Retos del biogás y el biometano

Retos del biogás y el biometano. En este post, analizamos las tecnologías para afrontar dichos retos, al tiempo que impulsando desde la tecnología a un sector en crecimiento para un futuro descarbonizado y circular.

La generación de biogás y biometano es un sector en crecimiento. Según la Asociación Europea de Biogás (EBA), la producción europea supera actualmente los 200 TWh y se espera que se duplique en 2030 y que sobrepase los 1600 TWh en 2050, lo que supondría un 40% del consumo actual de gas de la Unión Europea.

La bioenergía juega un papel importante en la descarbonización por ser una fuente renovable con capacidad de ser almacenada a bajo coste. Esto ofrece flexibilidad al sistema energético permitiendo la generación de electricidad limpia en momentos de baja generación solar y eólica. Además, puede ser utilizada como fuente de energía térmica a alta temperatura, lo que la hace muy interesante para sectores intensivos como el cementero o el del acero. En concreto, el biometano puede sustituir al gas natural sin necesidad de modificar los sistemas de distribución ni los equipos de combustión. De esta manera, puede ser utilizado en el sector residencial, en la industria y, también, en movilidad, especialmente en el transporte pesado y marítimo.

El biogás es un verdadero facilitador de la economía circular que permite desarrollar conceptos urbanos y rurales circulares e integrados, optimizando el uso de sus recursos. La idea es producir biogás a partir de residuos orgánicos y aguas residuales tanto urbanas como industriales. Combinar la gestión de residuos con la producción de energía renovable a través del biogás reduce las emisiones de metano de almacenamientos abiertos de deyecciones ganaderas y de vertederos. En la Unión Europea, son algunas de las mayores fuentes de emisiones de metano. Lo que es de especial relevancia en regiones, como Aragón, con una alta concentración de explotaciones ganaderas.

RETOS DEL BIOGÁS

Los principales retos del sector pasan por reducir el coste del biogás e incrementar la sostenibilidad del proceso. Estos serían algunos de los desafíos:

• Incrementar la ratio de generación de biogás de los diferentes residuos orgánicos y la capacidad de utilizar nuevos tipos de residuos, como los lignocelulósicos.
• Ser capaces de adaptar el proceso a residuos locales y baratos.
• Mejorar la eficiencia energética minimizando la valorización del biogás como fuente de energía térmica a baja temperatura, es decir, minimizando la cantidad de biogás que se utiliza en la propia planta para mantener la temperatura del digestor.
• Optimizar el aprovechamiento de los subproductos como los nutrientes que integran el digestato o el CO₂, en caso de generación de biometano.

Los principales grupos de residuos que se utilizan para la digestión anaerobia son los lodos de depuradora, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU), y biorresiduos agroindustriales tanto animales (los residuos de matadero), como vegetales. También se puede generar biogás a partir de aguas residuales. Los residuos lignocelulósicos, como la paja o los restos de poda, tienen un alto potencial para la producción de biogás. Sin embargo, debido a su estructura, presentan una gran resistencia a la degradación biológica y es necesario el desarrollo de pretratamientos adecuados para su aprovechamiento en plantas de biogás.

La capacidad de generación de biogás de los diferentes sustratos es diversa. En codigestión, es decir, cuando se utilizan varios tipos de residuo a la vez, determinar la dieta óptima no es trivial y depende de la disponibilidad de sustratos de la zona. Dependiendo de los residuos de que se disponga en el enclave de la planta, su cantidad e incluso la estacionalidad de estos, se debe determinar la dieta o dietas más favorables. Será aquella que con la que se obtenga una mayor conversión a biogás, con una composición adecuada, es decir, una fracción de metano suficiente.

La eficiencia de los digestores anaerobios depende también de las condiciones de operación y de un uso adecuado de la energía. Una mezcla adecuada mantiene los sólidos en suspensión y homogeneiza el sustrato y la comunidad microbiana activa, facilitando, además, la evacuación del gas generado. Los digestores consumen energía térmica para mantener una temperatura adecuada, utilizando como fuente el propio biogás generado. Este consumo de calor es a baja temperatura, entre 35ºC y 55ºC, por lo que el uso de combustible es energéticamente ineficiente, ya que se podrían utilizar otras fuentes de calor de menor calidad, por ejemplo, calor residual. La integración de flujos de energía y una operación eficiente son claves para lograr un proceso sostenible económica y ambientalmente.

El principal subproducto de las plantas de biogás es el digestato. Se utiliza principalmente como fertilizante orgánico ya que aporta nutrientes, como nitrógeno, fósforo y potasio, y microbiota. En comparación con el uso directo de purines, el digestato es un fertilizante más limpio y con mayor grado de asimilación porque la digestión anaerobia mineraliza la materia orgánica de los purines. Sin embargo, es fundamental un uso adecuado del digestato para evitar posibles efectos adversos como la eutrofización.  Estrategias como la separación las fracciones líquida y sólida para usos específicos, o los tratamientos avanzados que permiten la extracción de los principales nutrientes, facilitan una aplicación apropiada y sostenible. Actualmente, la tendencia es buscar nuevos usos no agrícolas del digestato para mejorar la rentabilidad de las plantas y dar salida al digestato que el mercado no es capaz de absorber como fertilizante.

SOLUCIONES TECNOLÓGICAS

La mayoría de estos retos se traducen en necesidades de desarrollo tecnológico. Para afrontarlos es importante conocer y comprender los diferentes procesos de pretratamiento, digestión, acondicionamiento del biogás y upgrading en su caso. Este conocimiento facilita el desarrollo de nuevos equipos y permite su correcta integración en las plantas. Además, es imprescindible para optimizar la operación y lograr una generación de biogás técnica, económica y medioambientalmente sostenible. Algunas de las tecnologías de las que se puede hacer uso para dar soporte y acelerar los proyectos de I+D en generación de biogás y biometano tienen que ver con la digitalización.

La monitorización de los equipos y las plantas nos ofrece información valiosa. Requiere de la instalación de sensores para medir los parámetros clave, un repositorio adecuado para el almacenamiento de datos y un sistema capaz de analizarlos y extraer la información más relevante. A veces, la monitorización de una variable presenta dificultades técnicas. En algunos casos, el desarrollo de sensores virtuales nos permite estimar de manera precisa los parámetros que no pueden ser medidos con sensores comerciales. Por ejemplo, se podría medir la homogeneidad de la mezcla de sustratos, microorganismos o aditivos, integrando la información de los sistemas de agitación y de los procesos fluidodinámicos.

La tecnología de inteligencia artificial permite analizar los datos de monitorización para transformarlos en información útil para la toma de decisiones. Su aplicación abarca desde la detección de situaciones anómalas y generación de alertas, hasta la predicción del funcionamiento y prescripción de estrategias de operación. Los gemelos digitales son representaciones virtuales de procesos reales que se construyen a partir de datos y/o modelos teóricos. Un ejemplo de aplicación de gemelo digital de una planta de generación de biogás o biometano sería la optimización de su funcionamiento para diferentes escenarios de disponibilidad de residuos o sustratos.

Los modelos avanzados de simulación detallada integran el conocimiento teórico sobre los fenómenos físicos que tienen lugar en un proceso. Ofrecen un conocimiento minucioso de lo que está pasando en un equipo o componente determinado, lo que permite entender su funcionamiento y proponer mejoras en el diseño o la operación. Las técnicas numérico-experimentales combinan estos modelos con ensayos de laboratorio en los que se puede aislar los fenómenos de interés. De esta manera, se puede analizar el efecto de modificar la dieta o añadir un aditivo de manera controlada en un entorno de laboratorio y determinar su efecto en el digestor real integrando la información experimental en el modelo de simulación detallada del equipo.

Otra de las aplicaciones estaría relacionada con el desarrollo de nuevos diseños de equipos para pretratamiento de residuos, digestión o acondicionamiento del biogás y purificación a metano en su caso. En concreto para dar soporte al escalado desde las plantas de laboratorio, pasando por los pilotos y hasta la escala industrial. El uso de metodologías específicas facilita y acelera el diseño, desarrollo y escalado a tamaño industrial de nuevos conceptos.

En ITA somos conscientes de los desafíos a los que se enfrenta el sector del biogás y el biometano para crecer de manera sostenible, contribuyendo a una industria circular y descarbonizada. Estamos trabajando de manera multidisciplinar para dar soporte a los retos apoyándonos en nuestra experiencia en digitalización, inteligencia artificial, gemelo digital, sensores virtuales, simulación avanzada, escalado y técnicas numérico-experimentales que se apoyan en nuestro laboratorio de procesos biológicos.

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Autora: Ana Martínez Santamaría amartinez@ita.es