Además de los recursos hídricos, eólico, solar y geotérmico, la biomasa y su transformación en biogás, también es una fuente de energía renovable. La cuota porcentual de la bioenergía en la generación bruta de electricidad en 2020 fue del 7,8 %, según Statista. Para el suministro de energía renovable, la biomasa ofrece la posibilidad de una mayor expansión.
¿Qué es el biogás?
El biogás es un gas combustible producido por la fermentación de biomasa en plantas de biogás. En la práctica, en función de los sustratos de base (maíz, cereales, estiércol, etc.), se forman los componentes principales del biogás: metano y dióxido de carbono, así como otros gases de composiciones diversas. Además, el metano es un eficiente transportador de energía y se quema en presencia de oxígeno para formar dióxido de carbono y agua.
Relación entre el biogás y la biomasa
La biomasa es la materia prima utilizada para producir biogás a través de la digestión anaeróbica. Esta relación entre la biomasa y el biogás destaca la importancia del aprovechamiento de los recursos orgánicos para generar energía renovable y reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
¿Cómo se produce el biogás?
el biogás se produce a través de un proceso llamado digestión anaeróbica, en el cual microorganismos descomponen materiales orgánicos en ausencia de oxígeno. Estos materiales orgánicos pueden ser residuos agrícolas, estiércol, restos de alimentos, entre otros. Durante este proceso, se generan principalmente metano y dióxido de carbono, formando el biogás.
Para producir biogás se utilizan materias primas renovables o materiales de desecho. Se trata de cultivos energéticos, biorresiduos y restos de comida, pero también estiércol líquido y estiércol. Además de generar electricidad, el biogás puede mejorarse hasta alcanzar la calidad del gas natural. Por tanto, puede utilizarse con poco esfuerzo utilizando la infraestructura existente (red de gas natural).
¿Se puede considerar como una energía renovable?
Sí, el biogás se considera una fuente de energía renovable. Esto se debe a que se produce a partir de la descomposición de materia orgánica, como residuos de alimentos, estiércol de animales, lodos de depuradoras de aguas residuales y otros materiales biodegradables.
A diferencia de los combustibles fósiles, que son finitos y liberan carbono almacenado en la Tierra durante millones de años, el biogás es una fuente de energía sostenible y renovable.
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Ventajas y desventajas
Como toda fuente de energía renovable, el uso del biogás tiene muchas ventajas frente al uso de otras energías, pero también tiene desventajas. Veamos los pros y los contras del uso del biogás.
Ventajas del biogás
- Fuente de energía renovable y sostenible.
- Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
- Aprovechamiento de residuos orgánicos.
- Versatilidad en su uso (electricidad, calor, combustible).
- Promoción de prácticas agrícolas sostenibles.
Desventajas del biogás
- Costos iniciales de inversión.
- Requiere gestión y mantenimiento adecuados.
- Variabilidad en la producción según la fuente de materia orgánica.
- Puede requerir tratamientos para eliminar impurezas.
- Dependencia de la disponibilidad de materia prima.
Las plantas de biogás, las instalaciones en las que se produce el biogás
A continuación nos centraremos en el lugar en el que se produce esta energía renovable y ecológica.
¿Qué es una planta de biogás?
Una planta de biogás es una instalación diseñada para producir biogás a partir de la fermentación anaeróbica de materia orgánica, como residuos agrícolas, estiércol, desechos de alimentos, residuos sólidos urbanos y otros materiales orgánicos. El proceso de fermentación anaeróbica es llevado a cabo por microorganismos, como bacterias y arqueas, que descomponen la materia orgánica en un ambiente sin oxígeno, produciendo biogás como subproducto.
Estructura
La estructura de una planta de biogás depende del tipo de materia prima utilizada y del tamaño de la planta, pero en términos generales, consta de las siguientes secciones:
- Recepción y almacenamiento de la materia prima: los residuos orgánicos se reciben, almacenan y trituran para facilitar su digestión.
- Digestión anaerobia: los residuos orgánicos se fermentan en un tanque cerrado y sin oxígeno, llamado reactor anaerobio, donde son descompuestos por bacterias en biogás y digestato.
- Tratamiento del biogás: el biogás producido en el reactor se somete a un proceso de limpieza para eliminar impurezas, como agua, dióxido de carbono y otros gases.
- Almacenamiento y distribución: el biogás limpio se almacena en tanques y se distribuye para su uso como combustible en sistemas de calefacción, generación de electricidad, transporte, entre otros.
- Tratamiento del digestato: el residuo sólido que queda después de la fermentación, llamado digestato, se separa del líquido y se puede utilizar como fertilizante en la agricultura.
Plantas de biogás en España
La producción de biogás ha experimentado un crecimiento significativo en los últimos años en España, gracias al aumento de la conciencia ambiental y la necesidad de diversificar la matriz energética. Actualmente, existen alrededor de 200 plantas en España, que generan una potencia eléctrica total de 250 MW.
En España, estas plantas se encuentran principalmente en las regiones agrícolas y ganaderas, donde hay una gran cantidad de residuos orgánicos disponibles, como el estiércol, los purines, los restos de cosechas, entre otros. Estas plantas se utilizan para producir biogás, que se puede utilizar como combustible para la generación de electricidad y calor.
Las plantas de biogás más importantes de España son las de Bens (Galicia), Murcia, Granada (Andalucía), Montcada (Cataluña) y la de Valladolid (Castilla y León).
En España, las plantas de biogás son reguladas por la Ley de Fomento de las Energías Renovables y la Eficiencia Energética, que establece un marco legal y financiero para el desarrollo de este tipo de instalaciones. También existe la Asociación Española de Biogás.
Composición del biogás
Los componentes del biogás en orden de mayor a menor proporción son el metano, el dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno, nitrógeno, amoníaco, hidrógeno y sulfuro de hidrógeno.
- El metano es el componente que se produce en una planta de biogás con mayores beneficios para la producción de energía. Como CH4, el carbono está presente en su forma más reducida. En combinación con el oxígeno, la sustancia se oxida y proporciona energía hasta que se convierte en dióxido de carbono y agua.
- El dióxido de carbono deja de proporcionar energía, ya que es el compuesto de carbono más oxidado.
- El vapor de agua es un componente, al igual que el CO2, que ya no puede proporcionar energía mediante la oxidación.
- El amoníaco (NH3) y el sulfuro de hidrógeno (H2S) se encuentran entre los componentes gaseosos indeseables. El sulfuro de hidrógeno, en particular, está presente en todo biogás en cantidades cuantificables y suele estar en el intervalo de 0 a 1.500 ppm (10.000 ppm corresponden a 1 vol.%). Aquí encontrará información básica sobre los rangos de medición de ppm y vol.%.
Lo ideal es una alta concentración de metano y una baja concentración de sulfuro de hidrógeno.
Factores que afectan a la calidad de esta energía renovable
Humedad
La humedad no es esencialmente el gran problema. Más bien, las sustancias nocivas presentes en la humedad pueden provocar daños en válvulas, cojinetes y conductos en la zona del motor durante la utilización del gas. En los resultados de las pruebas se encontraron los siguientes ingredientes nocivos:
Los valores indicados son ejemplos medidos en una planta de de este tipo y pueden variar de una planta a otra. Los valores indicados son ejemplos medidos en una planta de biogás y pueden variar de una planta a otra.
La cantidad de humedad contenida en el biogás depende de la temperatura del gas. En el fermentador, el biogás está saturado de vapor de agua. Si se reduce la temperatura del biogás, parte del vapor de agua se condensa en consecuencia y puede separarse así del flujo de gas.
La deshumidificación del biogás puede realizarse con la ayuda de unidades de refrigeración eléctricas o tuberías de gas enterradas.
Sulfuro de hidrógeno
El sulfuro de hidrógeno se produce por la degradación de los compuestos ricos en proteínas del sustrato. La concentración de este gas suele oscilar entre 0 y 1.500 ppm (10.000 ppm corresponden a 1 vol.%). Por un lado, este compuesto agresivo provoca la corrosión de los componentes de la planta. Por otro lado, la combustión en la cogeneración produce dióxido de azufre, que a su vez provoca la corrosión de los accesorios y del motor.
La mayor parte de los fabricantes de unidades de cogeneración y calderas fijan límites de sulfuro de hidrógeno que no deben superarse para evitar daños por corrosión.
Como norma general, el biogás debe desulfurarse para mantener la concentración lo más baja posible.
¿Cómo reducir el nivel de sulfuro de hidrógeno en el biogás?
1 – Aporte de oxígeno
Añadiendo oxígeno al sustrato, es posible convertir el sulfuro de hidrógeno en azufre elemental y reducir así la concentración. Este método es una práctica habitual en las plantas de biogás agrícola. Con este método es importante un control regular. Esto significa que también debe garantizarse un suministro de oxígeno suficiente al final de la sección de flujo para evitar que aumente la concentración debido a la formación de sulfuro. Sin embargo, el contenido de oxígeno tampoco debe ser demasiado alto, ya que esto puede provocar la corrosión de los componentes de la planta y las bacterias productoras de metano trabajan mejor en ausencia de oxígeno.
2 – Sulfato ferroso
La adición de sulfato de hierro provoca la unión del sulfuro de hidrógeno, lo que a su vez conduce a una disminución de la concentración. La base de la unión del H₂S mediante sales de hierro es la gran afinidad del hierro hacia los sulfuros. Independientemente de la forma de unión o valencia en la que se encuentre el hierro, la formación de sulfuro de hierro (FeS) siempre se produce en presencia de sulfuros. Debido a la baja solubilidad del FeS, pueden excluirse reacciones competitivas con otros componentes del agua.
3 – Filtro de carbón activo
El biogás se hace pasar por un carbón activo especial. Los componentes predominantes, metano y dióxido de carbono, pasan a través del carbón activo. El sulfuro de hidrógeno es convertido en azufre e hidrógeno por el carbón activo mediante una reacción química, por lo que no causa ningún daño al motor y garantiza así la menor tasa de averías posible. El tiempo que el carbón activo es capaz de convertir el ácido sulfhídrico depende de la concentración de H₂S y del caudal de biogás.
Detección y mediciones de biogás en plantas de biogás
La tecnología de infrarrojos más avanzada permite medir concentraciones muy bajas (rango de ppm) de hasta 100 vol.% de metano y CO₂. Los sensores electroquímicos para oxígeno y sulfuro de hidrógeno también permiten determinar estas concentraciones.
Se cubren los siguientes rangos de medición:
Metano: 0-100 vol.% CH4
Dióxido de carbono: 0-100 vol.% CO₂
Oxígeno: 0-25 vol.% O₂ (opcional)
Sulfuro de hidrógeno: 0-2.000 ppm H₂S (opcional)
Tras seleccionar la opción de menú para la medición de biogás, comienza la fase de ajuste del sensor. Sólo dura unos 25 segundos y debe realizarse siempre en aire ambiente fresco. Después de la fase de ajuste del sensor, la unidad muestra los valores medidos actuales. Estos deben ser «0» en aire fresco (excepción O₂ y CO₂). Para obtener resultados exactos durante la medición, se utilizan tubos y adaptadores sin defectos. Las conexiones estancas al gas desde el punto de medición hasta el dispositivo de medición impiden que el aire ambiente falsee los resultados de la medición.
Un dispositivo móvil de medición de gas para analizar biogás le ofrece la posibilidad de realizar mediciones en varios puntos de la planta de biogás. Las mediciones precisas en puntos de medición seleccionados facilitan la evaluación de medidas para optimizar la planta.
Seleccionamos diferentes puntos de medición. Realizamos la primera medición con nuestro GOLIATH en la protección contra sobrepresión y depresión del fermentador. Realizamos otra medición antes y después del filtro de carbón activado. Es útil para controlar la saturación del carbón activo.