De la mierda al metano; el biogás, el patito feo de las renovables

Tenía una cuenta pendiente con el foro, cuenta que voy a tratar de saldar con este breve texto sobre el biogás, campo en el que desempeño mi actividad investigadora (me doctoré hace ya unos cuantos años) y gracias al cual alcancé recientemente una posición como profesor titular de universidad. Voy a dividir la entrada en dos capítulos para facilitar su digestión y dar pie a que se pueda resolver cualquier duda o curiosidad de esta primera andanada más centrada en el funcionamiento del proceso de formación del biogás. Intentaré añadir una segunda entrada antes de que acabe el año, (como difusión del conocimiento esto también forma parte de mi trabajo) con datos y números que permitan disponer de una visión a nivel instalación (micro) y cifras globales (macro) para comprender la repercusión que puede alcanzar este biocombustible (spoiler: no va a cambiar el mundo, pero sí puede mejorarlo un poquito).

Comenzando por el final, quería destacar el protagonismo al que está predestinado el biogás en los años y décadas venideros en un escenario como el actual, en el que cuidar del planeta se antoja como una labor imprescindible e inexcusable. Ahora que tan en boca de todos se encuentran conceptos como sostenibilidad, descarbonización o economía circular, voy a tratar de hacerles ver porqué el biogás es un perfecto aliado para el cumplimiento de estos fines.

Y ahora sí, recomenzado por el principio: ¿qué es el biogás? el biogás no es más que el producto gaseoso resultante de un proceso biológico denominado digestión anaerobia (DA). En este proceso, materia orgánica es degradada por varios grupos de microorganismos resultando como producto final de la descomposición un gas que se compone mayoritariamente de metano y dióxido de carbono. Podemos decir que el biogás es metano sucio. Dependiendo del uso que se le vaya a dar al biogás requerirá mayor o menor limpieza (upgrading).

Aunque se trata de un proceso que se da en la naturaleza de manera espontánea, no ocurre bajo cualquier circunstancia. Se requiere de un ecosistema anaerobio (ausencia de oxígeno), presencia de materia orgánica biodegradable y un consorcio de microorganismos, contacto entre ambos y unas condiciones ambientales adecuadas para que los microorganismos implicados en las reacciones bioquímicas puedan hacer lo que más les gusta, trabajar. Estas condiciones ambientales no son especialmente rebuscadas, a estos microorganismos les gusta el calor (el rango óptimo de temperatura para este tipo de proceso se encuentra entre los 35 y los 55ºC), un pH que no se aleje mucho de la neutralidad (6-8), que en el medio haya cantidades suficientes de macro y micro nutrientes así como ausencia o presencia en concentraciones muy bajas de compuestos tóxicos para las bacterias. Este ecosistema al que me refería es lo que conocemos como reactor o digestor anaerobio, que no es otra cosa que un recipiente con una serie de adaptaciones (tuberías para la entrada y salida de material y gas generado, calefacción, agitación, sensores para monitorizar el proceso…) para que el proceso pueda suceder. No hay que ser muy avispado para encontrar cierta similitud entre un digestor y un estómago y resto de componentes de un sistema digestivo que recibe alimentos y los transforma en energía y nuevas células.

En este punto conviene identificar las fuentes de materia orgánica (al que conocemos por substrato -feedstock en inglés-), que son susceptibles de ser sometidas a un proceso biológico como éste. Al tratarse de un proceso biológico, estas fuentes de materia orgánica tienen que ser biodegradables (biomasa vegetal o animal, -el sol, sí-). No hay que darle muchas más vueltas, nos sirve prácticamente todo lo que proceda de la agricultura y la ganadería (todo tipo de biomasa relacionada con la alimentación), y otros sectores en cuyas industrias se empleen materias primas también procedentes de los cultivos, como podría ser la industria de la celulosa o el tabaco, grasas con diversas aplicaciones, etc. Históricamente la DA se ha venido aplicando en el tratamiento de residuos y aguas residuales (materia orgánica residual), de hecho siempre se ha asociado el biogás a los purines de vacas y cerdos.

Así empecé yo, y ahí sigo; trabajando con mierda más de veinte años. Podría contarles infinidad de anécdotas vividas con los detritos animales, su transporte y su estudio a diferentes escalas. También debo decir que prefiero trabajar con mierda de vaca o de cerdo que con mierda humana. Compañeros míos más especializados en la depuración de agua residual urbana han tenido que vacunarse contra todo tipo de enfermedades infecciosas por estar en contacto con la miseria humana. Yo nunca he tenido esa necesidad con mis vaquitas. Sigo frecuentando ganaderías, pero también he trabajado con todo tipo de residuos orgánicos. Este es un sector en el que los substratos suelen ser un tanto nauseabundos (actualmente estoy trabajando con lodos de industria láctea y el olor que desprenden es algo asquerosamente complicado de describir), pero hace poco trabajé en un proyecto con una destilería local cuyos residuos olían de maravilla.

Como decía, el pasado y especialmente el futuro de esta tecnología pasa por aprovechar los recursos contenidos en residuos. Lo matizo porque los cultivos energéticos (mayormente maíz ensilado) también han sido una fuente de biomasa para la producción de biogás, principalmente en Alemania, primer productor mundial de biogás agroindustrial. En realidad, cualquier alimento nos sirve para producir biogás, pero eso es algo que carece de sentido. No creo que una tecnología como ésta deba prestarse a la producción de biocombustibles de primera generación (en realidad no creo que los biocombustibles de primera generación sean necesarios).

Biocombustibles de primera generación

Son los provenientes o hechos por medio de azúcar, almidón o aceite vegetal, que están contenidos en infinidad de materias como lo son: el jugo de la caña de azúcar, granos de maíz, jugo de remolacha o betabel, aceite de semilla de girasol, de soya, de palma, de ricino, de semilla de algodón, de coco, de maní o cacahuate, entre otros. También se emplean como insumos a las grasas animales, grasas y aceites de desecho provenientes de la cocción y elaboración de alimentos. Fuente Wikipedia.

Volviendo a los substratos, tenemos materiales líquidos como las aguas residuales, semilíquidos como los purines animales y sólidos como los residuos de alimentos. Aquí surgen diferentes tipos de reactores en función de la manejabilidad física de los substratos (y otros factores más complejos de describir así de sopetón). Y es que no es lo mismo manejar un agua, que un purín (slurry en inglés, no hay una palabra en castellano tan clarividente como ésta) o un sólido (piensen por ejemplo en los restos de alimentos que tiran a la basura en casa, esos restos de pescado, pollo, peladura de patata, los macarrones sobrantes, etc.).

Un ejemplo de digestor muy sencillo para poder ilustrarles sería cualquier estercolero de los que podemos encontrar en toda ganadería intensiva. En un principio me podrían acusar de haberles engañado ya que antes les he dicho que un digestor requiere de sistemas de agitación, de calefacción y que además debe estar cerrado para evitar la entrada de aire, dado que nuestro proceso sólo tiene lugar en ausencia de oxígeno. Y en efecto, así es. Lo que ocurre en cualquier estercolero como el de la foto es que funciona como un digestor con bastantes deficiencias, siendo la principal que el gas generado se escapa a la atmósfera.

En la foto de más abajo podemos apreciar el aspecto que tiene el típico digestor agroindustrial que responde a la tecnología CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor).

Como pueden observar, responde a la descripción que les he dado previamente: recipiente cerrado (estanco), sistema de tuberías, con calefacción y agitación (aunque no se vea) y con una cúpula que funciona a modo de gasómetro, donde se almacena parte del gas generado con la finalidad de hacer de pulmón y poder gestionar el posterior aprovechamiento energético del biocombustible.

Una forma de tratar los residuos sólidos en este tipo de reactores es convertirles en una especie de papilla, diluyéndolos con agua y triturándolos para favorecer su fluidez (slurry). Y una de las ventajas de la tecnología radica en que podemos mezclar diferentes tipos de residuos y lograr sinergias entre ambos, unos aportan las carencias de otros. La típica planta de biogás agroindustrial se alimenta de una mezcla de purines y residuos orgánicos. Estos últimos se trituran, se mezclan con los purines y forman el substrato. Sin entrar en grandes detalles, los purines aportan estabilidad al proceso mientras que los residuos orgánicos aportan mayores cantidades de materia orgánica y en consecuencia mayor potencial de producción de gas y metano. Una especie de diversificación entre substratos.

Foto extraída de: La planta de biogás de Tuero alcanza el 140% de su producción nominal - Energías

En cuanto al funcionamiento de este tipo de reactor, responde a lo que en ingeniería de procesos denominados sistema en continuo: todos los días entra alimentación al digestor, lo cual a su vez implica que todos los días sale esa misma masa (flujo másico) en forma de gas y material digerido del digestor. Como dice el dicho popular, las gallinas que entran por las que salen, que es a lo que viene a responder un balance de materia. Si en un día el digestor es alimentado con 100 toneladas (t) de mierda eso significa que el material digerido más el gas generado que sale del digestor tiene que sumar esas 100 t diarias. Esto es algo que suele crear confusión entre aquellos que nunca han tenido experiencia con el biogás, pueden llegar a pensar que toda la mierda que entra al digestor se transforma en metano y por arte de magia la mierda desaparece y problema resuelto. Ojalá, pero esto no funciona así. El resultado global del proceso de digestión anaerobia es el biogás ya comentado y el material digerido, denominado digestato, un biofertilizante con excelentes cualidades agronómicas. Actualmente es más un problema que una bendición, pero creo que en futuro cercano las tornas pueden girarse y formar parte de esa economía circular que mencioné al principio del texto.
Para que se hagan una idea, si un digestor como el de la foto recibe 100 t diarias de mierda, la cantidad de digestato diaria obtenida puede rondar entre 90 y 95 t al día (esto ya depende de las condiciones de operación y de que tipo de mierdas se estén utilizando como substrato o alimento del digestor). Esto es fácil de entender con un dato adicional que les voy a aportar ahora: este tipo de digestores requieren que el substrato sea bombeable y con unas características tal de fluidez que trabajan con contenidos en materia seca (MS) del substrato inferiores al 12-15%. Esto significa que más del 85% de lo que entra al digestor es agua. Mayores contenidos de MS crearían problemas operaciones (mezcla pobre, atascos, estratificaciones, etc.) en el digestor.
Otra pregunta que puede surgir a este respecto es sobre las cantidades o flujos que puede tratar uno de estos digestores o si le podemos cambiar la dieta de repente. Sobre la capacidad de un digestor podemos simplificarlo con un parámetro denominado tiempo de retención hidráulico (TRH) que es el tiempo que la porquería permanece dentro del digestor antes de abandonarlo. Aunque no es el parámetro de diseño fundamental, es el más visualizable. Suele situarse en los 30 días, así que si vamos a alimentar un digestor con 100 t al día (100 m3 / día aprox.), nuestro digestor debería tener unos 3000 m3 de volumen (30 d x 100 m3/d). En cuanto a la dieta, en esto las bacterias son un poco más caprichosas. Tienen capacidad de adaptación, pero también sus limitaciones. Necesitan un entrenamiento para alcanzar la capacidad de diseño del digestor, hay que aumentar progresivamente el flujo másico diario al digestor hasta que llegue el momento en el que la población que habita el digestor sea capaz de procesar los flujos de materia orgánica para los que fue diseñado. Es como prepararse para una maratón, el primer día no se corren los 42 km de golpe. Una vez que el digestor alcanza el régimen de proceso proyectado conviene no tocarle mucho las narices a las bacterias. Con esto quiero decir que la rutina es nuestra aliada a la hora de operar un artefacto de estos y que todos los días sean lo más parecidos en lo referente a temperatura y alimentación evitarán desequilibrios que pongan en peligro la integridad del proceso.

No todos los digestores funcionan según esta tecnología CSTR, los de aguas residuales son una maravilla de la ciencia basados en los descubrimientos del profesor Gazte Lettinga allá en la década de los 70 y se vienen aplicando en diferentes tipos de industrias alimentarias y química para el tratamiento de sus aguas residuales.

Hace apenas quince años surgió en Alemania el primer prototipo de un nuevo concepto de digestor, el digestor tipo garaje. Este reactor tiene la ventaja de que puede procesar substratos sólidos sin pretratamiento previo alguno ya que no van a estar en contacto con partes móviles como agitadores o bombas. Les dejo un vídeo de Bekon, una compañía alemana pionera en el desarrollo de esta tecnología para que vean de donde viene lo de digestor tipo garaje. Cada vez hay más plantas de este tipo por el mundo.

El funcionamiento de este tipo de reactor se basa en “duchar” a la masa de residuos con un líquido que contiene los microorganismos propios del proceso para favorecer el contacto entre las bacterias y el substrato y la humectación. Ese líquido (percolado) se filtra a través de la masa de residuos, se drena, se almacena en un depósito (tanque o reactor de percolado) y vuelve a ser regado. Este tipo de proceso es de tipo batch o discontinuo, lo que quiere decir que el reactor se alimenta por cargas, no todos los días. Para garantizar una producción estable de gas se requieren varios digestores que funcionen de forma secuencial. La principal ventaja de estos reactores es que si entrase una piedra de 50 kg con la porquería no causaría ningún daño en la instalación, simplemente sería un volumen no aprovechado en el digestor.


Fuente: BEKON | Innovative Biogas technology & Biogas plants | BEKON

Hace unos pocos años conseguí financiación para construir dos juguetitos a escala laboratorio de este tipo de reactor. He experimentado en estos reactores con residuos de cafetería y con bagazo de cerveza y la única pega es que lleva tanto tiempo el trabajo en el laboratorio que llega un momento en el que se hace incompatible con la docencia. Pero eso ya es otro tema. Les adjunto un par de fotos (antes y después) para que vean de lo que son capaces las bacterias. Tengan en cuenta que los residuos de cafetería venían a tener algo así como un 82% de humedad que acabó en el percolado.

Al inicio del proceso:

Al final del proceso:

Para finalizar con esta primera toma les resumo los beneficios que aporta esta tecnología:

Economía circular (waste to energy): Producción de energía renovable multifuncional neutra en carbono a partir de residuos. Tengan en cuenta que el biogás generado se puede utilizar in-situ para producir electricidad y calor en motores de cogeneración, pero también se almacenar y transportar. Se puede depurar (upgrading) para uso como carburante en vehículos o inyectar en la red de gas natural (biometano). Y creo que ya hay alguna planta en la que se licua este biometano, lo que sería el bio LNG.

Reducción de emisiones de metano: precisamente hace poco surgió la demonización del metano (Cambio climático - nº 121 por Yordomo) en el hilo sobre cambio climático. Esos estercoleros no cubiertos y esos residuos orgánicos no del todo bien gestionados son emisores de metano a la atmósfera.

Por deformación profesional me duele más ver como toda esa energía se pierde en la atmósfera.

El digestato: Ha sido uno de los grandes problemas de las plantas de biogás. Hay que dar una salida a los materiales digeridos. Y qué mejor salida que su uso como fertilizante orgánico. No tiene el contenido en macronutrientes (N, P, K) de los fertilizantes minerales, pero puede reemplazarlos en parte. Y eso tiene muchas implicaciones, demasiadas. Las ambientales son evidentes, los fertilizantes minerales requieren mucha energía (en particular los nitrogenados) para su fabricación. Ahí lo dejo, los fabricantes de fertilizantes pueden percibirlo como una amenaza (si es que no lo han hecho ya).

Esta sería la visión global. La próxima toma, ya con cifras trataré de mostrar que en ningún caso el biogás va a cambiar el mundo ni suponer ninguna revolución. Pero sí que creo que se ha abierto una ventana y que en poco tiempo pueda dejar de ser un desconocido para la población en general.

Espero haber despertado su curiosidad, no haberles aburrido y haberles traslado la información en un lenguaje comprensible para todos los públicos.

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Que alegria que se vean post así por estos lares. Es un tema que investigué dado que cuento en mi entorno con suficientes cabezas de porcino como para pensar en un proyecto de cierta envergadura y es un auténtico problema el deshacerse de todo ese purín.
Me he preguntado siempre cuándo llegaría la tecnología que permitiera comprar una planta “llave en mano” y ponerse a producir. Primero una planta piloto y posteriormente escalar. Pero por lo que leo aún estamos lejos de ese punto y sigue estando en desarrollo que es donde lo dejé

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No puedo especificar mucho, porque estoy fuera
De casa con la cabeza en muchas cosas importantes, pero existe un empresa que hace trabajos de forma circular también.
Seaboard.
Cultivo de grano, producción de carne de cerdo, transporte y producción de energía para reciclar en el propio proceso.

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En este sector tengo conocimientos muy básicos, pero sí que conozco una empresa noruega que se dedica a fabricar equipamiento para mejorar la eficiencia de las plantas de biogas/biometano. Fundamentalmente con el sistema Synolys para poder obtener mayor cantidad de gas, así como, aprovechar los residuos como biocarbón, más para la mejora de la fertilidad del suelo. La principal mejora de ese sistema es que permite aprovechar residuos vegetales (lignocelulosa) para la producción de biogas. Aquí hay un video con una pequeña presentación de su proceso: Solutions - WAI Environmental Solutions

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Dice la WIKIPEDIA :

Atmospheric methane is an important greenhouse gas with a global warming potential 25 times greater than carbon dioxide.

¿ Tiene futuro PRODUCIR MAS METANO ?

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Por cierto, en mis contactos con el sector, me sorprendió lo carísimos que son los equipamientos usados en esta industria y lo difícil que son de rentabilizar sin ayudas públicas.

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Como ha comentado @Fernando8751 eso ya existe, hay unas cuantas compañías en Europa que se dedican a ello y en España alguna que otra. La tecnología convencional ya es muy madura y robusta. Le pongo un ejemplo de microplanta llave en mano:

Lo que ocurrió es que mientras el biogás crecía en toda Europa, a principios de siglo en España se incentivó la cogeneración con gas natural para el secado térmico de purines, una chapuza. Instalaciones que se pagaban solas quemando gas y vendiendo la electricidad a la red a muy buen precio y utilizando el calor de la cogeneración para deshidratar los purines de las granjas de porcino. Estas instalaciones se fueron al traste con las subidas de precio del gas natural y la retirada de los incentivos, creo que cerraron todas hará unos 7-8 años, tras el R.D 413/2014. Además mientras el sector crecía en el resto de Europa, al calor de incentivos en la retribución del kwh generado (también hay que decirlo), en España eso no se hizo y por eso apenas tenemos dos o tres decenas de plantas de biogás en España mientras que en el resto de Europa hay unas 10.000.

Otro problema de esta tecnología es la economía de escala. Los números no salen en instalaciones pequeñas y las instalaciones grandes necesitan mover muchas toneladas de mierda al día para funcionar. Conseguir la mierda no es un problema, pero dar salida a todo ese digestato sí lo es.

En la próxima entrada aportaré cifras para explicar todo esto. Simplemente un dato del año 2008: por entonces los productores españoles de biogás pedían al gobierno una retribución de 0,18 € / kwh y no hubo manera. Eso frenó en seco el desarrollo de las plantas biogás en España mientras se disparaba en el resto de Europa. Como decía en el texto la situación ha cambiado mucho respecto a entonces, se junta una reducción en los costes fruto del avance de la tecnología, un nuevo escenario en que reducir las emisiones de gases de efecto invernadero se se ha vuelto ineludible y una crisis energética (la de los 70 del siglo pasado impulsó el desarrollo del biogás en Dinamarca y Holanda, países precursores de los avances científicos en esta materia).

Esto hay que cogerlo un poco con pinzas, añadir una pirólisis incrementa los costes notablemente y sólo será eficaz en substratos con escasa bioaccesibilidad, como los que menciona (materiales fibrosos). En residuos con alta biodegradabilidad, como los residuos de alimentos, no va a doblar la producción de biogás ni de lejos. En el caso de los purines hay tan poca chicha que rascar que dudo mucho que pudiera salir rentable el salto tecnológico. Hay más tipos de pretratamientos, como el steam explosion, que poco a poco se están incorporando a la escala industrial. Se trata de pre-tratamientos para facilitar a las bacterias su trabajo, es como si nos dieran la comida recubierta de una capa de metal, nuestro estómago no podría acceder al alimento. Esto es lo que se consigue con este tipo de pretratamientos en materiales lignocelulósicos.

No se trata de producir de metano, se trata de evitar que llegue a la atmósfera y de paso transformarlo en CO2 mediante su combustión y aprovechar la energía que contiene. Es un ciclo neutro en carbono, CO2 + H2O + la radiación solar (uv) produce biomasa vegetal, esa biomasa acaba como residuo y obtenemos CH4 de ese residuo para quemarlo, obtener energía y devolverlo a la atmósfera como CO2.

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Gracias por el post!

Con la subida del precio del gas y pensando que en el futuro los precios no son bajos tenemos un problema con los fertilizantes.

En su opinión ¿Con este panorama no se facilita la salida del digestato?

Por otro lado ¿qué futuro le va al tratamiento de aguas residuales de grandes poblaciones?

Y para terminar y perdón por abusar, ademas del beneficio medioambiental ¿qué retorno sobre la inversión ofrecen estos proyecto?

De nuevo, Gracias!

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Sí, es uno de los frentes abiertos que comentaba en el texto inicial. La filosofía de esta tecnología es la de exportar los nutrientes (por medio del digestato) desde las zonas con excedentes a regiones deficitarias. Pero hay un pequeño problema, el digestato tiene mucho agua. Esto hace que sea una opción viable en regiones donde se mantiene un equilibrio entre ganadería y agricultura y el transporte no es una limitación; incluso se podría contemplar la creación de redes de tuberías para transportar el digestato líquido. Cuando el producto tiene que llegar más lejos, es necesario procesar el digestato para concentrarlo (y así disminuir su volumen) y fabricar un fertilizante orgánico u organomineral para su comercialización. Esto precisa de más instalaciones y maquinaria (procesos de separación y concentración) con sus incrementos de costes, etc. Y también habría que ver cómo se lo tomarían los potenciales clientes, hay cierta estigmatización hacia el uso de estos materiales como fertilizantes. Creo sinceramente que es algo que está por llegar de manera paulatina en el corto o medio plazo, porque como comenta, la situación se ha puesto de cara para que esto suceda.

Las tendencias actuales son tres:

  1. Reducir la cantidad de fangos generados y mejorar la eficiencia energética en las depuradoras, precisamente por medio del biogás.

Esto es algo complicado de explicar sin entrar en tecnicismos. Se conseguiría con una agua residual algo más concentrada, mejorando la separación de los fangos (lodos) e implantando la digestión anaerobia de los fangos en todas las grandes EDAR para transformar la contaminación del agua residual en energía por medio del biogás. Precisamente ahora he comenzado la dirección de una Tesis Doctoral en la que vamos a estudiar el tratamiento anaerobio del agua residual urbana a temperatura ambiente (no de los fangos) para producir directamente el biogás desde el agua y no desde el fango. Por aportar un dato, toda la materia orgánica biológica que llega a los retretes españoles contiene aproximada 8500 GWh térmicos, unos 450 millones de euros (ahora algo más con las nuevas tarifas).

  1. Recuperación de nutrientes a través de los biosólidos (los fangos digeridos)

Esto es como lo de los digestatos pero con una dimensión adicional. Cuando se elimina el nitrógeno del agua residual urbana se consume energía para enviarlo a la atmósfera. Y cuando se produce un fertilizante mineral nitrogenado se consume mucha energía para captar ese nitrógeno de la atmósfera y fijarlo en el fertilizante. Es algo que no tiene mucho sentido y que visibiliza mejor el potencial de los digestatos como biofertilizantes.

  1. Mejorar los rendimientos de depuración de los contaminantes emergentes.

Los contaminantes emergentes son los metabolitos que excretamos tras consumir medicamentos y que acaban en las aguas residuales. También los medicamentos que se tiran por el retrete. Hace no mucho se observó que las depuradoras convencionales eran poco eficaces en la eliminación de estos compuestos.

Gracias a usted.

Supongo que se refiere al TIR o al VAN. La parte de negocio es la que peor llevo, lo mío son los cacharros. No es ninguna panacea, creo que su función es otra, una infraestructura medioambiental como una depuradora. Los retornos no son ninguna maravilla, de lo contrario habría muchísimas plantas de biogás en España.

Los ingresos son variables y la casuística es demasiado amplia.

  • Venta de electricidad (si es posible se puede vender el calor sobrante de la cogeneración, pero no suele ser lo habitual).
  • Cobro por gestión de residuos.
  • Reducción emisiones CO2
  • Venta de fertilizante.

Le preguntaré a la empresa con la que estoy colaborando ahora a ver que me dicen. De hecho alguna vez lo hemos hablado pero no le he prestado demasiado atención a las cuentas.

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Solo darle la enhorabuena por compartir muchos años de trabajo y hacerlo de una manera tan sencilla, @Lotas .

Los cambios que veremos durante la siguiente década en sistemas energéticos a nivel de nuestro día a día creo que van a ser notables. Tiene que ser sin duda apasionante poder estar varios pasos por delante y participar del estado embrionario de la tecnología.

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Sí, pero sin llegar a un número, una forma fácil de saber la rentabilidad es la procedencia del dinero, si es público de momento no se ve rentable y si es privado con sinergias tampoco mucho, cuando realmente es rentable es cuando entran nuevos agentes dinero que elige este sector por ser económicamente mejor que otras opciones.

Por otro lado hay un mundo aquí, desde pequeñas instalaciones en granjas a proyectos piloto mucho más ambicioso, algunos hasta con algas:

https://www.all-gas.eu/en/home

Muchas gracias por su exposición.

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No me cansaré de decirlo, y es que todo miembro del foro sabe de algo siempre y mucho, que los demás no.

Me alegro que al final se haya animado @Lotas a traernos este interesante tema. Ya ha podido observar la reacción de todos los miembros y lo que les ha gustado su hilo.
La gente piensa que aquí sólo hay que hablar si “se sabe” de inversiones y es todo lo contrario.
Mil gracias por traernos algo de este estilo, que ha sido más que interesante.
Aprovecho para animar a todo aquel que aún no ha intervenido a que se anime a enseñarnos algo y así, aprenderemos algo de nuevo, nuevo.

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Vamos con la segunda y última entrada del hilo en la que intentaré aportar datos y cifras que permitan tener una visión numérica del asunto.

Le agradezco su comentario, por deformación profesional siempre intento utilizar el vocabulario más adecuado en función de la audiencia. Audiencia que en este foro es sencillamente espectacular. Por otro lado me otorga un protagonismo que no me corresponde, como decía @camacho113 cualquier persona de este foro tiene grandes historias que contar y seguro que muchos tienen vidas laborales bastante más apasionantes que la mía.

Volviendo al asunto, en primer lugar conviene hacerse una idea de la cantidad de biogás y metano que se puede obtener de la mierda y de otros residuos o substratos. Como cuestión básica inicial, cualquier material está compuesto por agua y materia seca. Y la materia seca puede ser orgánica o inorgánica. De cara a la producción de biogás, sólo la materia orgánica puede ser transformada y además debe de ser biodegradable y bioaccesible para los microorganismos.

Disclaimer: estamos a finales de año y la neurona pide tregua, no puedo garantizar que todos los números que vienen a continuación sean correctos (que se me puede haber ido algún cero de más o menos en las cuentas).

Comenzando por la mierda, los purines animales vienen a tener un 90% de agua, por lo que su potencial de generación de biogás y metano está limitado. Sin entrar en grandes detalles podemos establecer un potencial de unos 20 litros de metano por kg/litro de purín de calidad tirando a buena. Si tenemos en cuenta que una vaca lechera produce unos 50 kg de purín al día, el potencial de la mierda que produce en un día una vaca estaría en aproximadamente 1 m3 CH4 al día, unos 360 m3 de metano al año. Si tenemos en cuenta el PCI del metano (10 kWh/m3), lo que se obtendría de la mierda de una vaca vendrían a ser 3600 kWh (térmicos)/año. Pueden pasar esos kWh a € (ojo, que son térmicos) y hacer cuentas.

Como ven la densidad energética no es ninguna maravilla, de un kg de mierda se pueden obtener 0,2 kWh de energía primaria por biometanización, el equivalente a unos 25 mL de gasolina.
Puede parecer poco, pero si multiplicamos por el factor cabezas de ganado la cosa se puede ver desde otra perspectiva.

En cuanto a vacas de leche, el último censo en España nos da unos 800.000 cabezas.

Si pudiéramos aprovechar el purín de todas esas vacas de más de 24 meses podríamos producir 800.000 m3 de metano al día, unos 8000 MWh (térmicos) de electricidad al día. Para las vacas de carne la producción no dista mucho, producen menos mierda, pero al estar la mierda más concentrada, el potencial de producción de metano es similar. En el caso de los cerdos es algo menor.
Obviamente interesa disponer de otros materiales, preferiblemente residuos, que aporten mayores fuentes de materia orgánica para aumentar el volumen de metano generado por cantidad procesada. Muchos de los residuos procedentes de industrias alimentarias cumplen con este papel y podemos alcanzar “fácilmente” mezclas de purín con residuos que alcancen potenciales en torno a 40 L CH4 por kg de mezcla. Con esto se consigue que una instalación doble su producción de metano con el mismo coste. Si la instalación trata exclusivamente residuos de alimentos (Food Waste) se pueden alcanzar cifras cercanas a los 60-70 L CH4 / kg de residuo.

A los pocos años de haber acabado yo mi Tesis, apareció el primer estudio serio sobre el potencial de generación de biogás agroindustrial en España, unos 8.000 millones de m3 al año. España tiene un potencial de generación de biogás agroindustrial de 8.000 millones de metros cúbicos al año - EcoDiario.es

Yo siempre he creído creo que el potencial es superior, y para muestra un botón. En este artículo más actual, un especialista en el área como Xavier Flotats (estuvo en el tribunal de mi Tesis) ya cifra ese potencial en algo más de 11.000 m3/año (lo he calculado a partir de la información que aporta).

Como lo que nos interesa del biogás es el metano, me he permitido el lujo de estimar un porcentaje del 65% en este cálculo y pasarlo a masa, lo que nos daría 5,1 millones de toneladas anuales de metano.

Llega un momento en el que nos perdemos con estas cifras, demasiados ceros. Lo podemos comparar con la capacidad de carga de un metanero. Utilizando la información que aparece en el enlace de prensa, si un metanero de media transporta 165.000 m3 de GNL, con una densidad de 460 kg/m3, esto serían 76.000 toneladas de metano (no es 100% metano, pero asumamos que sí a efectos prácticos).

Igual ahora podemos mirar con otros ojos al biogás tras comprobar que en España existe un potencial para generar metano renovable equivalente al que podría transportar uno de estos metaneros en 67 viajes, lejos eso sí de las 238 descargas que se llevaron a cabo en 2020 según el artículo. Ya avisé de que el biogás no iba a cambiar el mundo, pero su combinación con otras fuentes de energías renovables y no renovables sí que puede resultar clave. Y además no debemos perder de vista las otras dos funciones de la tecnología dentro de la economía circular: reducir emisiones de gases de efecto invernadero y el famoso digestato y su potencial uso agrícola a nivel macro.

Veamos, por ejemplo, las cifras reales (no potenciales) de la industria biogasera alemana (primera potencia mundial en biogás). Datos actualizados en 2019:

  • 9000 plantas de biogás.
  • Producción de 10.000 millones de m3 de biogás anuales: casualmente el potencial que tenemos en España. Ellos utilizan mucho cultivo energético, es un modelo más de fábrica de biogás que de gestión de residuos.
  • 7 GW eléctricos instalados.
  • 31,3 TWh eléctricos producidos anuales.
  • 16,7 TWh térmicos producidos anuales.

Conviene añadir que el 90% del biogás generado se utiliza para la producción combinada de electricidad y calor en unidades de cogeneración (CHP), pero ya disponen de 230 plantas de biometano, en las que al biogás se le quita el CO2 para obtener en un gas similar al gas natural. Y esta es la tendencia actual, que el biogás acabe siendo utilizado como el gas natural (inyección en la red y ya veremos si como carburante).

Y como se les fue un tanto la flapa con los cultivos energéticos (3/4 de la energía obtenida a partir del biogás en Alemania proviene de los cultivos energéticos), ahora están incentivando la producción de biogás a partir de purines (principalmente) y biorresiduos.

En cuanto a la economía de un planta de biogás, que preguntaba @autoinmune. Creo que ya comenté que hay un alto componente de economía de escala. Las plantas pequeñas salen más caras, o dicho de otra forma más lentas en su amortización. Aquí les dejo una gráfica al respecto.

coste planta biogás
Fuente: Biogas en España: mucho potencial y ningún interés – Magnus Commodities

En cuanto a tamaños de planta lo más habitual eran las plantas de 500 KWe, a partir de esa potencia se reducía la retribución por venta del kWh. A modo de curiosidad la planta de biogás más grande España (y creo que del sur de Europa) es la de Caparroso, que viene a tener unos 3 MWe de potencia instalada y procesa unas 600 t de mierdas varias al día (no sé si la ampliaron hace poco). Una ganadería de vacuno de leche grande (600-800 cabezas) podría dar para una planta de unos 100 kWe. Si se añaden residuos orgánicos se podría duplicar esa capacidad.

Aquí un artículo de prensa de hace un par de años en el que ya empezaba a sonar fuerte el biometano.

La tecnología está haciendo posible un abaratamiento en el upgrading del biogás y el coste de refinamiento del biogás ya está en torno a 1-2 céntimos el kWh (también hay componente de escala).

En cuanto al coste de la producción del biogás, depende de los factores ya mencionados (substratos empleados, tamaño de la instalación…), pero les dejo esta vieja gráfica de un investigador danés de hace ya más de veinte años.

He preguntado a mi contacto en el mundo de la empresa y me ha dado periodos de retorno para el proyecto que tienen en marcha y al que les doy soporte tecnológico desde la uni. Me comenta que con el tamaño de planta de la primera fase que tienen prevista (planta pequeña, unas 70 t/d) el retorno es de unos 9-10 años, mientras que con el resto de fases (planta grande, unas 275 t/d) el retorno sería de 5-6 años.
En estos cálculos los únicos ingresos que han considerado son por venta de biometano y por gestión de residuos (lodos, por los purines los ganaderos no pagan - bastante tienen ya). Ni subvenciones ni ingresos por venta de digestato, ni por reducción de emisiones de CO2. También me comentaba que tenían esta semana una reunión con una de las grandes compañías de energía nacionales al que pretenden vender el biometano y que el precio de venta es bastante más elevado que cuando hicieron los cálculos. Y esto es un asunto muy importante porque aunque ya hemos visto que hay otros factores, los ingresos por venta de energía a partir del biogás han sido decisivos en el desarrollo de la tecnología. A modo de anécdota pongo este enlace de hace unos años. El biogás se ha expandido notablemente en el Reino Unido en la última década, llegó a suceder algo tan disparatado como que un ganadero ingresase más dinero por el biogás que generaba la mierda de sus vacas que por la leche.

Y últimamente estoy viendo como llegan paracaidistas de todo tipo al sector, lo cual no es que me haga especial gracia, pero viene a confirmar que el sector está caliente. Dicho todo esto, ¿Dónde veo el futuro del sector? En cuanto al biogás, creo que la tendencia será la del upgrading a biometano, cada vez se utilizará menos para generar electricidad y en cuanto a su grado de implantación ojalá podamos ver un día que este biometano alcanza un peso del 10% respecto al gas natural, no sé si para 2030 o más adelante. Yo creo que es un objetivo sensato y razonable.

Supongo que me habré dejado cuestiones importantes en el tintero, pero la neurona ya no da para más a estas alturas.

Aprovecho para desearles Feliz Navidad a todos.

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@Lotas me acordé hoy de su estupendo post sobre el biogás en el artículo de hoy de El País:

No entiendo como la normativa española permite que se contaminen los acuíferos con los desechos de las macrogranjas, y no se regule el uso y transformación ecológica hacia el biogás, tal como Vd. explicó.

Agradeceré sus comentarios, reciba un saludo.

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Gracias por sus palabras. Se agradece el feedback.

Respondiendo a su duda, la normativa española (transposición de normativa europea) no permite que este tipo de actividades contaminen los acuíferos. Tenemos por un lado la directiva nitratos y su transposición al derecho español por medio del R.D. 261/96 sobre protección de las aguas contra la contaminación producida por los nitratos procedentes de fuentes agrarias (es posible que haya algún reglamento más actual, pero no creo que difiera mucho de esta norma). El R.D. 261/96 limita la aplicación de purines al terreno, con valores entre 170 y 210 kg de Nitrógeno por hectárea al año. Si no recuerdo mal, en el caso de cerdas como las que cita el artículo, estaríamos en que por cada cuatro animales grandes se requiere una hectárea de terreno asociada a la estabulación para aplicar los purines al campo. Además, estas granjas porcinas están afectadas por la IPPC (no la IPCC) y requieren una autorización ambiental integrada en la que se especifica los requisitos que deben cumplir en materia ambiental. Y entonces se preguntará, ¿y qué es lo que está pasando? ¿miente la prensa o miente Lotas? Ni lo uno ni lo otro, la normativa de tráfico tampoco permite circular a más de 120 km/h por las autovías.

Lo cierto es que es un asunto muy complejo. Aumentar el tamaño de las granjas las hace más eficientes (en términos medioambientales también si se tratasen los purines adecuadamente), pero también más problemáticas por concentrar enormes cantidades de purín con las que se hace la vista gorda (alguna multa de vez en cuando) despreciando tanto su potencial como generador de recursos como contaminante si no se opta por la primera opción. Mi tierra es de vacas (cada vez menos por desgracia), y tenemos un problema parecido (no tan grave como el que describe el artículo de prensa que deja a municipios sin suministro de agua potable por la contaminación por nitratos causada por este tipo de explotaciones). En mi región, los diversos gobiernos autonómicos han zanjado el asunto dividiendo la carga ganadera entre la superficie de toda la región (y claro, así sí que salen las cuentas). Hay problemas puntuales que se diluyen si se consideran superficies más amplias.

Decía que es un asunto muy complejo porque es una industria que crea riqueza y empleo. Pero mi opinión es que no se ha abordado convenientemente el problema ambiental. Yo creo que la solución pasa por integrar las plantas de tratamiento de todos los residuos de la cadena productiva (agrícolas, purines e industria alimentaria -mataderos, lácteas, etc.-). Es un enfoque con el que se puede sacar provecho de todos los residuos en grandes instalaciones en las que se recupere energía con el metano y se aborden procesos avanzados de recuperación de los nutrientes para obtener un biofertilizante concentrado comercializable y un agua tratada que pueda ser empleada para regadío sin suponer problemas de contaminación. Es algo que posiblemente aumente los costes de fabricación de alimentos provenientes de este sector y que tendría que asumirlo el consumidor, pero tampoco creo que sea algo excesivo. En su día hice un cálculo para las plantas de biogás con purines de vaca de leche y con 1-2 cts de euro el litro de leche se cubría el coste de una planta de biogás. Sería algo más si nos vamos a plantas de tratamiento integral para alcanzar el objetivo que planteo, pero creo que podría ser la solución (o al menos quiero creerlo así).

En el caso del purín de porcino tengo una anécdota curiosa que compartir sobre las publicaciones científicas. Como decía, mi tierra es de vacas, nunca había trabajado con purín de cerdo hasta hace 6 años. En mi Tesis Doctoral me dediqué a fabricar un agua residual con el purín de vaca (procesos de separación sólido-líquido) y tratar ese líquido en reactores concebidos para aguas residuales. Si se mete purín de vaca en este tipo de reactor, la chapuza sería gorda. Si alguien tiene curiosidad puedo extenderme en las ventajas y los inconvenientes de obrar así. Por supuesto todas estas experimentaciones acabaron publicadas en revistas de alto impacto. Un buen día recibí un email de un grupo de empresarios del sector porcino y del biogás que habían leído nuestros trabajos y otros más recientes de unos noruegos que trataban el purín de cerdo en reactores para aguas residuales, sin tratamiento previo (lo mismo que habíamos hecho con ese líquido obtenido a partir del purín de vaca). Acabamos firmando un convenio y me tiré un verano de lunes a domingo operando los reactores en el laboratorio. Como suelo decir, trabajar con estas cosas es como tener un perro, hay que sacarle a pasear todos los días. Eran purines de naves de cebo, como los descritos en el artículo de prensa. Tienen un enorme potencial, vamos a dejarlo ahí por hoy. Si saco un rato, esta semana les trato de explicar esto en un idioma universal.

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Mi más sincero agradecimiento por el tiempo que nos está dedicando para darnos a conocer un tema tan desconocido, al menos para mí, como interesante. Gracias.

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Gracias por su amplia respuesta, nos sirve para aprender más, pero un hecho es cierto, en España siempre se ha legislado mucho, y en el momento presente tenemos un ejemplo, pero desgraciadamente, donde más se incumple, a todos los niveles, y esto alimenta un espíritu de falta de respeto e injusticias entre la sociedad, esto es, contamino y no me multan, no reciclo y no pasa nada, voy a 140 y no me han pillado, voy a 50 en una vía urbana de único sentido cuando debería ir a 30…y así estaríamos todo el día.

Una anécdota: una vez en Berlín se me ocurrió saltarme un semáforo de peatones, y un ciudadano que hablaba español me dijo que no lo hiciera más, que la multa eran 50€, y las ponían. Yo no tengo constancia que en España las hayan puesto, y existe tal legislación. En fin, así nos va…

Un saludo.

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En 2002, en Frankfurt, si un coche ocupaba un lugar de aparcamiento para discapacitados sin tener acreditada la discapacidad, 600 €.
Estando en un pueblecito cercano a dicha ciudad, fui a cruzar un paso de peatones señalizado que dividía la ciudad en dos y, estando yo esperando que se pusiera en verde -es decir, estaba todavía en rojo- una columna de coches se paró y me hicieron señales para que cruzara (aunque ellos tenían en ese momento derecho).
Al volver a España noté algunas pequeñas diferencias…

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De la mierda al Bitcoin, el que no corre, vuela. A cuadros me he quedado :crazy_face: :crazy_face: :crazy_face:

No he podido exponer mi planteamiento sobre el procesamiento de los purines de cerdo con tecnología de tratamiento de aguas residuales, estamos de exámenes… y la pereza, que me estoy aburguesando. A ver si la semana que viene, que es un tema muy interesante. Ojalá en unos años se pueda ver esta tecnología implantada a gran escala.

Edito: Ayer no pude escuchar el audio del video. Es increíble lo fácil que resulta engañar al gran público. Creo que si han seguido el hilo sabrán porqué digo esto. El reportero dice por un lado que eliminan los purines, lo cual es falso. Los purines no desaparecen, su materia orgánica biodegradable se transforma en biogás, el resto sigue ahí. Y por otro lado no dicen nada del nitrógeno, el otro gran problema ambiental. Por lo demás me parece una estupenda iniciativa, aunque me da que han utilizado la parte ambiental como tapadera (subvenciones) para generar bitcoins a bajo coste; si es que están haciendo eso. Desconozco el funcionamiento del proceso de minado y viendo como han descrito la parte del biogás me puedo esperar cualquier cosa de la parte bitconiana.

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Siguiendo con el hilo y dado que el asunto de las macrogranjas de cerdos está dando de qué hablar, quería explicar la ventaja competitiva que creo tiene el uso de tecnología de reactores anaerobios de aguas residuales para los purines porcinos. Es complicado sin una base técnica previa, pero voy a intentar trasladarlo de una manera que pueda entenderse sin necesidad de haber cursado una ingeniería en el MIT.
Las plantas convencionales en las que se han venido tratado los purines de vacas y cerdos para producir biogás están basadas la tecnología del reactor CSTR que mencioné en el primer post de este hilo. Ese gran depósito con agitadores, bombeos, calefacción y gasómetro en la cúpula. Las siglas CSTR vienen de Continuous Stirred Tank Reactor; en castellano un reactor de mezcla completa. Esto significa que damos por hecho que el contenido del digestor está perfectamente mezclado en todo momento, es decir que si tomamos una muestra en cualquier punto del reactor ésta debería tener la misma composición que el efluente (lo que sale) del reactor (el digestato). En realidad no es así (solemos asumir un 95% de confianza), pero es una aproximación muy buena siempre que el reactor disponga de un buen sistema de agitación y mezcla.
El factor importante de cara a lo que quería explicar es que al haber homogeneidad en el interior del reactor esto implica que con el efluente (el famoso digestato) se escapan parte de las bacterias que habitan en el digestor y que transforman la materia orgánica de los purines en biogás. No es algo alarmante dado que las bacterias también crecen dentro del digestor, se trata de alcanzar un equilibrio entre las bacterias que se forman en el reactor y las que son expulsadas del mismo con el efluente (les aseguro que a mis alumnos de máster les cuesta entender esto, calcularlo ya ni les cuento). Esto es lo que en parte nos obliga a trabajar con tiempos de retención hidráulicos elevados en este tipo de reactores. Se necesita tiempo para que las bacterias crezcan y así reemplacen a las que van saliendo. Como comentaba en el primer post, lo habitual son unos 30 días y eso es lo que hace que este tipo de reactores sean de un tamaño “grande”. Esta desventaja se ve compensada con la posibilidad de añadir otros cosustratos sólidos que aumenten la producción de biogás de la mezcla.
Es aquí donde veo un potencial por explotar en el uso de reactores anaerobios de aguas residuales aplicados a los purines de porcino. No es posible con los purines de vaca sin un pretratamiento previo que hace perder el atractivo a este aporte tecnológico. Tampoco permitiría tratar conjuntamente otros substratos sólidos, ya que este tipo de reactores es para líquidos.
La principal ventaja de los reactores anaerobios que se han venido aplicando en la depuración de aguas residuales industriales es que están basados en un concepto de reactor en el que las bacterias se agrupan formado gránulos o flóculos con muy buenas propiedades de sedimentación que evita que sean arrastrados fuera del reactor con el efluente tratado. Esto permite separar el Tiempo que pasa el purín dentro del reactor del tiempo que permanecen las bacterias en el reactor, de tal manera que se puede operar un reactor de este tipo con tiempos de retención hidráulicos muy inferiores a los del reactor de mezcla completa. Lo que vengo a decir es que se puede tratar el purín de cerdo (si sus características lo permiten) en un reactor con un tamaño 10-15 veces más pequeño que el convencional que puede encontrarse en el mercado. Además, no necesita agitador y el biogás está más enriquecido de metano (esto ya es un poco más complejo de explicar).
Les ilustro con alguna imagen para que vean ese lecho de bacterias en uno de estos reactores. La alimentación entra por abajo y el purín digerido sale por arriba.

Aquí la diferencia de aspecto entre el purín cochón antes y después de pasar por el reactor.

A modo de curiosidad, cuando uno trabaja con estas miniaturas tiene que buscarse la vida. Tecnología china como colector de gases de un reactor UASB de laboratorio. Si lo encargo a medida me sale por un ojo de la cara.

Hago mención a esta tecnología porque me ha llamado mucho la atención que me haya llegado un artículo de una revista para hacer la revisión del trabajo y comprobar que los autores son alemanes. No me extrañaría que aquí tengamos el conocimiento y en Alemania empiecen a desarrollar la tecnología a gran escala.

Por otra parte les dejo un par de links de noticias más generales sobre proyecciones futuras del biogás en Europa.

Disculpas por la redacción, ando con follones propios de estas fechas en la universidad y ando a la carrera.

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