenos de cubeta, puede aumentar la capacidad de perforación en Ecuador.
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19.2. Pozos de Gas
El biogás del relleno será recolectado por medio de varios pozos de gas, vertical y/o horizontalmente, que fueron perforados en la masa de desecho o bien instalados durante la colocación del desecho. La tecnología usada en los pozos de gas, varía dependiendo de la ubicación. Sin embargo, los pozos de gas permanentes son usualmente perforados, utilizando equipo pesado de perforación, dentro de la masa de desechos a unos 2 m de la base del sitio. Los pozos de gas están alineados con tubo de pozo MDPE, que es perforado debajo de la superficie. La sección superior del tubo es sólida (no perforada) y es sellada con bentonita de sodio hidratada. En localidades que no son apropiadas para la instalación permanente (por ejemplo, áreas donde futuros depósitos de desechos son planeado) se instalan pozos de gas temporales.
Los pozos de gas temporales, consisten en, tubos de acero perforados que son llevados en el sitio a una profundidad de aproximadamente 10m o en algunas circunstancias en perforaciones horizontales con tubos MDPE, colocados dentro del desecho.
El ensayo de bombeo de gas, demostró que algunas chimeneas de gas pasivo pueden convertirse en pozos de gas, siempre y cuando no hayan sido perturbadas por el movimiento del desecho. Mientras la eficiencia de la recolección de gas con las chimeneas de gas pasivo existentes pueda ser restringida, un pequeño rediseño de cualquier instalación nueva permitirá una mejora tanto en cantidad como calidad de gas disponible. Dadas las dificultades de la perforación, por falta de equipo apropiado en Ecuador, como la evidencia de altos niveles de lixiviados dentro del desecho, las instalaciones de sistemas de extracción de gas durante la construcción de sitio es particularmente valioso.
Para poder maximizar la eficiencia en la recolección de gas en las nuevas secciones del relleno, el sistema recolector de gas debe ser instalado durante la operación de colocación de desecho. Ductos horizontales de recolección de gas, que deben consistir de tubos perforados MDPE, pueden ser instalados cuando las profundidades del desecho alcance los 5.0 m aproximadamente. Una segunda capa de recolectores puede ser instalada cuando unos 10.0 m adicionales de desecho sean colocados en el área.
Es importante que todos los pozos tengan secciones sólidas (no perforadas), desde la superficie a unos cuantos metros de profundidad, y que estén completamente sellados para prevenir cualquier ingreso de aire.
Un dibujo demostrando la opción de convertir las aberturas pasivas existentes, un rediseño de una abertura de gas pasiva y las instalaciones horizontales de recolectores de gas en secciones nuevas es dado en el Apéndice V.
19.3. Control de Lixiviados
El alto nivel de lixiviados encontrado en el Sitio Pichacay, restringe el acceso al biogás del relleno, requiriendo de espacios mas cercanos que lo típico. La instalación adicional de sistemas de bombeo de lixiviados permanentemente puede aumentar las recolección de biogás del relleno.
El sistema de bombeo de lixiviados, consiste de bombas eléctricas o neumáticas las cuales se instalan en los pozos de gas. Desde el punto de vista de seguridad, las bombas neumáticas son preferidas ya que reducen la probabilidad de accidentes por chispas, en la ignición del biogás del relleno.
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Mientras las bombas de lixiviados no pueden ser instaladas en conductos pasivos convertidos, pueden ser ubicadas en cada uno de los pozos de perforados. Un suministro de aire, alrededor de 6Bar, es repartido a cada bomba vía una red de pequeños tubos perforados (32 mm a 50 mm) de MDPE colocados a lo largo del sistema de recolección de gas.
Los lixiviados son descargados a tubos perforados mas grandes (90 mm típicamente). En el caso de Pichacay, los tubos perforados mas grandes puede ser conectados directamente a las bocas de acceso del sistema de drenaje de lixiviados en el sitio.
El flujo inicial del sistema de bombeo de lixiviados será alto, sin embargo, esto decrece con el tiempo debido a que el nivel de los lixiviados en el sitio se reduce. La reducción del nivel de lixiviados, dará como resultado la disminución de perdidas en la topografía circundante y un promedio un poco mas alto, en el flujo de los lixiviados hacia las lagunas de colección. Mientras esto es beneficioso al ambiente, se debería de confirmar de que el sistema de recolección de lixiviados se puede acomodar a este incremento en el flujo.
19.4. Red de Tubería
Los pozos de gas, de cualquier tipo, estarán conectados a una red de tubos no perforados MDPE, en instalaciones que permitirán al operador controlar el flujo del biogás del relleno y llevar un record de los componentes del gas, así como también de la presión y temperatura de cada ubicación. Instalaciones de remoción de condensado, están ubicadas en la red de tubos para permitir que los condensados del liquido, regresen a la masa de desechos por medio de un sellado liquido, o vía bombas organizadas de tal forma que no permite que entre oxigeno al sistema de recolección, aun en eventos de fracaso. El filtrado y remoción de condensado final del biogás del relleno, será localizado antes de la entrada al quemador o equipo de utilización.
La red de tubos debería de organizarse con un tubo de “encabezamiento” principal, de 250 mm de diámetro aproximadamente. Siendo colocado en tierra natural (i. e., en sobre el desecho) alrededor del perímetro del sitio. Los tubos secundarios de 160mm de diámetro aproximadamente, colocado en la superficie del desecho, conectan el pozo con el tubo principal.
19.5. Quemador y Bomba de Gas
El biogás del relleno será drenado fuera de la red de tubos de recolección por medio de espacios vacíos creados por una bomba centrifuga de gas. La misma bomba es usada para presurizar el biogás del relleno, antes de ser introducido a la pila de quemado o de ser suministrado como energía al equipo de generación.
Existen dos tipos diferentes de pilas de quemado para la oxidación termal del biogás del relleno. Instalaciones mas grandes son utilizadas normalmente en quemadores cerrados, en donde el biogás del relleno combustiona en un cámara de temperatura controlada. Estas quemadoras son eficientes para la oxidación del metano y además, para la destrucción del aire contaminado encontrado en biogás de relleno. Quemadoras simples “elevadas” o “candelas” queman el gas a llama abierta y no alcanzan altos niveles de combustión eficiente, pero ofrecen un costo capital menor.
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Para maximizar la destrucción del metano, es necesario usar quemadores cerrados, los cuales ofrecen un 99 por ciento de eficiencia, comparado con los quemadores de candela que solo ofrecen alrededor del 50 por ciento.
La pila de quemado, requiere de equipo para monitorear la cantidad y calidad del biogás del relleno, extraído y entregado, ya sea para encender el quemador, generar energía o sistemas de utilización.
Basados en el ritmo del flujo del biogás del relleno de Pichacay, nosotros recomendamos una pila de quemado de las siguientes especificaciones generales.
Tipo: Quemador cerrado de tierra Combustión: Temperatura mínima 1,0000CRitmo de Flujo: 1,200 Nm3/hr biogás a 50% metano Presión: Succión 120 mB, Entregada (para ser utilizada) 200 mB
La pila de quemado, requiere de filtración del biogás del relleno antes de ser entregado a los motores de gas u otros sistemas de utilización.
19.6. Cuadro de Cantidades
La Tabla 14 muestra un indicador del cuadro de cantidades para la instalación de un sistema de recolección, en el área existente para verter desechos. Un diseño general del sistema de recolección de gas para Pichacay es dado en el Apéndice VII.
Se requerirán futuros trabajos de tubos, en proporción al área adicional del sitio. Se requerirá una expansión en el sistema de gas de un tiempo a otro, en relación a la disponibilidad de nuevas áreas en el sitio. Movilización del equipo de perforación de taladro y retiro al terminar.
Tabla 14 – Cuadro de Cantidades para un Sistema de Extracción de Gas
Descripción Unidad Cantidad Precio USD Total USD Pozos Movilización de perforadora y remoción al completar Suma 1 2,000 $ 2,000 Establecerse en la ubicación Unidad 20 75 $ 1,500 Perforación 300 mm hoyos con diámetro 0-10 m M 400 100 $ 40,000 Perforación 300 mm hoyos con diámetro 10-20 m M 400 100 $ 40,000
Suministro e instalación de tubería lisa de 90 mm M 100 25 $ 2,500 Suministro instalación de tubería perforada de 90 mm M 500 35 $ 17,500 Suministro e instalación de tapas de 90 mm Unidad 40 20 $ 800 Suministro e instalación de grava M 600 15 $ 9,000 Suministro e instalación de bentonita Unidad. 20 30 $ 600
Conversión de chimeneas de gas pasivo
Suministro e instalación de tubería sólida y protección
Unidad 9 150 $ 1,350
Excavación Unidad 9 100 $ 900 TOTAL perforación de pozos $ 116,150
Tubería
Cabezales Unidad 29 195 $ 5,655
40
Descripción Unidad Cantidad Precio USD Total USD Tubería de superficie de 160 mm M 690 39 $ 26,910
Tubería de superficie de 250 mm M 300 78 $ 23,400
Sistema de Línea de aire M 1,000 7 $ 7,000
Sistema de retorno de Lixiviado M 1,000 23 $ 23,400
Asignación para Acoples de Tubería Grande Suma 1 7,800 $ 7,800
Filtrado en línea para condensado Unidad 3 965 $ 2,896
Bomba en línea para condensado Unidad 1 8,580 $ 8,580
Excavación y cruce de accesos con tubería Suma 1 10,000 $ 10,000
Reparación de acceso Suma 1 3,000 $ 3,000
TOTAL Tubería $ 118,641
Ingeniería Civil
Servicios de teléfono y utilidades Suma 1 1,950 $ 1,950
Fundición de concreto para bombas y quemador Unidad 1 9,750 $ 9,750
Fundición de concreto para motores Unidad 2 15,600 $ 31,200
TOTAL Civil $ 42,900
Equipo de quema Quemadores de gas de Alta Temperatura (1200 m3/h)
Unidad 1 330,000 $ 330,000
Equipo de análisis de gas Unidad 1 17,550 $ 17,550 Bombas de Lixiviados Unidad 20 4,500 $ 90,000 Estación de Compresor de Aire Suma 1 10,000 $ 10,000 Instalación Eléctrica Suma 1 15,000 $ 15,000 TOTAL Equipo de quema $ 462,550 Costos de Instalación
Entrega de equipo Unidad 1 5,025 $ 5,026
Grúa Unidad 1 5,026 $ 5,026
Total Instalación $ 10,051
Herramientas y Repuestos
Inventarios de Repuestos Suma 1 5,850 $ 5,850
Herramientas Suma 1 4,875 $ 4,875
Total Repuestos $ 10,725
Costos de Construcción y contracto
Manejo Suma 1 80,000 $ 80,000
Ingeniería Suma 1 $ 90,000
Total administración de Ingeniería $ 170,000
Total Contrato y Costos de Construcción $ 931,017
% Contingencia de Costos de Construcción Suma 10% $ 93,102
Total Sistema de Gas Costos de Instalación (con Bombeo de Lixiviado)
$ 1,024,119
Total Sistema de Gas Costos de Instalación (sin Bombeo de Lixiviado)2
$ 880,679
1 Asumiendo de que el suministro de energía actual de Pichacay es suficiente para operar la pila de quemado y equipo auxiliar. 2. Instalación del sistema de bombeo de lixiviados puede aumentar la disponibilidad del biogás del relleno, la exclusión de esto puede dar mayor inversión pero un riego alto de un mal rendimiento.
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El costo en la Tabla 14, representa el costo promedio de sistemas similares en América Latina y debe confirmarse obteniendo citaciones con contratistas especializados y proveedores de equipo.
Basado en los costos de perforación, chimeneas de gas pasivo, equipo de bombeo de lixiviados y líneas de tubos y asumiendo una expansión disponible del área en un 10 por ciento por año, un presupuesto anual de aproximadamente $25,000 por año, deberá ser asignado al sistema de expansión. Notar que la pila de quemado y estructuras civiles deberán tener la capacidad por al menos 10 años, para operaciones futuras del sitio.
La Tabla 15 muestra el Cuadro de Cantidades y una estimación del costo de instalación para la instalación de motores de bujía para el Relleno Pichacay. La disponibilidad de gas limitara el producto de los motores inicialmente con alrededor de 1 MW, pero puede ser seguido por la expansión de la planta a 2 MW antes del 2012.
Tabla 15 – Costos del Equipo Generador
Descripción Cantidad Costo1MW Motor de bujía para biogás del relleno
1 $693,0001
Transformadores, interruptores y mediciones
1 $36,000
Ingeniería Civil e Instalaciones 1 $50,0002
Conexión de Red (por planta) 1 $200,0003
Total 1MW $979,000Total Adicional 1MW $729,0001 Permitiendo una perdida del 25% por altitud 2 Ingeniería civil suficiente para dos motores. 3 Asumiendo 3.5 Km Cable requerido – Estimado
19.7. Costos del Sistema de Evaporación de Lixiviados
El equipo de evaporación de lixiviados no genera ingreso directamente, aunque podría compensar el costo de disposición o el tratamiento de lixiviados del relleno. Diferentes sistemas con capacidad de subir de 20 m3/día a 2,000 m3/día, están disponibles.
El costo capital para el equipo de evaporación de lixiviados, esta alrededor de $110,000/m3/hr a $187,000/m3/hr. Sin embargo, opciones como la utilización de calor de motores de desecho o combustión secundaria de gases de escapes incrementaría el costo. Las plantas de evaporación de lixiviados, son organizadas en unidades de tamaño estándar, por lo tanto el costo capital, seria múltiplos de la capacidad del equipo y para rellenos como el de Pichacay, esto es probable de caer en el rango de $1.6 m a $2.0 m por planta.
La variación en los costos de operación depende de la tecnología y capacidad. La mayoría de las plantas requiere de al menos un operador de tiempo completo y un estimado de $30,000 para provisiones de partes y artículos de consumo. Sitos mas grandes requieren de presupuesto de operación altos.
42
Como el operador no ha reportado problemas específicos con la disposición de lixiviados, el costo capital y operacionales para planta de evaporación de lixiviados en el Relleno de Pichacay, no se ha incluido en el modelo financiero (sección 20).
20. MODELO FINANCIERO
Un modelo financiero inicial, se ha desarrollado para el Relleno Pichacay, utilizando las siguientes contribuciones:
Tabla 16 – Costo Capital Estimado para Modelo Financiero
Costo Capital Sistema de Recolección de Gas (Tabla 14) $1,024,1191MW Planta Generadora de Energía $979,000Sistema de Expansión de Gas Anual $25,0001
Expansión de la Planta Generadora de Energía de 2 MW en 2012
$729,0001
1 Costo actual
Tabla 17 – Estimado Indicativo de Costos de Operación para Producción de Energía Eléctrica
Costo de Operación Trabajo Sistema de gas $20,000Trabajo, Sistema Generador $50,000Seguro $10,000Sistema de Mantenimiento de Gas
5% de costo inicial por año
Electricidad Importada $0.12 kWh importado Costo de Operación de Equipo de Generación
$0.0173 / kWh exportado1
Costos Misceláneos $2 por hora Operada Inflación Anual 3%
1 Permitiendo una desvaloración de motores por altura
Tabla 18 – Suposiciones del Modelo Financiero
Impuesto, Deprecación, Duración y Suposiciones Generales Equipo de Depreciación 10% por año Contrato de Reducción de Emisiones
10 Años
Contratos de Energía 20 Años Impuestos Ante el Impuesto Disponibilidad del sistema de Quemado
95%
Motor / Sistema de Turbinas Disponible
85%
43
Tabla 19 – Suposiciones de Ingresos del Modelo Financiero
IngresosTarifa de electricidad $0.0967 / kWh1 y $0.06 /kWh Créditos de Reducción de Emisiones
$5 USD, $10 USD y $15 USD
Capacidad Instalada (Quemador) 1,200 m3/hr Capacidad Instalada (Generador) 1000 kW de 2008 a2012,
2000kW de 2013 a 20272
Calor del Desecho Valor Económico NIL 1 Regulación no. CONELEC – 009/06, precios de la energía producida con recursos energéticos renovables no convencionales 2 Notar que se predice que suficiente gas para operar una gran producción existirá en 2017. Mientras, la planta operara en producción reducida hasta ese punto.
Se han llevado acabo dos escenarios para el modelo financiero, ambos con y sin generador de energía. En el caso de generador de energía, se han creado dos tarifas para proveer un análisis sensitivo. La regulación de energía renovable indica que una tarifa de $0.0967/kWh esta disponible para proyectos de energía utilizando biogás a partir de digestión anaeróbica. En adición una tarifa de $0.06/kWh se ha utilizado para ilustrar la sensibilidad del biogás del relleno en relación a la variación de tarifas para proyectos de energía. Un ejemplo de la producción del modelo financiero puede ser apreciado en el Apéndice VIII además de un resumen en las Tablas 20 y 21
En ambos casos, la Tasa de Retorno Interno (IRR) y el Valor Neto Presente (NPV) han sido modelos. La NPV es para el flujo de dinero basado en un ritmo de 15% de descuento. La NPV no incluye el regreso de la inversión inicial.
Tabla 20 - Resultados del Modelo Financiero – Producción de Energía Eléctrica
Costo Capital: Tabla 15 Incluye Generación de Energía
Valor de Reducción de Emisión: $5 / Toneladas
Valor de Reducción de Emisión: $10 Toneladas
Valor de Reducción de Emisión: $15 / Toneladas
IRR $0.0967/kWh
$0.06/kWh
31.4% 38.6% 45.9%
19.8% 27.6% 35.4%
NPV $0.0967/kWh (@15%) $0.06/kWh
$6,655,772 $8,160,175 $9,664,578
$3,718,342 $5,222,774 $6,727,147
44
Tabla 21 - Resultados del Modelo Financiero – Solo Quema
Costo Capital: Tabla 15Solo Quemado
Valor de Reducción de Emisión: $5 / Toneladas
Valor de Reducción de Emisión: $10 / Toneladas
Valor de Reducción de Emisión: $15 / Toneladas
IRR Negativo 28.7% 48.5% NPV (@15%) 474,355 $1,811,596 $$3,148,837
El modelo financiero inicial indica que el biogás del relleno para proyecto de energía es más interesante en el Sitio del Relleno Pichacay que un proyecto de quemado. Sin embargo, este cálculo se basa en tarifas relativamente altas disponibles bajo la legislación de energía renovable de Ecuador, y los inversionistas potenciales deben confirmar que esto se aplicara al proyecto de biogás del relleno de esta ubicación.
La tecnología para evaporación de lixiviados no se incluyo en el modelo financiero, porque esto será llevado para propósitos ambientales y puede que no genere ingresos mas allá de la captura y quemada del biogás del relleno.
21. CONCLUSIONES
El análisis documentado es este reporte de evaluación indica que es posible que la utilización de un proyecto de biogás de relleno sea financieramente viable en el Relleno Pichacay. El sitio produce buenas cantidades de metano que pueden ser utilizadas para generación usando motores de bujía. Viendo que arreglos de compra de energía y arreglo de conexión de red se puede alcanzar, la generación de energía es una opción económica para extraer biogás del relleno en el sitio. Los proyectos de generación de energía deberían de estar al tanto de la creciente inversión requerida para operar un motor de biogás del relleno en altitudes altas y debería notar que esto puede tener efecto en las emisiones productoras de motores.
Un proyecto que consiste en quemar biogás de un relleno, es de precio económico en moderada reducción de emisiones.
El número de reducción de emisiones disponible en el Relleno Pichacay, es un poco mas alto que en sitio que contengan la misma cantidad de desechos y tasa de ingreso. Esto es en gran parte debido al alto nivel orgánico encontrado en el depósito de desechos. Sin embargo, desecho con alto contenido orgánico tiene también un alto contenido de agua. Esto y la capa relativamente delgada tiene como resultado altos niveles de lixiviados dentro de la masa de desecho, a pesar de la presencia de un sistema de drenaje de lixiviados.
En resumen, el Relleno Pichacay, puede proveer una buena oportunidad para un pequeño proyecto de energía a base de biogás en el relleno y seria también buen candidato para un proyecto de reducción de emisiones. Existen opciones para la utilización de calor, aunque en la localización de Pichacay, es improbable que haya demanda económica hacia proyectos de uso directo.
El análisis documentado en este informe de evaluación indica que es posible que un proyecto de utilización gas de relleno sea financieramente factible en el Relleno Pichacay. El sitio está produciendo
45
buenas cantidades de metano que podría ser utilizado tanto para la generación de electricidad utilizando motores de encendido por chispa o quemarlo para control ambiental, generando créditos de reducción de emisiones.
Contemplando que se logren acuerdos convenientes para la venta de energía y conexión a la red, la generación de energía proporciona más opciones económicas para el uso del biogás del sitio, sin embargo esto requiere la obtención de la tarifa más alta de energía, según la normativa ecuatoriana. Los desarrolladores de proyectos de generación de energía deben ser conscientes de la mayor inversión necesaria para operar motores de biogás en altitud y debera notar que esto puede tener un efecto sobre el perfil de emisiones de los motores. Un proyecto que consta solamente de quema del biogás es también económico, con un moderado precio por créditos de reducción de emisiones.
Se recomienda que el desarrollo del proyecto de biogás en Pichacay se lleve a cabo en dos etapas distintas. Como la primera etapa de desarrollo debería llevarse a cabo la instalación del equipo de quema de gas. La cantidad real de biogás disponible en todo el sitio puede ser determinada de forma más precisa, posteriormente a la instalación del equipo de quema, que debe incluir todos los requisitos de vigilancia para la calificación del proyecto para generar créditos de reducción de emisiones. Adicionalmente, se podrá evaluar la negociación para venta de energía y las posibilidades para la conexión a la red eléctrica. Luego se avanzaría con menor riesgo una segunda etapa de desarrollo incluyendo la instalación de equipo de generación de energía.
La cantidad de reducción de emisiones disponibles en el relleno Pichacay es levemente mayor al de otros sitios tipicos, que contienen la misma cantidad de flujo de ingreso de desechos. Esto se debe en gran parte a la alta fracción de organicos en los desechos. Sin embargo, esto representa también un alto contenido de agua, aunado a la capa de cobertura delgada ha resultado en niveles altos de lixiviados dentro de la masa de desechos, a pesar de contar con un sistema de drenaje para lixiviados.
En resumen, el relleno Pichacay puede proveer una buena oportunidad para un pequeño proyecto de gas a energía y deberá iniciar como un proyecto de reducción de emisiones, mediante la quema del gas. Existen opciones para el uso directo del calor del gas, sin embargo en la ubicación del sitio, existe muy escasa demanda económica para proyectos de uso directo.
46
REFERENCIAS
1. Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Paris: Intergovernmental Panel on Climate Change, United Nations Environment Programme, Organization for Economic Co-Operation and Development, International Energy Agency.
2. Factor de Emisión – Red Ecuatoriana de Electricidad (2003 – 2005), Cordelim, Ministerio de Ambiente del Ecuador.
3. Manual del Usuario del Modelo de Biogás U.S. EPA México http://www.epa.gov/landfill/int/UsersManualMexico_LFG_modelV1_5.pdf
4. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Volume 5, Chapter 3. Paris: Intergovernmental Panel on Climate Change, United Nations Environment Programme, Organization for Economic Co-Operation and Development, International Energy Agency.
5. ANÁLISIS SECTORIAL DE RESIDUOS SÓLIDOS ECUADOR, Organización Panamericana de la Salud, Organización Mundial de Salud, 2002
RECONOCIMIENTOS:
Los autores expresan su reconocimiento por el apoyo en la elaboración de este informe a:
Empresa Municipal de Aseo de Cuenca –EMAC- por proveer la información y planos del sitio Pichacay y asistir en la ejecución del ensayo de bombeo y monitoreo del gas.
Ing. Cesar Arevalo, Director del Sistema de Gestión de Desechos Sólidos EMAC, por su aporte a la ejecución de este documento.
Ing. Paúl Crespo, Gerente del Relleno Sanitario Pichacay por asistirnos con la instalación y operación del quemador y la conversión de la chimenea.
APENDICE I
REGISTRO DE MONITOREO DE GAS
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APENDICE II
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APENDICE III
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Cuenca - Ecuador
Pozo Nº 2 (Longitud = 8,20 m)
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Perforación
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Material de relleno alrededor del tubo.
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Registro de perforación
APENDICE IV
REGISTROS DE MONITOREO DEL ENSAYO DE BOMBEO
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APENDICE V
DIBUJOS DE CONVERSIÓN DE CHIMENEA PASIVA Y COLECTOR HORIZONTAL
APENDICE VI
AREAS DISPONIBLES PARA UN SISTEMA DE COLECCIÓN DE GAS
APENDICE VII
DIAGRAMA DEL SISTEMA DE COLECCIÓN DE GAS
APENDICE VIII
EJEMPLO DEL MODELO FINANCIERO
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APENDICE IX
CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN DEL ANALIZADOR DE GAS
APENDICE X
FOTOS
Equipo de Quema de Biogás Móvil
Actividades de Perforación
Instalación de Pozo de Gas
Contorno típico del Sitio