Technical-economic study on implementing a biogas plant operating with greenhouse vegetable waste generated in the region of Almeria

Abstract

The work developed so far has shown that in the complex of greenhouses in the Region of Almeria more than 2 million of tons of vegetable waste are generated annually, whose destination is composting in piles for the production of biofertilizer in greater measure, providing a minimum economic value. The present work includes experiments of energy valorization of these by-products in order to verify that there is a big potential for generating both electric and thermal energy based on biogas. In net terms, the results show that can be generated around 102,23 GWh/year and 122,68 GWh/year respectively, which translates into an installed power of 12,47 GW and 14,96 GW. The main objective of the project is to determine the technical-economic viability of the valorization of these plant remains through the installation of a biogas plant. In addition, a biofertilizing product is acquired and the CO2 from the flue gas is recovered to enrich the crops of the adjacent greenhouses and to be sold at better prices than the current ones. From this arises the opportunity to solve the existing problem of demand for the appearance of new treatment facilities for these agricultural residues as well as to valuing them more efficiently obtaining more income from the same input base. For these reasons, thanks to biogas, the agricultural waste that is currently a problem for the farmer becomes a source of multiple benefits. The design of the project contemplates the construction of a biogas plant on Dynamic Biogas technology (full mix reactor without recirculation), which is the most suitable for the selected substrates. For an optimal functioning of the plant with a hydraulic retention time estimated of 40 days and for a volume of 2.000 m^3 of digesters, 17.083 Mg of waste will be treated annually. As a result, a plant with a firm electrical power of 107 KW is obtained as well as 3.840 GJ of thermal energy from cogeneration. Besides, the digestate annually produced would replace 20% of the whole current demand of fertilizers in the greenhouses. In regards to the economic evaluation, with an investment of 2,3 million euros, a net present value of - 1,09 million euros and an internal rate of return of 2,26% is obtained. Through the sale of electric energy, thermal energy, biofertilizer, CO2 and carbon credits, approximate revenues to 274 thousand euros/year are obtained. On the other hand, the expenses and costs represent a sum around 113 thousand euros/year. The amortization is covered at 20 years, which is the lifetime of the installation and leaves the project with little slack. The viability of the project cannot be assured not only due to the negative results of the economic evaluation but also because of the risks involved in the installation site and the transmission costs - ensuring the sale of thermal energy is very important -. In addition, an investor will always look for projects with higher internal rates of return, for which the government has a fundamental role: to propose clear economic incentives for investors to decide to invest in this type of energy projects.

Fins al moment, el treball desenvolupat ha posat de manifest que en l'explotació del complex d'hivernacles del Ponent d'Almeria es generen més de 2 milions de tones anuals de residus vegetals, els quals es destinen al compostatge en piles per a la producció de biofertilitzant en major mesura, aportant un valor econòmic mínim. El present treball inclou experiments de valorització energètica d'aquests subproductes amb l'objectiu de comprovar que hi ha un gran potencial de generació tant d'energia elèctrica com tèrmica basant-se en biogàs. En termes nets, es poden generar al voltant de 102,23 GWh/any i 122,68 GWh/any respectivament, la qual cosa es tradueix a unes potències instal·lades de 12,47 GW i 14,96 GW. El projecte té com a objectiu principal determinar la viabilitat tecnicoeconòmica de la valorització d'aquestes restes vegetals mitjançant la instal·lació d'una planta de biogàs. A més, s'adquireix un producte biofertilitzant i es recupera el CO2 dels gasos de combustió per enriquir els cultius dels hivernacles adjacents i per ser venuts a millors preus que els actuals. A partir d'això sorgeix l'oportunitat de resoldre el problema existent de demanda d'aparició de noves instal·lacions de tractament d'aquests residus agrícoles a més de valorar-los de manera més eficient obtenint majors ingressos amb la mateixa base d'entrades. Per aquestes raons, gràcies al biogàs, els residus agrícoles que actualment són un problema per l'agricultor es converteixen en una font de múltiples beneficis. El disseny del projecte contempla la construcció d'una planta de biogàs tecnologia Dynamic Biogas (reactor de mescla completa sense recirculació), que resulta ser la més adequada per als substrats seleccionats. Per a un òptim funcionament de la planta amb un temps de retenció hidràulica estimat de 40 dies i per a un volum de 2.000 m^3 de digestors es podran tractar 17.083 Mg de residus anualment. Com a resultat s'obté una planta amb una potència elèctrica ferma de 107 KW a més de 3.840 GJ d'energia tèrmica per co-generació. A més, el digerit produït anualment reemplaçaria el 20% de la demanda actual total de fertilitzants als hivernacles. Pel que fa a l'avaluació econòmica, amb una inversió de 2,3 milions d'euros, s'obté un valor actual net de - 1,09 milions d'euros i un taxa interna de retorn de 2,26%. A través de la venda d'energia elèctrica, energia tèrmica, biofertilitzant, CO2 i crèdits de carboni s'obtenen ingressos aproximats a 274 mil euros/any. D'altra banda, les despeses i costos representen una suma al voltant de 113 mil euros/any. L'amortització es cobreix als 20 anys, la qual cosa és la vida útil de la instal·lació i deixa el projecte amb poca folgança. No es pot assegurar la viabilitat del projecte no només a causa dels resultats negatius de l'avaluació econòmica sinó també pels riscos que impliquen el lloc d'instal·lació i els costos de transmissió - assegurar la venda d'energia tèrmica és molt important -. A més, un inversor sempre buscarà projectes amb taxes internes de retorn més altes, per la qual cosa el govern té un paper fonamental: el de proposar incentius econòmics clars perquè els inversors decideixin invertir en aquest tipus de projectes energètics.

Hasta el momento, el trabajo desarrollado ha puesto de manifiesto que en la explotación del complejo de invernaderos del Poniente Almeriense se generan más de 2 millones de toneladas anuales de residuos vegetales, cuyo destino es el compostaje en pilas para la producción de biofertilizante en mayor medida, aportando un valor económico mínimo. El presente trabajo incluye experimentos de valorización energética de dichos subproductos con el objetivo de comprobar que existe un gran potencial de generación tanto de energía eléctrica como térmica en base a biogás. En términos netos, se pueden generar alrededor de 102,23 GWh/año y 122,68 GWh/año respectivamente, lo cual se traduce a unas potencias instaladas de 12,47 GW y 14,96 GW. El proyecto tiene como objetivo principal determinar la viabilidad técnico‐económica de la valorización de dichos restos vegetales mediante la instalación de una planta de biogás. Además, se adquiere un producto biofertilizante y se recupera el CO2 de los gases de combustión para enriquecer los cultivos de los invernaderos adyacentes y para ser vendidos a mejores precios que los actuales. A partir de esto surge la oportunidad de resolver el problema existente de demanda de aparición de nuevas instalaciones de tratamiento de estos residuos agrícolas además de valorarlos de manera más eficiente obteniendo mayores ingresos con la misma base de insumos. Por estas razones, gracias al biogás, los desechos agrícolas que actualmente son un problema para el agricultor se convertirían en una fuente de múltiples beneficios. El diseño del proyecto contempla la construcción de una planta de biogás tecnología Dynamic Biogas (reactor de mezcla completa sin recirculación), que resulta ser la más adecuada para los sustratos seleccionados. Para un óptimo funcionamiento de la planta con un tiempo de retención hidráulica estimado de 40 días y para un volumen de 2.000 m^3 de digestores se podrán tratar 17.083 Mg de residuos anualmente. Como resultado se obtiene una planta con una potencia eléctrica firme de 107 KW además de 3.840 GJ de energía térmica por co-generación. Finalmente, el digerido producido anualmente reemplazaría el 20% de la demanda anual total de fertilizantes en los invernaderos. En cuanto a la evaluación económica, con una inversión de 2,3 millones de euros, se obtiene un valor actual neto de - 1,09 millones de euros y una tasa interna de retorno de 2,26 %. A través de la venta de energía eléctrica, energía térmica, biofertilizante, CO2 y bonos de carbono se obtienen ingresos aproximados a 274 mil euros/año. Por otra parte, los gastos y costos representan una suma alrededor de 113 mil eur/año. La amortización se cubre a los 20 años, lo cual es la vida útil de la instalación y deja el proyecto con poca holgura. No se puede asegurar la viabilidad del proyecto no solo debido a los resultados negativos de la evaluación económica sino también por los riesgos que implican el lugar de instalación y los costos de transmisión - asegurar la venta de energía térmica es muy importante -. Además, un inversionista siempre buscará proyectos con tasas internas de retorno más altas, por lo cual el gobierno tiene un rol fundamental: el de proponer incentivos económicos claros para que los inversionistas decidan invertir en este tipo de proyectos energéticos.