Introducción a la cadena de valor de la producción de biometano

El biometano como alternativa a la e-movilidad

¿Cómo sería ir de A a B sin dañar el clima? Lo primero que se nos ocurre es comprar un coche eléctrico. Sin embargo, para fabricar 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 fabricar las baterías. Estos elementos suelen escasear y además tienen proveedores problemáticos, como China para las tierras raras o el Congo para el cobalto (Dicks, 2020).

¿Y ahora qué?

¿Existe una alternativa respetuosa con el medio ambiente y que ahorre tiempo a la hora de 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.

Paso nº 1: Cultivo/producción de biometano

Origen del biometano

Aquí surge la pregunta: ¿Cómo se produce este combustible respetuoso con el medio ambiente a partir de estiércol (purines/estiércol) y materias primas renovables?

En primer lugar, los residuos, las materias primas renovables, los purines/estiércol y los materiales de desecho procedentes de granjas y productores son recogidos por recolectores, normalmente comerciantes o proveedores, y transportados a la planta de biogás. Este paso se ilustra en la Figura 1.

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

Procesos en la planta de biogás

En esta planta 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). Además de vapor de agua, otros componentes incluyen gases traza como nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y 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.

Los pasos del proceso de la planta de biogás pueden explicarse a grandes rasgos en cuatro etapas:

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 y azúcares.
Acidogénesis: Inmediatamente después, las bacterias anaerobias facultativas formadoras de ácido en la fase de acidificación se encargan de la degradación posterior, principalmente a hidrógeno, dióxido de carbono, ácidos grasos y alcoholes. En el caso de las subespecies ricas en aceites y grasas, en esta fase también se produce H2S y NH3.
Acetogénesis: Los productos de la acidogénesis se descomponen aún más en la acetogénesis por bacterias productoras de ácido acético. Se forma ácido acético, CO2 y H2.
Metanogénesis: Se forma metano, CO2 y agua 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). energy from biomass. springer.

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

Etapas del proceso desde el biogás hasta la alimentación a la red

Para producir biometano a partir de biogás, la mezcla de gas debe purificarse. Esto se lleva a cabo en las plantas de procesamiento de biogás. Este paso de la cadena de valor se ilustra en la Figura 3

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

Para el procesamiento 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 lavado con aminas, como proceso de absorción química, la depuración es similar al lavado con agua a presión. Aquí, el biogás fluye a una presión ligeramente mayor a través de una solución de amina y agua en contracorriente, 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 detergente que es necesario hacer circular. El aire de escape sólo contiene pequeñas cantidades de metano, por lo que no suele ser necesaria la depuración de 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 regenerar la solución de aminas (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015).

Lavado con agua a presión

El proceso DWW utiliza la diferente solubilidad del metano y el dióxido de carbono en agua a distintas presiones. El biogás previamente comprimido fluye a través de la columna de absorción de abajo hacia arriba. Normalmente se diseña como un reactor de lecho de goteo en el que el agua fluye a través del gas en contracorriente. Esto permite disolver los componentes básicos y ácidos del biogás, especialmente el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, y separar el polvo y los microorganismos. El gas purificado sale de la columna con una pureza del 90 al 99% de metano en volumen. Además de CO2, el aire de escape contiene aproximadamente un 1% de metano en volumen, que debe separarse mediante un tratamiento de gas pobre. El consumo de electricidad es elevado en comparación con otros procesos de separación de CO2 debido a la circulación del agua de lavado y a la compresión de biogás necesaria. No es necesario secar previamente el gas (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015).

Adsorción por oscilación de presión

En la adsorción por oscilación de presión (PSA), las mezclas de gas se separan por adsorción en carbones activados, tamices moleculares o tamices moleculares de carbón. 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 canaliza hacia una segunda columna en la que se repite el proceso de adsorción con la introducción de aire ambiente. La regeneración del absorbente se realiza bajando la presión con ayuda de una bomba de vacío. El gas rico en CO2 extraído aún contiene metano y, por tanto, debe alimentarse a un postratamiento de gases pobres (Braune, Naumann, Postel y Postel, 2015).

Requisitos para la alimentación de biometano

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

Contenido energético: Los requisitos de contenido energético vienen definidos por 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: La proporción de sulfuro de hidrógeno (H2S) debe reducirse a 5 mg/m3.
Densidad relativa: La densidad del gas debe situarse entre 0,55-0,75 kg/m3.

En teoría, cualquier planta de biogás puede alimentar la red de gas natural con el biometano producido a partir del biogás. En la práctica, la construcción de la planta de alimentación y las tuberías a la red de gas deben ser comprobadas por el operador de la red correspondiente. Dado que los costes de construcción de las plantas de inyección y de las tuberías deben correr a cargo de las cantidades de gas vendidas, la inyección sólo tiene sentido, por lo general, en plantas situadas cerca de la red de gas natural. Las directrices DVGW y DIN definen los ratios correspondientes para alimentar la red de gas natural con biometano y utilizarlo como combustible. Por lo tanto, antes de que el biometano pueda alimentar 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, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (Junio de 2022). Taller_THG_Balancing_V.0.1.12.)

El biometano ya purificado y que cumple los requisitos ya 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 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.

¿Para qué puede utilizarse 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 puede ampliarse (Figura 4). Al igual que el petróleo y el carbón, el gas natural es una materia prima orgánica combustible. Está compuesto por un 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 GNC gaseoso se utiliza sobre todo en turismos. 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 gasolineras que ofrecen GNC. El biogás es una variante especialmente respetuosa con el medio ambiente. Aumentando el contenido de metano, puede alcanzar el mismo nivel de calidad que el gas natural. Ese biometano es apto como combustible para vehículos de gas natural sin restricciones. El biometano ya se ofrece como combustible puro o mezclado con gas natural en muchas estaciones de servicio de gas natural de Alemania (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022).