En una época marcada por las preocupaciones medioambientales y la necesidad apremiante de hacer la transición hacia fuentes de energía sostenibles, el biogás emerge como una solución prometedora. El biogás, una fuente de energía renovable y limpia, se produce mediante la digestión anaeróbica de materiales orgánicos, como residuos agrícolas, restos de comida y aguas residuales. Ofrece numerosos beneficios, que incluyen la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la gestión de residuos y el suministro de una fuente de energía confiable. Este ensayo explora los orígenes del biogás, su proceso de producción, sus ventajas medioambientales y sus posibles aplicaciones, resaltando su importancia en el camino hacia un futuro más sostenible.
El concepto del biogás no es nuevo; sus orígenes se remontan a tiempos antiguos. El biogás es esencialmente una mezcla de metano y dióxido de carbono, ambos subproductos del proceso de digestión anaeróbica. Civilizaciones antiguas descubrieron el potencial de este proceso cuando observaron la liberación de gases burbujeantes en estanques y pantanos estancados. A menudo se atribuye a los chinos el primer uso documentado del biogás, que data de la dinastía Han (202 a.C. - 220 d.C.). Recogían gas de los residuos orgánicos en pozos y lo utilizaban para calefacción y cocina.
Sin embargo, el desarrollo moderno y la aplicación del biogás ganaron impulso durante el siglo XX. En la década de 1970, la crisis energética y las crecientes preocupaciones medioambientales avivaron un renovado interés en la utilización del biogás como una fuente de energía alternativa. Hoy en día, la producción de biogás ha evolucionado en un proceso sofisticado y sostenible, convirtiéndolo en una opción viable para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. (Scarlat, N., et al., 2018; Kougias, P. G., & Angelidaki, I., 2018)
Proceso de producción de Biogás
La producción de biogás implica una serie de reacciones biológicas y químicas. El material de partida principal para la generación de biogás incluye materiales orgánicos como residuos agrícolas, estiércol animal, restos de comida y lodos de depuradora (Weiland, P., 2010). Los pasos clave en el proceso de producción son los siguientes (Fig. 1):
· Recolección del Material de Partida: Los materiales orgánicos son recogidos y transportados a una planta de biogás.
· Digestión Anaeróbica: En el interior de la planta de biogás, el material de partida se somete a una digestión anaeróbica, un proceso biológico que ocurre en ausencia de oxígeno. Microorganismos, como bacterias y arqueas, descomponen la materia orgánica en compuestos más simples, liberando metano y dióxido de carbono como subproductos.
· Captura y Almacenamiento del Gas: El biogás producido se recoge y almacena en tanques de almacenamiento de gas, donde se puede guardar para su uso futuro o distribución.
· Purificación del Gas: Para eliminar impurezas y aumentar el contenido de metano, el biogás a menudo se somete a procesos de purificación. Este biogás purificado puede usarse directamente para diversas aplicaciones.
· Utilización: El biogás purificado puede utilizarse para una amplia gama de aplicaciones, que incluyen la generación de electricidad, calefacción, cocción y como combustible para vehículos.
Figura 1. Generación, producción y uso del biogás.
Fuente: https://www.treehugger.com/what-is-biogas-6828434
Proceso de producción de Biometano
El biometano, también conocido como gas natural renovable o biomethane, es un tipo de biogás purificado compuesto principalmente por metano (CH4). El proceso de producción de biometano implica una serie de etapas clave que se realizan para purificar el biogás y hacerlo apto para su uso en aplicaciones como la inyección en la red de gas natural, la generación de electricidad o como combustible para vehículos. A continuación, se detalla el proceso de producción de biometano en sus etapas fundamentales. (Ryckebosch, E., et al. 2011; Adnan, A. I., et al., 2019)
· Captura del Biogás: Una vez que se ha producido el biogás en el digestor anaeróbico, se recoge y se transporta a través de tuberías para su posterior procesamiento. El biogás es una mezcla de metano, dióxido de carbono y otros compuestos, y su calidad varía según la fuente de materia orgánica y las condiciones del proceso de digestión anaeróbica.
· Desulfurización: El biogás a menudo contiene trazas de compuestos de azufre, que pueden ser perjudiciales para la infraestructura de distribución de gas y dañinos para el medio ambiente. Para eliminar estos compuestos, se lleva a cabo un proceso de desulfurización. En este proceso, el biogás se hace pasar a través de un filtro o sistema de absorción que retiene los compuestos de azufre. Como resultado, se obtiene un biogás más limpio y apto para la etapa de purificación.
· Purificación del Biogás: La purificación del biogás es una etapa crítica en la producción de biometano. El objetivo es separar el metano del dióxido de carbono y otros gases presentes en la mezcla. Existen varios métodos para llevar a cabo esta separación, siendo el más común el proceso de absorción con solventes o la tecnología de membranas de permeación. En el proceso de absorción, un solvente se utiliza para absorber el CO2 y otros gases, dejando el metano como producto final. Posteriormente, el solvente se regenera para su reutilización. La tecnología de membranas utiliza membranas selectivas que permiten que el metano pase a través de ellas, mientras que los otros gases son retenidos. (Couturier, Ch., 2019)
· Compresión: Una vez purificado, el biometano es comprimido para aumentar su presión y densidad. La compresión es necesaria para facilitar su almacenamiento y transporte. El biometano comprimido se almacena en cilindros o tanques a alta presión y se prepara para su distribución y uso en aplicaciones específicas.
· Inyección en la Red de Gas Natural: Una de las aplicaciones más comunes del biometano es su inyección en la red de gas natural. El biometano purificado se mezcla con el gas natural convencional y se inyecta directamente en la red de gas natural. Esta mezcla es completamente intercambiable con el gas natural y se distribuye a los consumidores finales. Inyectar biometano en la red de gas natural es una forma efectiva de utilizar fuentes renovables de energía y reducir las emisiones de carbono.
Valorización del biogás
La purificación del biogás es un proceso fundamental en la producción de biometano y en la mejora de la calidad del biogás generado a partir de materiales orgánicos. El biogás, compuesto principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), suele contener impurezas no deseadas, como sulfuros, humedad y otros compuestos que limitan su aplicabilidad y calidad. La purificación del biogás implica una serie de técnicas y procesos diseñados para eliminar estas impurezas y transformar el biogás en un producto limpio y apto para su uso en diversas aplicaciones, los procesos más importantes son la Desulfurización y la Purificación del biogás.
Desulfurización con el uso de carbón activo
El uso de carbón activado en la remoción de sulfuros del biogás es una técnica efectiva y ampliamente empleada en la producción de biogás y biometano. Los sulfuros, en particular el sulfuro de hidrógeno (H2S), son compuestos indeseables en el biogás debido a su olor desagradable, corrosión de equipos y la toxicidad que presentan.
El carbón activado es un material poroso con una alta capacidad de adsorción, lo que lo convierte en una solución efectiva para eliminar el H2S del biogás. El proceso de remoción se basa en la afinidad del carbón activado por los compuestos de azufre. A medida que el biogás fluye a través de una columna de carbón activado, el H2S se adhiere a la superficie del material, lo que resulta en una reducción significativa de los niveles de sulfuro en el biogás tratado.
Este método ofrece ventajas importantes, incluyendo la simplicidad y eficiencia de la remoción de H2S, la capacidad de regenerar y reutilizar el carbón activado, y la posibilidad de aplicarlo en una variedad de escalas, desde instalaciones de pequeña a gran envergadura. La regeneración del carbón activado generalmente implica el lavado y la exposición a aire o vapor, lo que libera el H2S adsorbido y restaura la capacidad de adsorción del material.
Purificación del biogás con el uso de separación con membranas
La utilización de membranas para la separación del metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2) del biogás es una técnica eficiente y respetuosa con el medio ambiente que ha ganado relevancia en la producción de biometano y en la purificación del biogás.
Estas membranas de separación son selectivas y permiten que el metano pase a través de ellas, mientras retienen el dióxido de carbono y otros gases no deseados. El proceso de separación se basa en la diferencia en las velocidades de difusión de los componentes gaseosos a través de la membrana, donde el metano tiene una mayor velocidad de difusión que el CO2.
Las ventajas de utilizar membranas para la separación del metano incluyen la simplicidad del proceso, la eficiencia en la eliminación del CO2 y la posibilidad de operar a temperaturas y presiones moderadas. Además, las membranas tienen una larga vida útil y requieren un mantenimiento mínimo.
Este enfoque es especialmente valioso en la producción de biometano de alta calidad, donde se busca reducir las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero. El biometano purificado puede inyectarse en la red de gas natural, utilizarse como combustible para vehículos de transporte limpio o generarse electricidad con bajo impacto ambiental. (Scholz, M., et al. 2013; Ondrey, G., 2012)
Recuperación de CO2
La recuperación y licuefacción de dióxido de carbono (CO2) en el proceso de producción de biometano es un aspecto fundamental para maximizar la eficiencia y sostenibilidad de la producción de biogás y biometano. A medida que el mundo se enfoca en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la transición hacia una economía más limpia, la captura y utilización de CO2 es esencial para hacer que el proceso de producción de biometano sea aún más amigable con el medio ambiente. (Alabdulkarem, A., et al., 2012)
El CO2 es uno de los principales componentes no deseados del biogás, junto con el metano (CH4). Aunque el metano es el gas deseado en la producción de biometano debido a su valor como combustible limpio, el CO2 debe ser eliminado o recuperado para cumplir con las normativas ambientales y maximizar el valor del biometano producido. (Deng, H., et al. 2019)
La recuperación y licuefacción de CO2 implica varios pasos clave:
· Captura de CO2: En la etapa de purificación del biogás, se separa el CO2 del metano. Esto se logra utilizando tecnologías de absorción, adsorción o membranas de separación. La captura selectiva del CO2 permite su aislamiento para su posterior procesamiento.
· Compresión: Una vez capturado, el CO2 se comprime para aumentar su densidad y facilitar su manejo. La compresión es necesaria para reducir el volumen del CO2 y permitir su transporte eficiente.
· Enfriamiento y Licuefacción: El CO2 comprimido se enfría hasta alcanzar temperaturas muy bajas para su licuefacción. El CO2 se convierte en un líquido a aproximadamente -78.5 °C (-109.3 °F) a presión atmosférica. La licuefacción facilita aún más su almacenamiento y transporte.
La recuperación y licuefacción de CO2 no solo contribuye a la eliminación de un gas de efecto invernadero significativo, sino que también ofrece diversas aplicaciones beneficiosas, como su almacenamiento y transporte en tanques para su uso en aplicaciones industriales, su venta en mercados donde se demanda CO2 líquido, como la industria alimentaria, bebidas carbonatadas, refrigeración y aplicaciones médicas, y su contribución a la reducción de emisiones netas de gases de efecto invernadero al evitar que el CO2 se libere a la atmósfera. Esta estrategia es fundamental para abordar el cambio climático y avanzar hacia una economía más sostenible.
Es importante destacar que la recuperación y licuefacción de CO2 requiere inversiones en infraestructura y tecnología, pero puede proporcionar beneficios económicos y medioambientales significativos a largo plazo. Además, esta práctica es coherente con los esfuerzos para abordar el cambio climático y avanzar hacia una economía más sostenible.
Aspectos importantes
En este documento, hemos explorado varios aspectos fundamentales relacionados con el biogás y el biometano, así como su producción y purificación. Hemos analizado la importancia de estas fuentes de energía renovable y sus beneficios medioambientales, desde la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero hasta la gestión de residuos orgánicos. También se discutieron técnicas clave, como el uso de membranas y la recuperación de CO2 en la producción de biometano, que contribuyen a hacer que el proceso sea aún más sostenible.
La producción y purificación de biogás y biometano se encuentran en la vanguardia de la transición hacia una economía más sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Estas tecnologías ofrecen soluciones versátiles y eficientes para abordar desafíos ambientales y energéticos, y tienen el potencial de reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, además de mitigar el cambio climático.
La recuperación y licuefacción de CO2 en el proceso de producción de biometano es una estrategia clave para maximizar la eficiencia y la sostenibilidad de la producción de biogás y biometano. No solo permite el cumplimiento de normativas y la mejora de la calidad del biometano, sino que también ofrece oportunidades para su uso en diversas aplicaciones y contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, en línea con los objetivos de sostenibilidad y mitigación del cambio climático
A medida que continuamos avanzando hacia un futuro más limpio y sostenible, la inversión en la producción de biogás y biometano, junto con técnicas innovadoras de purificación y captura de CO2, se vuelve esencial para lograr nuestros objetivos de reducción de emisiones y una matriz energética más diversificada. La adopción de estas tecnologías representa un paso significativo en la dirección de un mundo más verde y sostenible, donde los recursos naturales se utilizan de manera más eficiente y se protege el medio ambiente.
REFERENCIAS
Scarlat, N., Dallemand, J. F., & Fahl, F. (2018). Biogas: Developments and perspectives in Europe. Renewable energy, 129, 457-472. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.03.006
Kougias, P. G., & Angelidaki, I. (2018). Biogas and its opportunities—A review. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 12(3), 1-12. DOI: 10.1007/s11783-018-1037-8
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Ryckebosch, E., Drouillon, M., & Vervaeren, H. (2011). Techniques for transformation of biogas to biomethane. Biomass and bioenergy, 35(5), 1633-1645. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.02.033
Adnan, A. I., Ong, M. Y., Nomanbhay, S., Chew, K. W., & Show, P. L. (2019). Technologies for biogas upgrading to biomethane: A review. Bioengineering, 6(4), 92. DOI: 10.3390/bioengineering6040092.
Scholz, M., Melin, T., & Wessling, M. (2013). Transforming biogas into biomethane using membrane technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 17, 199-212. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.08.009
Ondrey, G. (2012). THE BIOGAS BOOM. Chemical Engineering, 119(7), 15. Disponible en: https://www.chemengonline.com/the-biogas-boom/
Alabdulkarem, A., Hwang, Y., & Radermacher, R. (2012). Development of CO2 liquefaction cycles for CO2 sequestration. Applied Thermal Engineering, 33, 144-156. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.09.027
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Couturier, Ch. (Jan 15, 2009) Techniques of power production from biogas and syngas. Extended abstract; Techniques de production d'electricite a partir de biogaz et de gaz de synthese. Rapport final + synthese. France. Disponible en: https://www.osti.gov/etdeweb/biblio/22535416