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: https://www.interempresas.net/Energia/Articulos/305379-La-planta-de-biogas-de-Tuero-alcanza-el-140-por-ciento-de-su-produccion-nominal.html
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.
