Introducción a la cadena de valor de la producción de biometano

El biometano como alternativa a la e-movilidad

¿Cómo ir de A a B de forma relajada y sin dañar el clima? El primer pensamiento sugiere hacerse con un coche eléctrico. Sin embargo, para producir las baterías se necesitan tierras raras como el disprosio o el neodimio. También hay que utilizar otros elementos como el litio o el cobalto para producir las baterías. Por regla general, estos elementos escasean y además tienen proveedores problemáticos, como China para las tierras raras o el Congo para el cobalto. (Dicks, 2020)

¿Y ahora qué?

¿Existe alguna alternativa que sea respetuosa con el medio ambiente y ahorre tiempo al repostar?

La respuesta es un rotundo SÍ. El combustible se llama biometano. En este artículo se explica qué es exactamente el biometano, cómo se produce y qué pasos son necesarios para llegar al producto final.

Dicks, H. (9 de diciembre de 2020). Biometano: un combustible atractivo para la transición de la movilidad.

Etapa nº 1 : Granja de cultivo/producción de biometano

Origen del biometano

Esto plantea la siguiente pregunta: ¿cómo convertir el estiércol de las granjas y las materias primas renovables en combustible respetuoso con el medio ambiente?

En primer lugar, los residuos, los NaWaRo, los purines/estiércol y los materiales de desecho de las explotaciones agrícolas de origen y de producción son recogidos por recolectores, en su mayoría comerciantes o proveedores, y transportados a la planta de biogás. Este paso se muestra en la Figura 1.

Figura 1 : 1er paso en la cadena de valor (agriportance GmbH, 2022)

Procesos en la planta de biogás

En ella tiene lugar la fermentación de estas sustancias. Durante la formación de metano, los microorganismos descomponen la materia orgánica en un entorno sin oxígeno (anaeróbico), liberando biogás. Se trata de una mezcla gaseosa saturada de vapor de agua, que consiste esencialmente en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Otros componentes, además del vapor de agua, son gases traza como el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el sulfuro de hidrógeno y el amoníaco. En las plantas de biogás y de gas de depuradora se aplican técnicamente estos procesos de fermentación anaerobia y se produce biogás que puede utilizarse para producir energía con la mayor eficiencia posible.

Grob puede explicar las fases del proceso de la planta de biogás en cuatro pasos:

Hidrólisis: En el primer paso de la formación de metano, las bacterias aerobias en particular descomponen sustancias orgánicas complejas como proteínas, carbohidratos o grasas en moléculas individuales con la ayuda de enzimas. Estos productos incluyen aminoácidos, ácidos grasos o azúcares.
Acidogénesis: Inmediatamente después, las bacterias anaerobias facultativas formadoras de ácido se encargan de la degradación posterior en la fase de acidificación, principalmente a hidrógeno, dióxido de carbono, ácidos grasos y alcoholes. En el caso de sustratos ricos en aceites y grasas, en esta fase también se produce H2S y NH3.
Acetogénesis: Los productos de la acidogénesis son degradados posteriormente en la acetogénesis por bacterias formadoras de ácido acético. Se produce ácido acético, CO2 y H2.
Metanogénesis: El metano, el CO2 y el agua se forman a partir de ácido acético, CO2 y H2 con la ayuda de arqueas hidrogenotróficas y metanogénicas. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Estos procesos se muestran de nuevo en la Figura 2.

Figura 2: Degradación anaeróbica de materia orgánica a biogás (fermentadores G, bacterias acetogénicas AB, bacterias homoacetogénicas HAB, oxidantes de acetato sintrópicos SAO, metanógenos acetoclásticos AM, metanógenos hidrogenotróficos HM) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energía a partir de la biomasa. Springer.

Etapa nº 2 : Transformación posterior en biogás y posterior inyección en la red de gas natural

Pasos del proceso biogás a alimentación

Para producir biometano a partir del biogás, hay que purificar la mezcla de gases. Esto ocurre en las plantas de mejora del biogás. Este paso de la cadena de valor se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Paso 2 en la cadena de valor del biometano (agriportance GmbH. (Junio de 2022.) Taller_THG_Balancing_V.0.1.12.)

Para el tratamiento se utilizan varios procesos, como el lavado con aminas, la adsorción por cambio de presión o el lavado con agua a presión (DWW):

Lavado con aminas

En el caso del lavado con aminas como proceso de absorción química, la depuración es similar a la del lavado con agua a presión. En este caso, el biogás fluye a través de una solución de amina y agua en contracorriente a una presión ligeramente mayor, por lo que el CO2 reacciona con la solución de lavado y pasa a ella. La solución de amina alcanza una carga mayor que el agua, lo que reduce la cantidad de agente de lavado que tiene que circular. El aire de escape sólo contiene pequeñas cantidades de metano, por lo que no suele ser necesario limpiar los gases pobres. Se recomienda una desulfuración fina para mantener la capacidad de lavado a largo plazo. El lavado con aminas consume mucha energía, ya que se necesitan grandes cantidades de calor de proceso para la regeneración de la solución de aminas. (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015)

Lavado a presión

El proceso DWW utiliza la diferente solubilidad del metano y el dióxido de carbono en agua a presiones variables. El biogás previamente comprimido fluye a través de la columna de absorción de abajo hacia arriba. Suele diseñarse como un reactor de lecho de goteo en el que el agua atraviesa el gas en contracorriente. De este modo, se disuelven los componentes básicos y ácidos del biogás, especialmente el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, y se separan el polvo y los microorganismos. El gas purificado sale de la columna con una pureza de entre 90 y 99 vol.% de metano. Además de CO2, el aire de escape contiene aproximadamente 1 vol.% de metano, que debe separarse mediante un tratamiento de gas pobre. En comparación con otros procesos de separación de CO2, la demanda de electricidad es elevada debido a la circulación del agua de lavado y a la necesaria compresión del biogás. No es necesario el secado preliminar del gas. (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015)

Adsorción por oscilación de presión

En la adsorción por cambio de presión (DWA), las mezclas de gases se separan por adsorción en carbones activados, tamices moleculares o tamices moleculares de carbono. Antes de la DWA, es necesario secar, desulfurar finamente y comprimir el biogás. A continuación, el gas enfriado y deshidratado fluye a través del adsorbente (tamiz molecular o carbón activado), sobre el que se adsorbe el CO2. A continuación, el gas producto rico en metano se expande y se dirige a una segunda columna donde se repite la adsorción con la introducción de aire ambiente. La regeneración del adsorbente se realiza reduciendo la presión con ayuda de una bomba de vacío. El gas rico en CO2 extraído aún contiene metano, por lo que debe ser alimentado a un postratamiento de gas pobre. (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015)

Requisitos para la inyección de biometano

Sin embargo, el biometano purificado mediante estos procesos debe cumplir varios requisitos antes de poder introducirse en la red de gas natural:

Contenido energético: Los requisitos de contenido energético se definen mediante el índice de Wobbe, que se utiliza para caracterizar la calidad de los gases combustibles mediante combustión controlada. Debe situarse entre 11-13 kWh/m3 para el gas L y entre 13,6-15,7 kWh/m3 para el gas H.
Contenido de sulfuro de hidrógeno: El contenido de sulfuro de hidrógeno (H2S) debe reducirse a 5 mg/m3.
Densidad relativa: La densidad del gas debe estar comprendida entre 0,55-0,75 kg/m3

En teoría, todas las plantas de biogás pueden inyectar su biometano producido a partir de biogás en la red de gas natural. En la práctica, la construcción de la planta de alimentación y de los gasoductos a la red de gas debe ser comprobada por el respectivo operador de la red. Dado que los costes de construcción de las plantas de inyección y de las tuberías deben correr a cargo de los volúmenes de gas vendidos, la inyección sólo suele tener sentido para las que están situadas cerca de la red de gas natural. Para la inyección de biometano en la red de gas natural y su uso como combustible, las directrices de la DVGW y la DIN definen los ratios correspondientes. Por lo tanto, antes de que el biometano pueda introducirse en la red de gas natural, debe alcanzar la calidad de gas natural requerida en el lugar correspondiente. Estas calidades varían de una región a otra, especialmente en lo que respecta al poder calorífico y la presión requeridos. (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015)(agriportance GmbH. (Junio 2022). Taller_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

El biometano ya purificado y que cumple los requisitos puede ser utilizado por el consumidor.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Fundamentos técnicos y metodológicos del balance de GEI del biometano . DBFZ.

agriportance GmbH. (junio de 2022). Taller_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.

¿Para qué sirve exactamente el biometano?

Como se ha descrito al principio, el biometano puede utilizarse para el transporte. Incluso si el mundo del automóvil se vuelve más eléctrico: El gas natural o GNC es y sigue siendo una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que la gasolina y el gasóleo. Sin embargo, la oferta de modelos de vehículos es limitada (coches nuevos con equipamiento de GNC/GNC "de fábrica": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) y la red de gasolineras es ampliable (Figura 4). Al igual que el petróleo y el carbón, el gas natural es una materia prima orgánica combustible. Se compone de aproximadamente 85% de metano. Existe gas natural comprimido (GNC) y gas natural licuado (GNL). Este último se licua a menos 164 grados Celsius y sólo se utiliza en vehículos comerciales. El combustible más común para los turismos es el GNC gaseoso. El biogás también se utiliza cada vez más en las gasolineras. Se almacena en el vehículo en depósitos con una presión de funcionamiento de 200 bares. En Alemania hay unas 820 estaciones de servicio que ofrecen GNC. El biogás es una variante especialmente respetuosa con el medio ambiente. Aumentando el contenido de metano, puede alcanzar el nivel de calidad del gas natural. Ese biometano es apto sin restricciones como combustible para vehículos de gas natural. En muchas estaciones de servicio de gas natural de Alemania ya se ofrece biometano puro o mezclado con gas natural como combustible. (ADAC, Gas natural/GNC: ¿una conducción con futuro?, 2022)