El gas renovable como nuevo vector energético

La Unidad Mixta de Gas Renovable es un proyecto conjunto de Gas Natural Fenosa S.D.G, Gas Natural Fenosa Engineering y el Centro Tecnológico EnergyLab que cuenta con la colaboración de EDAR Bens S.A., empresa pública supramunicipal que presta el servicio de depuración de aguas residuales en los ayuntamientos de A Coruña, Arteixo, Cambre, Culleredo y Oleiros.

Esta Unidad Mixta está cofinanciada por la Unión Europea en el marco del Programa Operativo FEDER Galicia 2014-2020 dentro del OT1 “Promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad” y al amparo de la convocatoria “Ayuda a la creación, puesta en marcha y consolidación de la unidad mixta de investigación” cofinanciada por la Axencia Galega de Innovación (GAIN).

El objetivo principal de este proyecto es aumentar el conocimiento en los procesos de producción y aplicación de biometano (gas renovable), a través de distintos ejes de actuación como son: la mejora de la producción de biogás, el desarrollo y análisis de sistemas de purificación y el uso del biometano para su inyección a red o como combustible para movilidad.

Sistemas de mejora de la producción de biogás

Dentro del primer eje, los trabajos llevados a cabo se centran en los procesos que permiten incrementar o mantener la concentración de biomasa en el interior de digestores anaerobios que presenten problemas operacionales (pérdidas de biomasa o infradimensionamiento).

Se ha evaluado el uso de partículas magnetizables que, una vez introducidas en el reactor, permiten el desarrollo de biopelículas y facilitan su recuperación para volver a introducirlas en el sistema utilizando un separador magnético. Los estudios comparativos realizados en laboratorio, llevados a cabo en dos reactores tratando el mismo residuo, muestran que tras introducir partículas de magnetita en uno de ellos se ha podido incrementar la concentración de biomasa volátil en un 40%. Este mayor contenido de biomasa permite mejorar la degradación de materia orgánica y aumentar la producción de biogás en torno a un 25%. 

De manera adicional, también se evaluará el efecto de la adición de elementos traza (hierro, cobalto, níquel) como cofactores de crecimiento que puedan ser incorporados en las propias partículas cuando se traten aguas residuales con carencias en estos compuestos.

Sistemas de purificación de biogás

El biogás generado en las instalaciones de digestión anaerobia suele presentar porcentajes en torno a un 60% de metano (CH4), lo que permite su utilización directa como fuente de energía en sistemas de generación de calor y grupos de cogeneración. Sin embargo, si su uso se quiere ampliar (inyección a red y movilidad), es necesario aumentar su concentración llevando a cabo procesos de purificación que permitan eliminar o convertir el dióxido de carbono (CO2), de forma que se obtenga biometano o gas renovable. 

En Europa, aunque existen más de 17.300 plantas de biogás, el número de plantas de purificación no supera las 500 unidades, instaladas principalmente en Alemania y Austria. A pesar de que destaca el rápido crecimiento en los últimos cuatro años, los costes asociados a plantas con un caudal inferior a 200 Nm3/h (< 10% del total) ralentizan en cierta manera su mayor implantación. Por este motivo, uno de los puntos clave del proyecto es desarrollar y evaluar sistemas de purificación, tanto físicos como biológicos, que permitan adaptarse a este tipo de plantas.

Dentro de la Unidad Mixta de Gas Renovable se optó por uno de los sectores que no solo tiene uno de los mayores potenciales de generación sino también un elevado impacto, las EDAR. La cercanía de las plantas de tratamiento de aguas residuales a los grandes núcleos urbanos posibilita abrir el abanico de usos del gas generado. Uno de los principales representantes de este sector a nivel autonómico, con una generación de en torno a 400 Nm3/h de biogás, es la EDAR de Bens. Actualmente destina cerca del 75 % de su producción a la cogeneración (65 GWh/año) contando con un excedente de unos 100 Nm3/h. 

Uno de los sistemas de purificación basado en principios físicos que más interés está despertando en el mundo del upgrading es la tecnología de membranas. Este proceso se basa en la permeabilidad selectiva de los gases presentes en el biogás a través de membranas poliméricas, lo que permite obtener una corriente enriquecida de metano. La permeabilidad del gas a través de la membrana está en función de la solubilidad y difusividad de cada componente en el material de la misma y la presión de trabajo. En estos sistemas, el dióxido de carbono pasa a través de la membrana mientras que el metano es retenido, dando lugar a un gas rico en metano y con una alta presión en un lado de la membrana y a un gas residual con dióxido de carbono a baja presión en el otro lado. 

Las plantas de purificación suelen contar con 2-3 etapas, ya que una sola no tiene la capacidad suficiente para alcanzar valores de purificación superiores al 88%. El uso de varias etapas junto con la recirculación del gas por éstas logra valores de hasta el 98%. En contrapartida, debido a la complejidad del circuito por el que debe circular el gas, se debe trabajar con presiones elevadas. 

En la fase experimental de la Unidad Mixta de Gas Renovable, se analizará la operación, rendimiento y consumo energético de una planta de purificación de membranas diseñada para producir 60 m3·h-1 de gas renovable, con el fin de demostrar su viabilidad a esta escala. Aun siendo una tecnología que se encuentra en fase comercial, será una de las primeras plantas instaladas a nivel nacional y servirá también como línea base comparativa frente al uso de otras tecnologías más experimentales como la de purificación a través de bacterias hidrogenotróficas.

Dentro de los procesos biológicos de upgrading, en los últimos años los estudios se están centrando especialmente en la etapa hidrogenotrófica de los procesos anaerobios (biometanización). En este tipo de sistemas, los microorganismos utilizan el CO2 como fuente de carbono y el H2 como fuente de energía para producir metano. La ventaja de este tipo de sistemas, frente al resto de procesos de limpieza de biogás en los que se elimina una parte del volumen, es que en el proceso de purificación el CO2 se “transforma” en CH4 por lo que el volumen de entrada de biogás y el de salida de biometano se mantiene prácticamente constante.
Bajo el concepto “power-to-gas”, el H2 necesario en el proceso se obtiene a través de electrólisis del agua utilizando energía excedente de generación renovable. De esta forma, la generación de biometano o gas renovable puede considerarse como el nuevo vector energético.

Gracias a los conocimientos adquiridos a lo largo de la experimentación en laboratorio, en la que se evaluaron distintas configuraciones de reactor, se ha realizado el diseño a implementar en la fase de experimentación de campo. En base una configuración de reactor vertical de tipo biofiltro con soportes para el desarrollo de la biomasa, el piloto de hidrogenotróficas que va a ser instalado en EDAR Bens S.A. permitirá tratar un caudal aproximado de 1 Nm3/h de biogás. El objetivo de este reactor es que sirva de laboratorio de pruebas con el fin de determinar los parámetros óptimos de funcionamiento y las posibles limitaciones de esta tecnología bajo condiciones reales de operación.

En la línea de mejorar y optimizar los procesos de biometanización de bajo coste, se está diseñando un reactor a escala laboratorio con el fin de evaluar la carbonatación acelerada como sistema de limpieza de biogás. Este proceso de purificación químico se basa en el uso de un residuo como son las cenizas de combustión, ricas en óxido de calcio, para realizar la captura del CO2 de la corriente de gas. Dentro de las líneas de investigación del centro, fruto de colaboraciones previas con Gas Natural Fenosa (Unidad Mixta Movilidad Sostenible), se evaluaron a pequeña escala cenizas obtenidas de varias fuentes: madera, concha de mejillón y gallinaza. Los resultados obtenidos mostraron que con cenizas de madera se pueden retener 30 gCO2/kg manteniendo una concentración de CO2 en el gas de salida por debajo del 10%. Adicionalmente, ya que este tipo de sistemas podría servir como etapa previa de limpieza de biogás, se pretende analizar su uso para retener parte del H2S de la corriente de biogás.

El desarrollo de nuevas tecnologías de purificación permite que el biogás, siendo fuente de energía renovable, pueda ser destinado a la producción de biometano para su inyección a red o como combustible alternativo en flotas de vehículos. 

El impacto del biometano

El desarrollo de nuevas tecnologías de purificación, con un coste más reducido y por lo tanto más accesibles, abre el abanico de posibles usos del biogás limitado hasta ahora a la generación térmica y la cogeneración. Una de las líneas prioritarias del proyecto es el análisis de la problemática asociada a la inyección a red del biometano generado, práctica casi inexistente en España, así como la del uso del gas renovable como combustible alternativo para movilidad. En este sentido, el biometano generado en las plantas piloto instaladas en EDAR Bens S.A., será utilizado tanto para su inyección a la red de gas como para el suministro de combustible para movilidad a través de la instalación de una gasinera.