Balance térmico de una planta de biogás en invierno: cuánto calor consume el proceso y de dónde obtenerlo

El balance térmico de una planta de biogás en invierno se compone de varias partidas sencillas: el calor para calentar el sustrato dosificado, las pérdidas a través de los cerramientos de los depósitos y las tuberías, el calor necesario para una posible higienización y los consumos externos. Por el lado de los ingresos figura sobre todo el calor del grupo de cogeneración (CHP) y, en su caso, la caldera. En invierno aumentan las dos partidas de demanda más importantes, mientras que la capacidad de las fuentes para cubrirlas no aumenta en absoluto. Por ello, el balance debe hacerse para la semana típica más fría, y no para la media anual.

De qué se compone la demanda de calor

1. Calentamiento del sustrato. El sustrato llega al digestor a temperatura ambiente (ensilado, vinaza enfriada, purín de un depósito exterior), y el proceso mesófilo se lleva normalmente a unos 38–42 °C. La energía se calcula con la fórmula Q = m · c · ΔT. Para los sustratos con alto contenido de agua, el calor específico es próximo al del agua, es decir, aprox. 4,2 kJ/(kg·K); con un mayor contenido de materia seca es algo inferior.

Ejemplo ilustrativo para un calor específico de 4,18 kJ/(kg·K) (1 kWh = 3,6 MJ):

Con una dosificación de 50 t al día y ΔT = 40 K, esto da aprox. 2,3 MWh al día, es decir, en promedio aprox. 96 kW de potencia térmica. En invierno, la misma masa de sustrato requiere, por tanto, muchas veces más energía que en verano, cuando el sustrato está templado. El valor es orientativo: el real depende de la composición de la mezcla, de la proporción de recirculado y de si el sustrato se almacena en caliente.

2. Pérdidas a través de los cerramientos. El flujo de calor a través de la pared, el techo y el suelo del depósito es Q = U · A · ΔT, donde U es el coeficiente de transmisión térmica, A es la superficie y ΔT es la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior. A modo de ilustración: 1000 m² de superficie con U = 0,3 W/(m²·K) y ΔT = 40 K dan aprox. 12 kW. En la realidad se añaden la influencia del viento, los puentes térmicos, el estado del aislamiento (un aislamiento humedecido pierde sus propiedades) y otras condiciones térmicas del terreno bajo el fondo. Las cubiertas de membrana y los elementos de poca masa se comportan de manera distinta que los muros de hormigón, porque acumulan poco calor.

3. Higienización y tratamiento. Si la instalación procesa materiales que requieren higienización, el calor necesario para calentar toda la corriente hasta la temperatura exigida por la normativa y mantenerla durante el tiempo exigido es una partida grande y de corta duración. Los requisitos para los subproductos de origen animal los establece el Reglamento (UE) n.º 142/2011 (entre otros, los parámetros de tiempo y temperatura para cada categoría). La recuperación de calor de la corriente higienizada (intercambiador regenerativo) reduce de forma significativa el consumo de calor.

4. Consumos externos. Calefacción de edificios, secaderos, red de calor externa. En invierno compiten con el proceso por el mismo calor; en el balance, el proceso debe tener prioridad, porque el enfriamiento del digestor cuesta semanas de producción, y no horas.

Por el lado del suministro de calor

El motor CHP transforma la energía del combustible en energía eléctrica y calor; los rendimientos eléctrico y térmico de las unidades típicas se tratan en el texto sobre el rendimiento del motor de cogeneración (CHP). El calor pasa al circuito de agua de refrigeración del motor (camisa y aceite) y a los gases de escape. No todo el calor es útil: la temperatura y la disponibilidad dependen de la configuración de los intercambiadores y de si el motor está en funcionamiento. La estacionalidad y la estructura del balance de calor de la cogeneración se describen en el artículo calor residual de la CHP en una planta de biogás: balance y estacionalidad.

Tres situaciones estropean especialmente el balance invernal:

• Funcionamiento del motor con carga reducida (limitación de potencia por el operador de red, menos biogás tras un descenso de la producción): menos calor, y la demanda sin cambios.
• Parada del motor (avería, mantenimiento, calidad del gas demasiado baja): el calor hay que producirlo en la caldera y, si no existe, la temperatura del digestor desciende.
• Temperatura del agua de retorno demasiado baja o falta de consumo en la estación contraria, que en invierno se invierte: hay calor, pero los intercambiadores están infradimensionados para una potencia elevada con una pequeña diferencia de temperaturas.

Cómo elaborar un balance propio

1. Establezca la semana típica más fría para la ubicación y la temperatura de los sustratos en ese período (ensilado del montón, purín del depósito, vinaza).
2. Calcule la masa media diaria de dosificación y la energía para el calentamiento (tabla anterior).
3. Añada las pérdidas de los cerramientos: por separado los depósitos, las tuberías, los intercambiadores, las bombas y el edificio tecnológico.
4. Añada la higienización y los consumos externos.
5. Contraste la suma con la potencia térmica realmente disponible de la CHP con la carga esperada en invierno y con la potencia de la caldera de reserva.
6. Compruebe el escenario de avería de una fuente: si la reserva mantendrá la temperatura del proceso durante el tiempo de una reparación típica.

Qué mejora el balance sin nuevas fuentes

• Calentar el sustrato de forma gradual, p. ej., en un depósito previo calentado con calor de baja temperatura, y dosificar con más frecuencia, en porciones menores (temperatura más estable en el digestor).
• Reparación del aislamiento, protecciones contra el viento y limitación de los puentes térmicos en los puntos más expuestos.
• Recuperación de calor de la corriente de salida (intercambiador de digestato para calentar el sustrato), si es viable técnica e higiénicamente.
• Mantener los sustratos templados donde resulte rentable (p. ej., lugares de almacenamiento cubiertos), en lugar de calentarlos solo en el digestor.
• Desconexión de los consumos externos en los picos de frío conforme a la prioridad establecida previamente.

Conviene verificar la reserva de calor con mediciones: un contador de calor en el circuito del digestor y otro en los consumos externos muestran el reparto real y permiten compararlo con el balance de proyecto. Los parámetros del proceso, incluidos los efectos de las fluctuaciones de temperatura, se tratan en el texto sobre la puesta en marcha del digestor paso a paso.

Errores típicos en los balances térmicos

• Suponer que la temperatura del sustrato es constante a lo largo del año: el ensilado del montón y el purín de un depósito exterior tienen en invierno normalmente una temperatura próxima a la ambiente.
• Omitir las pérdidas en tuberías, intercambiadores y bombas, que en invierno pueden ser tan importantes como las del depósito.
• Calcular el calor disponible de la CHP según la potencia nominal, y no según la carga real en esa época del año.
• No tener en cuenta el tiempo de reparación de la fuente de calor: la reserva debe bastar durante el tiempo en que el proceso no puede enfriarse.
• Tratar el calor de baja temperatura como equivalente al de alta temperatura; el intercambiador requiere una diferencia de temperaturas adecuada.

Cómo completar el balance con mediciones

El mejor complemento de los cálculos son los contadores de calor y de temperatura en varios puntos: a la entrada y a la salida del intercambiador del digestor, en el circuito de la CHP, en los consumos externos, así como la temperatura en el propio digestor. La comparación de las lecturas invernales con los cálculos indica si las pérdidas son mayores que las supuestas (p. ej., por un aislamiento humedecido) y si la potencia disponible corresponde realmente a la de proyecto. Conviene anotar las conclusiones y repetirlas cada temporada, porque al cambiar la receta de sustratos cambia también la demanda de calor.