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Utilización del biogás en pilas de combustible

Usaremos los residuos como fuente de energía sostenible

El crecimiento económico está basado en un uso cada vez mayor de energía, hecho que obliga a la búsqueda de energías más sostenibles. Las energías renovables tradicionales están dejando paso a nuevos sistemas de generación de energía, aún a día de hoy en un estado emergente, pero que tienen un gran potencial y pueden convertirse en la base del sistema energético del siglo XXI.

Una de estas fuentes de energía está basada en la utilización del hidrógeno para la obtención de energía eléctrica y energía térmica. Las dos ventajas principales que a priori ofrece el uso del hidrógeno como fuente de energía son que: (1) su combustión no contamina, tan sólo genera agua, y (2) es inagotable.

No obstante, aunque la disponibilidad de hidrógeno esté asegurada, se trata de un elemento que no se encuentra en estado puro en la Tierra y que, por tanto, se necesitan tecnologías capaces de generarlo de forma eficiente. El hidrógeno se puede encontrar en la naturaleza, combinado, formando parte del agua, de los combustibles fósiles y de la materia orgánica. Se puede obtener hidrógeno del agua descomponiendo ésta mediante el uso de electricidad, proceso conocido como electrólisis. También se puede obtener hidrógeno a partir de los combustibles fósiles a través del proceso de reformado, en el cual mediante el uso de un catalizador, agua y energía se transforma el combustible fósil en hidrógeno y CO2. Por último, también se puede obtener hidrógeno de la biomasa. Ésta puede ser tratada mediante un proceso de biometanización para producir biogás, y posteriormente el metano convertido en hidrógeno a través del proceso de reformado. La principal diferencia entre la obtención del hidrógeno del biogás, o bien de los combustibles fósiles, reside en el hecho de que el CO2 producido en el caso del biogás no supone un aumento de emisiones a la atmosfera, puesto que previamente ya se encontraba en la atmosfera y fue fijado por las plantas, mientras que el CO2 generado en la utilización de los combustibles fósiles es una contribución neta de emisiones productoras del efecto invernadero.

El uso potencial de las pilas de combustible para la obtención de energía se basa en el consumo del hidrógeno producido a partir del biogás procedente de la biometanización de biomasa, de la fracción orgánica de los RSU, de los subproductos carbonatados de la industria, etc. Después de eliminar los contaminantes presentes, generalmente el metano debe ser concentrado y después sometido a un proceso de reformado para la obtención del hidrógeno que se alimentará a la pila de combustible. El reformado no es preceptivo en todos los casos, puesto que cierto tipo de pilas de combustible pueden funcionar con alimentación de metano directamente (en realidad, la pila incorpora internamente su reformador).

La pila de combustible es el sistema que transforma, vía un proceso electroquímico, el hidrógeno en energía eléctrica y en energía térmica. Aunque en función del tipo de pila existen numerosas diferencias, todas se basan en la utilización de dos electrodos conductores separados por un electrolito iónico (celda electroquímica). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan, por separado, cada uno en un electrodo diferente. En el ánodo, una molécula de hidrógeno produce dos protones y dos electrones. Simultáneamente, en el cátodo reaccionan cuatro protones, cuatro electrones y una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Tanto los protones como los electrones se forman en el ánodo y migran hacia el cátodo. Pero mientras los protones se abren paso a través del electrolito, los electrones pasan por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica. De este modo el hidrógeno se combina con el oxígeno para dar agua sin que lleguen a entrar en contacto.

En cuanto a los elementos que constituyen la pila de combustible, cabe destacar el conjunto de monoceldas, llamado stack, necesario para obtener una potencia mayor, un sistema que haga posible el suministro y evacuación de los gases y un mecanismo que disipe la energía calorífica formada. Existen diferentes tipos de pilas de combustible y el elemento diferenciador es el tipo de electrolito utilizado. Se pueden encontrar:

  • Pilas de combustible poliméricas (PEMFC)
  • Pilas de combustible alcalinas (AFC)
  • Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
  • Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)
  • Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC)
  • Pilas de combustible de metanol directo (DMFC)

En la tabla se resumen las características de cada tipo de pila de combustible.

biogas en pilas de combustible

Las pilas de combustible son un sistema interesante para aprovechar el biogás generado por varias razones. Primeramente, presentan mayor eficiencia que otras tecnologías de conversión de la energía. Mientras que los motores de combustión tienen una eficiencia eléctrica de 35%-40% y las microturbinas de 25%-30%, las pilas de combustible actualmente ofrecen una eficacia eléctrica cercana al 50%. Además, no producen ningún tipo de contaminación, ya que ni generan gases contaminantes ni tampoco ruido ambiental. También supone una ventaja su naturaleza modular, pues se varía la escala añadiendo o retirando módulos independientes. Finalmente, se debe destacar su elevada flexibilidad de operación. Una pila de combustible puede operar a elevado rendimiento y de forma continuada en un amplio rango de potencias. Uno de los requisitos indispensables para la utilización de la pila de combustible es disponer de un biogás libre de contaminantes. Hecho que no es un problema grave pues las tecnologías actuales de tratamiento del biogás son robustas, eficaces y económicas.

No obstante, para que el uso de la pila de combustible sea competitivo económicamente, se deben mejorar aspectos como la eficacia eléctrica –actualmente se sitúa sobre el 50% y aún tiene margen de mejora–, así como la durabilidad y el coste de las pilas.


 

Cada día se está más cerca de la profecía que Julio Verne lanzó en 1875 en su novela “La isla misteriosa”:

residuos orgánicos para combustible de automoción

Residuos orgánicos para combustible de automoción.
Créditos: ©1985 “Back to the Future” Universal Pictures

Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calentaremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro.

Todavía no estamos ni tan siquiera cerca de una solución autotransportada que aproveche directamente cualquier residuo orgánico tal como en cine nos sugirió con “Regreso al futuro” en la forma de un Delorean convertido en máquina del tiempo que permitía introducir directamente en el “depósito” todo tipo de desperdicios que serían el combustible del reactor de fusión que se supone era la planta motriz del susodicho vehículo venido de un hipotético futuro.

Por el momento tenemos que conformarnos con producir hidrógeno de forma económica y sostenible y tal como hemos estado explicando anteriormente, conseguir llevar las pilas de combustible a un techo de eficiencia superior que permita conseguir las prestaciones y autonomía de los más avanzados motores de combustión.

Condorchem ayuda a la industria

Desde Condorchem podemos ayudar a la industria a obtener biogás a partir de residuos orgánicos, ya sea para su combustión en sistemas de cogeneración como para fraccionarlo en hidrógeno, metano y resto de componentes.

Consúltenos

Cogeneración a partir de residuos

La cogeneración consiste en la producción simultánea, y aprovechamiento, de dos o más tipos de energías diferentes; normalmente, energía eléctrica y energía térmica (calor). A diferencia del proceso convencional de producción de electricidad en centrales térmicas, en el que se produce una gran cantidad de calor que no se aprovecha y que se libera al medio ambiente, en los sistemas de cogeneración, implícitamente, la planta de producción de energía está cerca del lugar de consumo de la misma.

La posibilidad de utilizar un residuo como materia prima para un proceso de producción de energía es muy atractiva tanto desde el punto de vista económico como desde el ambiental. Económicamente, porque se transforma un residuo (que lleva asociado un coste de gestión) en energía (que implica un ingreso económico). Y ambientalmente, porque es una vía de reducir la cantidad de residuos generados.

Así pues, las instalaciones idóneas para albergar un proceso de cogeneración deberán, por un lado, producir un residuo que sea combustible o pueda ser transformado en un combustible. Y por el otro lado, deberán tener demanda de energía térmica y energía eléctrica. Estos requisitos se cumplen fácilmente en:

1. Las plantas de tratamiento de aguas residuales mediante proceso biológico, ya sean urbanas como industriales. Los lodos generados, a través de un proceso de digestión anaerobia, son transformados en biogás (dióxido de carbono y metano) y lodos estabilizados, los cuales tienen aplicación agrícola como fertilizantes. El biogás, dependiendo de la riqueza relativa en metano que posea, tiene un mayor o menor poder calorífico, que en cualquier caso puede ser utilizado en un proceso de cogeneración.

En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la energía térmica producida en el proceso de cogeneración se puede utilizar para mantener constante la temperatura del digestor anaerobio (a 36 ºC) y para calentar previamente los lodos digeridos antes del proceso de deshidratación, y consecuentemente aumentar la eficacia de esta operación.

2. Las explotaciones agrícolas y/o ganaderas, en las que se producen residuos biodegradables que también sonsometidos a un tratamiento de digestión anaerobia, para reducir la cantidad de residuos, a la vez que se genera una considerable cantidad de biogás.

En este tipo de explotaciones, el calor que se desprende en la cogeneración se puede utilizar para mantener a una temperatura confortable las naves en las que se encuentran los animales, para mantener controlada la temperatura en los invernaderos y para disminuir la sequedad del residuo sólido final precalentándolo previamente a la deshidratación.

3. Vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU), en los que, dadas las condiciones en las que se encuentran los residuos y su naturaleza orgánica, se produce un proceso natural de biometanización en el que se genera biogás.
En los vertederos de RSU, la energía térmica excedente de la cogeneración puede ser de gran utilidad en el proceso de tratamiento de los lixiviados generados, concretamente, para reducir la humedad del residuo final, incluso hasta llegar a secarlo, mediante un proceso de concentración-evaporación.

Para transformar el biogás en energía eléctrica y energía térmica existen dos tecnologías alternativas: los motores de combustión y las microturbinas. Los motores de combustión sólo son válidos cuando la concentración de metano en el biogás es superior al 40%. Tienen una eficacia eléctrica del 35-40% y una eficacia térmica del 35-40%. En contrapartida, las microturbinas pueden operar con una riqueza de metano del 30% (35% en el arranque), su eficiencia eléctrica es del 25-30% y su eficiencia térmica del 55-60%. Considerando la eficiencia global (la suma de la eficiencia eléctrica y de la eficiencia térmica), las microturbinas presentan mejores resultados que los motores de combustión.

En cuanto al mantenimiento, las microturbinas sólo tienen una parte móvil y son lubricadas por aire, mientras que los motores de combustión son mucho más complejos a nivel mecánico y precisan de aceite para su lubricación. Esto hace que el mantenimiento necesario de las microturbinas sea muy bajo mientras que los motores necesitan de atención constante.

En el caso de los motores, el calor excedente se obtiene de dos fuentes diferentes: del circuito de refrigeración y de los gases de combustión, mientras que en el caso de las microturbinas, la energía térmica se obtiene de una única corriente, aprovechando la alta temperatura de los gases de combustión.

Tanto en el caso de los motores de combustión como en el de las microturbinas, el biogás debe ser limpiado antes de entrar en contacto con estos equipos. En ambos casos se deben eliminar del biogás los siloxanos, los cuales se adsorben en un filtro de carbón activo. En el caso de los motores de combustión, además, también se debe eliminar del biogás el sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual es un ácido muy corrosivo.

En cuanto a las emisiones, los motores de combustión generan mayor cantidad tanto de monóxido de carbono como de óxidos de nitrógeno.

Así pues, mediante un proceso de cogeneración se puede reducir la cantidad de residuo generado a la vez que se produce energía eléctrica, que se puede autoconsumir o vender a través de la red general, y energía térmica, que se puede utilizar tanto dentro del propio proceso, como para reducir la humedad del residuo final mediantes técnicas de evaporación-concentración. Tanto por la reducción de la cantidad de residuo como por la producción de energía, el proceso de cogeneración es completamente viable económicamente y el período de retorno de la inversión suele ser relativamente corto.

cogeneración a partir de residuos

Desulfuración del biogás mediante procesos biológicos: una alternativa eficiente, económica y sostenible

digestion anaerobiaTanto en las plantas de tratamientos de residuos sólidos y líquidos (plantas de biometanización) como en las estaciones depuradoras de aguas residuales se produce un gas que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y demás impurezas, llamado biogás. Como el contenido en metano del biogás está entorno al 50-70%, aparte de que no puede ser liberado a la atmosfera por su alto potencial contaminante (es uno de los principales gases del efecto invernadero), su elevado poder calorífico hace que sea interesante aprovecharlo para producir energía eléctrica (cogeneración). Así pues, la producción y reutilización del biogás permite que este tipo de instalaciones sean cada vez más autosuficientes a nivel energético.

No obstante, uno de los mayores impedimentos para la utilización del biogás para la producción de energía eléctrica viene dado por la naturaleza de las impurezas que acompañan al biogás. El sulfuro de hidrógeno (H2S) es una de las sustancias que contaminan el biogás con mayor frecuencia y en mayor cantidad. Es un compuesto corrosivo que ataca tanto la obra civil de las instalaciones donde se produce como los equipos encargados de producir la energía eléctrica. Su concentración en el biogás puede variar entre 1.000 y 20.000 ppmv (partes por millón en volumen) mientras que para poder ser utilizado en sistemas de cogeneración de energía eléctrica no puede contener concentraciones de H2S superiores a unas 400 ó 500 ppmv.

Las técnicas de desulfuración utilizadas hasta la actualidad se basan en la oxidación química del sulfuro de hidrógeno en unas torres de lavado (scrubbers), conectadas en serie. En una primera etapa, con una solución ácida (H2SO4) se produce una neutralización y posteriormente, en la segunda etapa, mediante una solución alcalina de NaClO y NaOH se produce la oxidación química. Esta opción conlleva unos elevados consumos de reactivos además de presentar dificultades técnicas debido a la presencia de otras especies químicas (carbonatación del CO2).

La alternativa a la solución tradicional es la eliminación del H2S mediante un proceso íntegramente biológico. Se utilizan filtros percoladores en los que en la superficie del material de relleno del filtro se forma una biopelícula integrada por bacterias sulfuro-oxidantes, es decir, microorganismos especializados en la oxidación de compuestos reducidos de azufre, proceso del cual obtienen la energía necesaria para su crecimiento. Estos biorreactores permiten eliminar el H2S con un coste de explotación enormemente bajo, sin la utilización de reactivos químicos (ventaja económica, de seguridad y ambiental) y ofrecen una elevada y sostenida eficacia de eliminación. Aunque el proceso sea biológico, estos sistemas se han demostrado muy estables operando durante largos periodos de tiempo y se adaptan a la variabilidad de la carga de contaminante a degradar. Para la puesta en marcha del biofiltro percolador, la opción eficaz y más sencilla consiste en inocular con licor mezcla del reactor biológico de una estación depuradora de aguas residuales urbanas. En un espacio de tiempo relativamente rápido se produce una selección de los microorganismos a favor de los sulfuro-oxidantes y se puede obtener un alto rendimiento de eliminación a la semana de haber inoculado, siempre en función de las cargas a tratar.

Los costes de inversión de un proceso biológico de desulfuración en comparación al sistema químico son ligeramente inferiores a favor del primero. No obstante, donde la diferencia es muy notable es en los costes de explotación, ya que no se utilizan reactivos químicos y no se producen apenas residuos. Este factor hace que sea viable económicamente reconvertir los sistemas tradicionales químicos en biológicos.

Conceptos básicos sobre el biogás

Como ya hemos comentado en anteriores posts, el biogas es un combustible que se genera con la degradación de la materia orgánica. Es muy habitual que se produzca en lugares como vertederos, que acumulan grandes cantidades de residuos sólidos que sufren procesos de descomposición.

Este biogás no puede ser emitido a la atmosfera, ya que contiene un elevadísimo porcentaje de metano , que es un gas altamente inflammable y que también puede provocar asfixia. Por otra parte, el biogas acostumbra a generar problemas de olores.

En otras ocasiones ya hemos explicado que existen antorchas destinadas a quemar el biogas y evitar así su emisión a la atmósfera, pero siempre hemos considerado mucho más oportuno aprovechar su capacidad para generar energía eléctrica. Dicha energía puede ser reutilizada en el propio vertedero o incorporada a la red de distribución eléctrica si se consigue generar la cantidad suficiente.

Para ello el biogás ha de ser captado y sometido a un tratamiento, tras el cual puede ser aprovechado para generar energía eléctrica. De esta forma conseguimos reaprovechar recursos naturales y generar ahorros económicos.

A continuación os dejamos una presentación elaborada por la Global Methane Initiative, que repasa algunos conceptos básicos del biogás, entre los que destacan su composición, como se genera, métodos de captación y tratamiento, sistemas de control y monitoreo, etc.

http://www.globalmethane.org/documents/events_land_20100817_conceptos_basicos_sobre_biogas.pdf

Más información respecto al biogás y su tratmiento puede ser encontrada en anteriores posts de nuestro blog: