Biomasa: Diseño regenerativo para reducir los efectos de la contaminación

Introducción

En nuestra sociedad existe la tendencia general de deshacernos sistemáticamente de los restos orgánicos de nuestras actividades por considerarlos inservibles y molestos. Restos no comestibles de cosechas, podas, estiércol o basura se abandonan y/o se queman desaprovechándose el potencial útil que tienen y contaminando el ambiente.

Con la constante subida de los precios de los combustibles fósiles, unido a la crisis medioambiental que estos generan, se vuelve a valorar la utilidad de los desechos orgánicos y su aprovechamiento para obtener combustibles de ellos. De esta manera empieza a entenderse así lo poco sensato que resulta importar o extraer combustibles fósiles de zonas remotas para obtener una energía la cual puede conseguirse en buena medida de los materiales que desechamos habitualmente.

Existe una forma de utilización de la biomasa como fuente de energía limpia mucho más reciente y más eficiente. Los excrementos de los animales y los restos orgánicos de origen vegetal pueden ser procesados de forma tal que produzcan un gas combustible llamado BIOGAS y que además dejan como subproducto un fertilizante de mejor calidad que el abono natural.

OBJETIVOS

• Conocer los aspectos de la biomasa como fuente energética.

• Conocer la modalidad de reaprovechamiento de la biomasa para producción de biogás.

• Promover la producción sostenible de energía a pequeña escala a partir del biogás obtenido de residuos agrícolas y de la industria de alimentación y bebidas (residuos agro-alimentarios) para lograr la autosuficiencia energética.

• Reducir las emisiones de gas de efecto invernadero gracias al consumo de fuentes de energía renovable y a la gestión adecuada de los residuos.

Diseño regenerativo reducir efectos de la contaminación mediante el uso de biomasa – Planta de Biogás

Qué es la biomasa

Biomasa es la fracción biodegradable de productos, deshechos y residuos de la agricultura (incluyendo substancias vegetales y animales), silvicultura e industrias relacionadas, así como la fracción biodegradable de los residuos municipales e industriales. (La definición de biomasa que se utiliza en las directivas de la Unión Europea (UE))

Esta definición tiene un carácter muy amplio, ya que dentro de ella se engloba una diversidad de fuentes energéticas que comparten determinadas características, pero que difieren entre sí en cuanto a las tecnologías para su obtención y aplicación para la producción energética.

TIPOS DE BIOMASA

• a) Biomasa natural

La biomasa natural es la que se produce en ecosistemas naturales. La explotación intensiva de este recurso no es compatible con la protección del medio ambiente, aunque sea una de las principales fuentes energéticas en los países subdesarrollados.

La biomasa natural se produce sin la intervención del hombre para potenciarla o para modificarla. Se trata fundamentalmente de residuos forestales:

• Derivados de limpieza de bosques y de restos de plantaciones

• Leñas y ramas

• Coníferas

• Frondosas

• b) Biomasa residual

La biomasa residual es la que generada en las actividades humanas que utilizan materia orgánica. Su eliminación en muchos casos supone un problema. Este tipo de biomasa tiene asociadas unas ventajas en su utilización:

• Reduce la contaminación y riesgos de incendios.

• Reduce el espacio en vertederos.

• Los costes de producción pueden ser bajos.

• Los costes de transporte pueden ser bajos.

• Evita emisiones de CO2.

• Genera puestos de trabajo.

• Contribuye al desarrollo rural.

La biomasa residual se divide a su vez en una serie de categorías que se estudian a continuación.

Tabla 1: Características físicas de distintos recursos de biomasa residual

• c) Excedentes agrícolas

Los excedentes agrícolas que no sean empleados en la alimentación humana pueden ser considerados utilizados biomasa con fines energéticos. Este uso de productos agrícolas utilizados en la cadena de alimentación humana ha provocado una mala fama injustificada del uso de la biomasa con fines energéticos, al haberse acusado a este uso de una subida del coste de determinados productos agrícolas que son la base de la alimentación en muchos países del tercer mundo y en vías de desarrollo.

Estos excedentes agrícolas pueden ser utilizados tanto como combustible en plantas de generación eléctrica como transformados en biocombustibles.

• d) Cultivos energéticos

Los cultivos energéticos son cultivos específicos dedicados exclusivamente a la producción de energía. A diferencia de los agrícolas tradicionales, tienen como características principales su gran productividad de biomasa y su elevada rusticidad, expresada en características tales como resistencia a la sequía, a las enfermedades, vigor, precocidad de crecimiento, capacidad de rebrote y adaptación a terrenos marginales.

Entre los cultivos energéticos se pueden incluir cultivos tradicionales (cereales, caña de azúcar, semillas oleaginosas) y otros no convencionales (cynara, pataca, sorgo dulce) que están siendo objeto de numerosos estudios para determinar sus necesidades de cultivo.

Ventajas e inconvenientes de la utilización de la biomasa

• a) Ventajas.

La biomasa como fuente portadora de energía, con todas sus características peculiares, presenta varios rasgos que la hacen atractiva para su empleo, comparándola con los combustibles fósiles tradicionales.

A continuación se intentará brindar una idea de las ventajas que tiene la biomasa con relación a los demás combustibles.

• Aprovechamiento completo.

Ya sea de una forma u otra, con un método u otro de aprovechamiento o transformación (proceso físico, químico, termoquímico, biológico), cualquier tipo de biomasa (sólida o líquida) se puede aprovechar completamente hasta este momento. Existen tantas tecnologías y procesos de transformación que pueden satisfacer todas las exigencias y necesidades domésticas y de la industria.

• No requiere nuevas tecnologías.

La biomasa fue el primer combustible que usó el hombre en la búsqueda de mejorar sus condiciones de vida. Existen numerosas tecnologías que permite su transformación y aprovechamiento; desde las más simples que no requieren grandes inversiones ni recientes adelantos tecnológicos, hasta sistemas ideados para y con actualizadas tecnologías punta.

Como fuente de energía alternativa en la actualidad, con un futuro previsible y obligado en la escena energética mundial, cobra fuerza para los países subdesarrollados sin la acusiante necesidad de disponer de avanzadas tecnologías y recientes adelantos tecnológicos.

• Reduce el deterioro medioambiental.

Es conocido que el origen inicial de los compuestos orgánicos oxidados en los procesos de aprovechamiento de la energía contenida en la biomasa, se debe a la captación de la energía del sol por las plantas; y que la base de todo el proceso fotosintético y de producción de dichos compuestos es la fijación del dióxido de carbono disponible en el aire y el desprendimiento de oxígeno, aportándolo a la atmósfera y enriqueciéndola de esta manera en este componente. Todo este fenómeno trae como consecuencia que el dióxido de carbono que se desprende en los procesos de aprovechamiento de los materiales biomásicos no aumenta los niveles de esta sustancia que fue absorbida con anterioridad, sino que envía a la atmósfera una sustancia que fue extraída de ésta; de esta forma se puede decir que el balance de CO2 se cierra.

Incluso, si se realiza un buen análisis y un exhaustivo estudio, se puede comenzar a disminuir la cantidad de CO2 presente en la atmósfera, si el balance de este compuesto es negativo, de manera que las plantas absorban más CO2 que el que se llegase a producir por la generación de energía a partir de los distintos combustibles, biomásicos o no.

Esta característica tan ventajosa e única de la biomasa, y de las energías renovables en general, es muy importante por lo mucho que aporta al cuidado y preservación del medio ambiente.

• Ahorra divisas y disminuye la dependencia energética del exterior.

Con la garantía de poder disponer del combustible autóctono, según los planes y políticas de las administraciones, se reduce la dependencia energética con relación a las fuentes de energías que no son propias y que siempre están sometidas a los vaivenes del mercado internacional. Al cultivar y explotar la biomasa en su territorio, el país está tendiendo a mejorar y equilibrar la balanza comercial al tener asegurado el abastecimiento de la fuente energética en sí mismo, sin tener que estar supeditado al exterior. Cuestión está muy importante para tantos países en la actualidad, sobre todo los países en vías de desarrollo, en primer lugar Cuba, donde no se debe olvidar el bloqueo económico y energético al que actualmente está sometida y la alta repercusión que en su desarrollo industrial tiene.

• b) Inconvenientes.

Como es lógico, no todas van a ser ventajas para la biomasa, en comparación con los combustibles fósiles, por lo que también habrá algún inconveniente.

Para analizar los inconvenientes propios de la biomasa se deberían tener en cuenta los diferentes tipos de biomasa. No obstante, dado el objetivo de este trabajo de tesis, nos centraremos en la denominada biomasa vegetal, tanto la que se produce mediante cultivos energéticos como la que se genera como residuo del aprovechamiento de la biomasa vegetal alimentaria o industrial.

• Dispersión.

Para disponer de las cantidades de energías suficientes para cumplir ciertos objetivos, o simplemente para aprovechar toda la producción de un cultivo determinado o de la producción residual de cierta industria hacen falta grandes volúmenes de biomasa vegetal, por ende amplias plantaciones y extensas superficies de tierra. Además de que seguramente se tendrá la necesidad de disponer de distintos tipos de biomasa vegetal para obtener, mediante su mezclado, los requerimientos energéticos básicos. Esta característica es muy difícil de contrarrestar dada las peculiaridades de la biomasa vegetal. Otros tipos de biomasa residual como la industrial, agroganadera, etc., no tienen este inconveniente, estando concentrado en las zonas de producción y facilitándose su consumo "in situ".

Debe tenerse en cuenta para comprender mejor este inconveniente de la biomasa vegetal su baja densidad, lo que junto a esta posible dispersión, hace que en muchos casos no sea rentable se aprovechamiento energético, fundamentalmente, por los costos en transporte.

• Producción estacional.

Dada la variedad de cultivos que presenta la biomasa vegetal, en sus diferentes formas, es obvio la disponibilidad de la materia prima de manera estacional (en época de recolección).

En este acápite es importante poder disponer de tecnologías de aprovechamiento energético de la biomasa capaces de utilizar indistintamente diferentes tipos de biocombustibles sin grandes diferencias en el rendimiento energético. Además de lo que se podría alcanzar en materia de almacenamiento y obtención de nuevas especies más resistentes o con nuevas cualidades, a partir de la ingeniería genética y la biotecnología.

Una forma de absorber este inconveniente en las instalaciones de obtención de energía a partir de biomasa vegetal es mediante la instalación de varias tolvas de alimentación al combustor, que mezclando la proporción adecuada de cada tipo de biomasa disponible en cada estación del año, permita mantener estable la potencia térmica del sistema.

• Baja densidad energética.

Es una de sus características físicas más importantes de la biomasa y que influye en el diseño de las instalaciones para su aprovechamiento y en el transporte de la materia prima, pudiendo llegar a ser el factor que la haga no competitiva comparada con otros tipos de combustibles.

Existen varios procesos para intentar resolver este factor en caso de que sea el factor decisivo. Todos los procesos se basan en la compactación de la biomasa, como por ejemplo, el briqueteado, el pelletizado, etc. Estos presentan también el inconveniente de aumentar los costos del combustible final; por tanto el análisis económico dará luz sobre la viabilidad del empleo de este tipo de procesos de densificación de la biomasa.

• Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.

Hay casos en los que es imprescindible aplicar ciertos tratamientos a la biomasa, acondicionarla y transformarla de manera que esté en condiciones de que sea factible su uso. Procesos como el molido, el tamizado, el secado, etc., suelen ser necesarios, aumentando en algunos casos los costos de operación a la instalación, si bien en otros es rentable su empleo como es el caso del secado mediante el calor sensible de los humos de un proceso de combustión.

Muchas veces es imposible obviar alguno de los procesos de acondicionamiento de la biomasa, por lo que el estudio económico dirá cuál y hasta qué punto es rentable asumirlos.

• Costo de recolección, transporte y almacenamiento.

Esta peculiaridad es como un compendio de varias de las anteriores que redundan en el aumento de los costos de operación al emplear una instalación que funcione con material biomásico.

El hecho de proceder la biomasa vegetal, en la mayoría de los casos, de cultivos o en otros de materiales residuales, ya sean en la cosecha, ya sea en el mismo proceso industrial, implica tener la necesidad de recoger, recolectar e incluso cosechar para lograr acopiar las cantidades suficientes de combustible, esto hace que los costos por concepto de recolección aumenten con relación a otras fuentes de energía cuando se trata +de cultivos energéticos y sean nulos cuando son cultivos alimentarios o procesos industriales los que generan la biomasa.

La baja densidad lleva a que el costo por transporte aumente, ya que hay que gastar más para lograr el mismo suministro energético que con otro tipo de combustibles. Si se quiere aliviar este problema, se puede hacer aumentando la densidad de la biomasa, en ciertos casos esta etapa de compactación de la biomasa puede mayores gastos por conceptos de utilización de procesos de compactación que siempre son consumidores de energía, y llegar a hacer prohibitiva su utilización como fuente de energía.

En cuanto al almacenamiento, dada las características antes mencionadas, fundamentalmente, la estacionalidad y su baja densidad, hay que destinar un amplio espacio para poder mantener almacenado el combustible a emplear durante el período de consumo.

Todas estas cuestiones se deben analizar detallada y comparativamente para cada una de las instalaciones, asumiendo distintas variantes y posibilidades en aras de encontrar cual es el modelo más económico y que garantice la rentabilidad de la instalación.

Procesos de conversión de la biomasa

Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, tiene que ser convertida en una forma más conveniente para su trasporte y utilización. A menudo, la biomasa es convertida en formas derivadas tales como carbón vegetal, briquetas, gas, etanol y electricidad.

Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos simples y tradicionales, como la producción de carbón vegetal en hogueras bajo tierra, hasta procesos de alta eficiencia como la dendro-energía y la cogeneración. Los principales procesos de conversión son:

• Conversión Termoquímica

La conversión termoquímica está basada en la descomposición de la biomasa por medio de calor. Esta transforma a la biomasa en productos con un más alto valor o más convenientes y, dependiendo de las condiciones del proceso, se obtienen diferentes proporciones de productos sólidos, líquidos y gaseosos:

Combustión directa

Pirolisis

Gasificación

• Conversión Bioquímica

Consisten en la transformación de la biomasa por la acción de microorganismos o de enzimas, que son añadidas a los medios de reacción como catalizadores. Los métodos bioquímicos son más adecuados a biomasas con un alto contenido de humedad, debido a que tanto los microorganismos como las enzimas sólo pueden ejercer sus acciones en ambientes acuosos, entre los procesos de conversión bioquímica se encuentran:

. Digestión anaerobia

. Fermentación alcohólica

• Conversión Fisicoquímica (Prensado/extracción)

La ruta de conversión fisicoquímica produce un biocombustible líquido a partir de la biomasa que contiene aceite vegetal. Esta tecnología es similar a las rutas de conversión para producir aceite vegetal en la industria alimenticia.

El aceite vegetal se produce al prensar y/o extraer el aceite de la semilla. De manera que sólo se pueden usar especies que contienen aceite, como la semilla de colza, el girasol, el fríjol de soya y el aceite de palma, etc.

Qué es biogas

El biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal como son los desechos de humanos y de animales, residuos agrícolas, aceite de palma y plantas acuáticas. Este gas puede ser utilizado, por ejemplo, como combustible para motores que mueven una bomba de agua, en alumbrado y en la cocción de alimentos.

El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás es la conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe entenderse como un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos y enzimáticos simultáneamente.

El método más común de producción de biogás es la digestión anaeróbica en un tanque cerrado llamado "biodigestor". La biomasa se mezcla en el digestor con agua para formar una suspensión, en la cual la digestión anaeróbica se realiza en dos pasos. En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es descompuesta por hidrólisis enzimática y fermentada para producir principalmente ácidos y alcoholes. Seguidamente, en la etapa de gasificación, las bacterias metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir metano y dióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico.

APLICACIONES DEL BIOGÁS

Existen diversas opciones para la utilización del biogás. Dentro de éstas destacan la producción de calor o vapor, generación de electricidad y combustible de vehículos.

• Producción de calor o vapor

El uso más simple del biogás es para la obtención de energía térmica (calor). En aquellos lugares donde los combustibles son escasos, los sistemas pequeños de biogás pueden proporcionar la energía calórica para actividades básicas como cocinar y calentar agua. Los sistemas de pequeña escala también se pueden utilizar para iluminación. Los quemadores de gas convencionales se pueden adaptar fácilmente para operar con biogás, simplemente cambiando la relación aire-gas. El requerimiento de calidad del biogás para quemadores es bajo. Se necesita alcanzar una presión de gas de 8 a 25 mbar y mantener niveles de H2 S inferiores a 100 ppm para conseguir un punto de rocío de 150°C.

• Generación de electricidad o combinación de calor y electricidad

Los sistemas combinados de calor y electricidad utilizan la electricidad generada por el combustible y el calor residual que se genera. Algunos sistemas combinados producen principalmente calor y la electricidad es secundaria. Otros sistemas producen principalmente electricidad y el calor residual se utiliza para calentar el agua del proceso. En ambos casos, se aumenta la eficiencia del proceso en contraste si se utilizara el biogás sólo para producir electricidad o calor. Las turbinas de gas (microturbinas, desde 25 hasta 100 kW y turbinas grandes,> 100 kW) se pueden utilizar para la producción de calor y energía, con una eficiencia comparable a los motores de encendido por chispa y con un bajo mantenimiento. Sin embargo, los motores de combustión interna son los usados más comúnmente en este tipo de aplicaciones. El uso de biogás en estos sistemas requiere la remoción de H2 S (bajo 100 ppm) y vapor de agua. Las celdas de combustible se consideran las plantas de energía a pequeña escala del futuro para la producción de electricidad y calor con una eficiencia superior al 60% y bajas emisiones.

• Combustible para vehículos

El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace bastante tiempo. Para esto, el biogás debe tener una calidad similar a la del gas natural, para usarse en vehículos que se han acondicionado para el funcionamiento con gas natural. La mayoría de vehículos de esta categoría han sido equipados con un tanque de gas y un sistema de suministro de gas, además del sistema de gasolina normal de combustible. El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido. Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas:

• A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en contenedores cilíndricos de alta presión (200 a 300 bar); este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado antes de su compresión.

• La conversión de los motores es costosa (instalación similar a la del gas natural) y el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehículos.

• Por último la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energía involucrada en la compresión a gran escala de este tipo de uso.

Purificación o acondicionamiento del biogás

El biogás (CH4 – CO2) no es absolutamente puro, puesto que contiene partículas y trazas de otros gases. Todas estas impurezas deben ser removidas dependiendo del tipo de utilización que tendrá el biogás. La purificación del biogás es importante por dos razones principales: (1) para aumentar el poder calorífico del biogás y, (2) cumplir los requerimientos de algunas aplicaciones de gas (motores, calderas, celdas de combustible, vehículos, etc.). Los propósitos de purificación y/o acondicionamiento del biogás se resumen en la Figura 4.1. El "tratamiento completo" implica que se elimina gran parte del CO2, vapor de agua y otros gases traza del biogás, mientras que el "reformado" es la conversión de metano en hidrógeno. Las partículas sólidas en el biogás se filtran con los colectores de partículas convencionales. Para la remoción de gases traza, las técnicas utilizadas son el lavado, adsorción y secado.

• Remoción del dióxido de carbono (co2 )

Un biogás enriquecido de metano es aquel que presenta una concentración de metano superior a 95%. Para alcanzar esta concentración, el CO2 debe ser removido. El procedimiento para la remoción de CO2 debe escogerse según los siguientes criterios:

Concentración mínima requerida

Bajo consumo de material absorbente o adsorbente (e.g. fácil regeneración, estabilidad química y térmica)

Que no genere impactos ambientales significativos

Que sea fácilmente disponible y a bajo costo

Para la mayoría de las aplicaciones más simples de biogás tales como calentadores, motores de combustión interna o sistemas generadores, la remoción del CO2 del biogás no es necesaria y el CO2 simplemente pasa a través del quemador o motor. Para aplicaciones más complejas de biogás, tales como vehículos, que requieren combustibles de mayor densidad, el CO2 debe ser removido. La remoción del CO2 incrementa el poder calorífico y genera un gas de calidad similar a la del gas natural. El CO2 puede removerse del biogás mediante procesos de absorción o adsorción. Otros procesos disponibles son las separaciones por membrana y criogénicas.

Para eliminar el CO2 y H2 S del biogás se puede utilizar un lavado a presión contracorriente con agua. Para la remoción de CO2 , en particular, los factores críticos son pH, presión y temperatura. Para incrementar el lavado del CO2 desde el biogás debe haber condiciones de alta presión, baja temperatura y pH alcalino. El uso de soluciones de Ca(OH)2 pueden remover completamente el CO2 y H2 S. Estos gases son más solubles en algunos solventes orgánicos tales como polietilenglicol, que no disuelven el metano. Estos solventes orgánicos pueden por lo tanto, ser usados para lavar estos gases. Los sistemas que utilizan este tipo de solventes orgánicos pueden remover el CO2 del biogás hasta valores bajo 0.5%. Sin embargo, el uso de solventes orgánicos es mucho más costoso que los sistemas de lavado con agua.

• a) Absorción

El metano y el dióxido de carbono presentan afinidades distintas a diversos líquidos. En el agua, como agente de lavado, los componentes ácidos del biogás tales como CO2, son disueltos más fácilmente que los componentes hidrofóbicos apolares tales como los hidrocarburos.

La absorción física puede explicarse por diferentes fuerzas de Van der Waals de los gases y la absorción química mediante diferentes enlaces covalentes.

Un absorbente para el lavado con agua caliente presurizada consta de una columna rellena con material de empaque, el cual es percolado con agua fresca.

El biogás comprimido a 10 – 12 bar es alimentado por la parte inferior de una columna. Mediante un flujo ascendente pasa a través del material de empaque y así transfiere el CO2 al agua caliente (5 – 25°C). El biogás sale por la parte superior de la columna con una concentración de metano mayor a 95%.

Otros absorbentes que tienen buena aceptación incluyen mezclas de dimetil éter y polietilenglicol, particularmente porque no son tóxicos ni corrosivos.

• b) Adsorción con tecnología de oscilación de presión (PSA)

Esta tecnología permite obtener un metano muy puro y se basa en el hecho de que bajo ciertas presiones, los gases tienden a ser atraídos hacia superficies sólidas (adsorbidos). Mientras mayor sea la presión, una mayor cantidad de gas será adsorbido. Cuando la presión se reduce, el gas es liberado o desorbido. Este proceso puede utilizarse para separar gases en una mezcla, debido a que los diferentes gases tienden a ser atraídos con mayor o menor afinidad en diferentes superficies sólidas.

Se pueden utilizar como adsorbentes: carbón activado, zeolitas, tamices moleculares de zeolitas y tamices moleculares de carbón. El sistema opera a temperaturas cercanas a la ambiental. El material adsorbente bajo condiciones de altas presiones adsorbe el CO2 del biogás. El proceso luego cambia las condiciones y la presión baja para desorber el CO2 del material adsorbente y ser liberado.

• c) Tecnología de diafragma

Los gases tales como el CH4 y CO2 y las impurezas del biogás pueden separarse en función de sus distintas permeabilidades de diafragmas. Existen diafragmas porosos en los cuales las diferencias de presión son las responsables de la translación de los gases y diafragmas difusionales a través de los cuales los gases deben difundir.

Para la depuración del biogás, los diafragmas difusionales tienen una buena aceptación. Los componentes del biogás pasan a través de un diafragma en función de su estructura molecular (sulfuro de hidrógeno 60 veces más rápido que el metano y dióxido de carbono 20 veces más rápido que el metano). Es importante considerar que siempre una parte significativa de metano pasa por el diafragma y se pierde junto con las impurezas. El material del cual está compuesto el diafragma es el que determina la selectividad. Se pueden separar selectivamente CO2, SO2 y H2 S en instalaciones de una o dos etapas.

• d) Mineralización y biomineralización

En estos procedimientos, el CO2 se separa mediante reacciones químicas, e.g., con CaO (cal viva) para formar carbonato de calcio (CaCO3), el cual puede utilizarse como material de construcción. Sin embargo, hay que tener presente que la cal viva se elabora "calcinando" la cal, un proceso que libera una molécula de CO2 por cada molécula de CaO producida, lo cual genera un impacto ambiental.

• Remoción de agua

Al momento de salir del digestor, generalmente, el biogás se satura con vapor. El biogás debe tener una humedad relativa inferior a 60% para prevenir la formación de condensado en las tuberías de transporte. Este condensado, particularmente en combinación con otras impurezas puede corroer las paredes de las tuberías. Frecuentemente, el biogás debe ser secado antes de ser purificado. El biogás puede secarse por compresión y/o enfriamiento del gas, adsorción en carbón activado o sílica gel o absorción, principalmente en soluciones de glicol y sales higroscópicas.

• Remoción del sulfuro de hidrógeno (h2 s)

El sulfuro de hidrógeno en combinación con el vapor de agua en el biogás crudo, puede formar ácido sulfúrico (H2 SO4 ) el cual es muy corrosivo para los motores y sus componentes. A concentraciones sobre 100 ppm en volumen, el H2 S es también muy tóxico. El carbón activado puede utilizarse para remover el H2 S y CO2 . El carbón activado actúa como catalizador convirtiendo el H2 S en azufre elemental (S). Otra forma de lavar el sulfuro de hidrógeno es usando soluciones de NaOH, agua o sales de hierro.

Un proceso simple y barato consiste en dosificar una corriente de biogás con O2 , el cual oxida el H2 S a azufre elemental. La dosificación con oxígeno puede reducir el contenido en el biogás de H2 S a niveles bajo 50 ppm. Esta dosificación con oxígeno, no está exenta de riesgos de explosión, por lo cual debe efectuarse con precaución.

El óxido de hierro también remueve el H2 S transformándolo en sulfuro de hierro. Este método puede ser sensible en presencia de un alto contenido de vapor de agua en el biogás.

• Remoción de oxígeno

Un contenido alto de oxígeno en el biogás podría ocurrir solamente en casos excepcionales. Este oxígeno se puede eliminar con los procedimientos de desulfuración.

Los procesos de adsorción, por ejemplo, con carbón activado, tamices moleculares, o la tecnología de diafragma también son aplicables.

• Remoción del amonio

Cuando el guano líquido y, en particular, los residuos del procesamiento de pescado o la industria alimentaria se utilizan como sustratos, se puede producir amoníaco en cantidades considerables, dependiendo de la estabilidad del proceso de fermentación. El amoniaco se forma a valores de pH altos a partir del amonio, que se forma en el guano líquido. Por lo tanto, la formación de amoníaco se puede evitar mediante la operación adecuada de la planta.

La eliminación del amoníaco se debe combinar con otros procedimientos de purificación del biogás. Cuando el amoníaco pasa

Artefactos y adaptaciones necesarias

Es necesario disponer de ciertos equipos de distribución, purificación y tratamiento del biogás generado en el biodigestor, con el objeto de llevar este producto a los diferentes puntos de consumo y remover contaminantes que pueden estar presentes en la corriente gaseosa. Los principales equipos requeridos son:

Usos del residuo biofermentado o lodos de digestión y de los efluentes

El valor agrícola de un residuo orgánico bioprocesado, en un amplio sentido se puede establecer en función de sus propiedades físicas, químicas y biológicas, las cuales a su vez dependen de las características físicas y químicas de las materias primas que le dieron origen. Entre los principales parámetros que permitirían entregar información sobre el valor agrícola se mencionan los siguientes: capacidad de intercambio catiónico, contenido de materia orgánica y de nutrientes totales y disponibles, relación carbono-nitrógeno, contenido de sales solubles y de pH.

Los productos orgánicos estabilizados obtenidos se pueden clasificar en función de las características bioquímicas que presentan las materias primas disponibles, definiéndose un perfil bioquímico, considerando esencialmente el nivel de materia orgánica que presentan. De acuerdo con esto, se pueden visualizar cuatro grupos de productos orgánicos estabilizados (Robin y Le Quellec, 1997):

• Grupo 1: Fracción soluble superior o igual al 30% de la materia orgánica seca y alto nivel de nitrógeno total.

• Grupo 2: Fracción ligno-celulosa superior o igual al 65% de la materia orgánica seca.

• Grupo 3: Fracción soluble más hemicelulosa superior o igual al 45% de la materia orgánica seca.

• Grupo 4: Nivel de materias minerales superior a 40% de la materia seca y bajo nivel de carbono orgánico total.

Estos cuatro grandes grupos de productos orgánicos estabilizados, pueden ser evaluados en forma más global, considerando si responden al menos uno de los dos criterios que se consideran para su clasificación como: acondicionador o biofertilizante.

• Acondicionador

El uso como acondicionador tiene como principal papel la restitución al suelo de la materia orgánica estable o humus estable, debido a los compuestos orgánicos presentes en el bioabono como la lignina, celulosa y hemicelulosa contribuyen a la formación de humus estable, previenen la erosión y aumentan la permeabilidad del suelo. A su vez constituyen también la base para el desarrollo de los microorganismos responsables de la conversión de los nutrientes en una forma que puede ser incorporada fácilmente por las plantas. El elevado contenido de amonio ayuda a evitar la pérdida de nitrógeno por lavado y lixiviación del suelo así como las pérdidas por volatilización producidas por los procesos de desnitrificación biológica.

• Biofertilizante

Se define por su aporte de elementos minerales, especialmente nitrógeno. Como subproducto después de la generación de biogás, se obtiene materia orgánica estabilizada rica en elementos minerales. En función a la carga usada y el proceso seguido, esta materia orgánica, también conocida como bioabono puede presentarse de dos formas: líquida y sólida.

• Lodos de digestión anaeróbica

Cada seis o doce meses es aconsejable descargar totalmente el biodigestor continuo, para una adecuada mantención. Esto permite retirar del fondo del biodigestor los lodos de digestión, material sólido pastoso, con un elevado contenido de agua, constituido por fracciones de materia orgánica estabilizada, nutrientes totales y disponibles, sales solubles, con valores de pH cercano a la neutralidad, además enriquecido en inóculos microbianos metanogénicos. Por lo tanto, entre los usos más comunes de los lodos de digestión se tiene:

• Acondicionamiento de suelos.

• Mulch. • Biofertilizante.

• En mezcla para macetas

• Cubierta vegetal en rellenos sanitarios.

• Recuperación de suelos o sitios degradados

• Biorremediación de suelos

• Efluentes del biodigestor

En un biodigestor de carga continua, la determinación del Tiempo de Retención Hidráulico (TRH), permite definir el volumen de afluente o material de carga diaria, que tendrá el digestor durante toda su etapa de trabajo. Esta carga diaria de afluente, como máximo tiene un 8% de sólidos totales (ST). La entrada de este afluente, genera un volumen equivalente de efluente o material de descarga, que por lo general presenta alrededor de un 2% de ST.; además de una proporción de nutrientes y fuentes carbonadas disueltas. Este efluente, dependiendo de su composición química puede utilizarse:

• Como fuente de nutrientes y/o riego en cultivos hidropónicos, en huertas de hortalizas.

• Para favorecer el crecimiento de plancton de algún medio acuático.

Conclusiones

• Los digestores cumplen una función ecológica ideal: reciclar totalmente los desechos a un costo muy bajo, pero como contrapartida emite olores desagradables para quien no está acostumbrado al sistema.

• El biogás generado a partir de la descomposición de los residuos sólidos urbanos son actualmente aprovechado principalmente en la generación de energía eléctrica.

• Se debe tener cuidado con el material orgánico a digestar ya que los mismos deben proceder de animales con un buen cuidado sanitario o veterinario. En caso de utilizar material orgánico proveniente de animales enfermos esas bacterias pueden volverse aeróbicas y producir enfermedades.

• El ácido sulfhídrico contenido en el biogás puede ser quemado sin complicaciones en lugares con buena ventilación, su remoción es posible por varios métodos como por ejemplo mediante un burbujeado en solución de KOH, aunque limitado en el tiempo.

• En cuanto a la generación de energía por el proceso de indigestión podríamos afirmar que es la única solución ventajosa y se caracteriza por los siguientes aspectos:

a) es un recurso renovable ya que todos los días se producen residuos.

b) es una fuente importante de energía ya que en función del tipo de residuo y de su contenido en fibra se pueden conseguir desde 50m3 a 200m3 por tonelada de residuo.

c) ayuda a la conservación de la naturaleza evitando vertidos contaminantes malos olores y algunas infecciones derivadas de las picaduras de insectos.

d) proporciona al terreno los elementos nutrientes necesarios y fácilmente asimilables.

e) para las áreas rurales puede constituir un factor primordial por tener la oportunidad de producir in-situ la energía que demandan.

Recomendaciones

Promover la aplicación de esta tecnología para reaprovechar los residuos orgánicos urbanos

Deberían realizarse estudios de factibilidad de implementación de plantas de biogás

Bibliografía

José Simeón Cañas. (Octubre 2010). Aprovechamiento energético del biogás en el salvador. Universidad Centroamericana.

Biogás. Recuperado en: http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria18/F_L_ID%20Biogas.pdf

Ramiro Olivera. Proyecto Biogás.

Proyecto Energías Renovables. (2007). Potencial de Biogas. Identificación y clasificación de los distintos tipos de biomasa disponibles en chile para la generación de biogás.

María Teresa Varnero Moreno (2011). Chile: Remoción de Barreras para la Electrificación Rural con Energías Renovables.

Autor:

Inga Pineda, Maribel

Huaman Chuquirimay, Sandra

Curso:

Diseño de Sistemas Regenerativos Ambientales

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Marco Sánchez Calle

2016