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Biogás, un combustible limpio y rentable / I Parte

Ciudad de México ( Olivia Hernández Ramírez / Especialista Oil & Gas / Energía Hoy).- “Mejor di basura de comida”, alguna vez me dijo una colega cuando por primera vez incursioné en el estudio del biogás. Otra persona después me dijo: “biogás, lo produces quemando basura, ¿no?”. Hay muchos mitos alrededor de las energías renovables, pero especialmente en la producción del biogás. Es muy claro de dónde viene la energía solar, pero la procedencia del biogás nos crea dudas: “Es gas, pero es bio…. ¿de dónde viene?, ¿por qué tendría que invertir en él?, ¿es seguro utilizarlo?”. Lo primero que debemos hacer antes de hablar de las bondades del biogás, es aclarar que es el biogás.

El biogás es considerado una fuente de energía renovable que no contribuye al efecto invernadero. Su poder calorífico (el que nos sirve para calentar) proviene del alto contenido de metano, es parecido al gas natural: contiene metano (50%-70%) y bióxido de carbono (25%-40%), también posee otros componentes como trazas de vapor de agua, sulfuro de hidrogeno (H2S), amoniaco, monóxido de carbono y otros compuestos volátiles orgánicos (COV´s). Para producirlo se utilizan bioreactores en donde se descompone materia orgánica. La materia orgánica son todos aquellos desperdicios de comida, jardines, heces de animales y sus restos, plantas y árboles muertos, residuos urbanos sólidos, etc. De hecho, el biogás se produce de forma cotidiana en la naturaleza: las heces de los animales son una fuente importante de la emanación de metano a la atmósfera -cabe aclarar que el metano es uno de los gases de efecto invernadero, el más peligroso de hecho, y si en las praderas donde pasta el ganado se dejan sus heces al aire libre, eventualmente el metano también se libera al aire libre-. El biogás puede ser nuestro aliado o nuestro enemigo, depende de nosotros utilizarlo adecuadamente.

Es necesario hacer otra nota: descomposición no es igual a combustión. La combustión es un proceso sucio, dado que emite a la atmósfera gases contaminantes. La descomposición es en realidad un proceso químico, mediante el cual las moléculas de la materia orgánica (carbohidratos) se reordenan para crear nuevas moléculas de metano (hidrocarburos). Digamos que los carbohidratos alimentan a los seres vivos y los hidrocarburos a las máquinas. Entonces, para producir biogás no es necesario incinerar basura.

Así llegamos al punto en el que sabemos que el biogás es un combustible, parecido al gas natural pero que se produce de fuentes renovables, como pueden ser heces de ganado, desperdicios de comida, etc. Esta materia orgánica la podemos encontrar fácilmente en muchos procesos industriales, restaurantes, hoteles, entre otros, que de no ser utilizados irán a parar a tiraderos de basura en donde de forma natural formarán biogás (metano) que al no ser utilizado irá a la atmósfera y contribuirá al calentamiento global. Aquí vemos tres desventajas, el desperdicio de comida, la contaminación generada y el desperdicio de una fuente energética disponible para todos.

En el año 2015 la Cámara Nacional de la Industria de Restaurantes y Alimentos Condimentados (Canirac) realizó un estudio en el cual encontró que al menos el “5% de la comida de los restaurantes se va a la basura” dado que es común que los comensales no ingieran un parte del platillo principal o haya desperdicio al preparar los platillos1. En el 2016, el Gobierno de la Ciudad de México declaró que al menos el 37% de los alimentos producidos se iban a la basura2. También en el 2016, la Secretaría de Desarrollo Social (Sedesol, actualmente Secretaria de Bienestar) dio a conocer que anualmente “México tira 19 millones de toneladas de comida… lo que equivale al consumo de 27 millones de personas. Casi la mitad de los alimentos desperdiciados son frutas y verduras (46%), cereales (29%) y productos de origen animal, entre éstos cárnicos y lácteos (25%)3”. Si hacemos un cálculo rápido (que no los voy a aburrir con el detalle matemático) estas 19 millones de toneladas de comida, si fuesen utilizadas para generar biogás, equivaldrían al 12% de la producción de gas natural en México. De acuerdo a la Secretaría de Energía, en 2019 México produce alrededor de 4,500 a 4,800 millones de pies cúbicos de gas natural por día o, extrapolando, 1,700,000 millones de pies cúbicos por año aproximadamente. Las 19 millones de toneladas de comida desperdiciada podrían producir cerca de 210,000 millones de pies cúbicos por año de biogás, es decir, 12% anual. Y esto es sólo del desperdicio de lo que conocemos como “comida”, lo que dejamos en el plato o se caduca en la alacena; no incluye otro tipo de materia orgánica: heces de ganado como mencioné previamente, aceite para cocinar, y toda clase de desechos de la industria alimentaria. Múltiples posibilidades pueden estar pasando por tu mente, diferentes aplicaciones en tu empresa o en tu comunidad. Pero antes de proseguir con las aplicaciones, hablemos ahora sí, de las bondades del biogás.

¿Por qué es el biogás más limpio si también produce bióxido de carbono al quemarse para producir energía eléctrica o ser usado en cocinas u hornos? Aquí les pido que me sigan con cuidado: el biogás es considerado Carbono neutral dado que el bióxido de carbono producido es el mismo que es absorbido por el material cuando se está produciendo el biogás, es decir, lo que emana al ser usado como combustible, posteriormente será utilizado en la materia orgánica usada para generar el biogás, por lo que podemos observar el ciclo completo, no se añade más bióxido de carbono a la atmósfera, lo que se emana se consume.

Uno de los principales beneficios del biogás es que reduce la carga orgánica de los fluidos de aguas residuales, por ejemplo en las aguas negras con Residuos Sólidos Urbanos (RSU), el suero que ya no se puede utilizar para producir más queso, entre otros. De esta forma es posible reducir el costo de tratar o potabilizar el agua, además de que se elimina el riesgo de modificar el ecosistema al evitar que la vegetación o la vida animal consuma sustancias que no son propias de su alimentación.

Los residuos de la producción de biogás se llaman lodos de digestión (posteriormente les explicaré la razón) o lodos residuales y también pueden ser aprovechados, lo que nos lleva a una utilización completa de los residuos orgánicos. Los lodos residuales pueden ser usados como biofertilizantes de suelos al ser altos en nitrógeno, aunque su composición química puede variar de acuerdo a la materia prima usada para generar el biogás. También pueden usarse como cubierta de rellenos sanitarios o como agente para la biorremediación de suelos por su alto contenido en nutrientes necesarios para la regeneración. Este bioabono es un excelente sustituto de los actuales fertilizantes químicos y mucho más barato de obtener.

Hasta aquí vamos avanzando en nuestro conocimiento general del biogás, pero… ¿Cómo se produce el biogás? A decir verdad, este es un tema bastante extenso que sólo tocaremos someramente en esta ocasión. Al proceso de transformación de materia orgánica en biogás se le conoce como “digestión” (sí, como la del estómago, que en realidad, es un procedimiento muy parecido). Hay dos tipos de digestión: la digestión aeróbica y la digestión anaeróbica, de acuerdo a la presencia o ausencia de oxígeno en la reacción. De acuerdo al Manual de Biogás de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, ONUAA, o más conocida como FAO, “La digestión aeróbica consiste en procesos realizados por diversos grupos de microorganismos, principalmente bacterias y protozoos que, en presencia de oxígeno actúan sobre la materia orgánica disuelta, transformándola en productos finales inocuos y materia celular”. “La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogás, mezcla de dióxido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno… Utilizando el proceso de digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos, residuos vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y de algunas industrias químicas en subproductos útiles. En la digestión anaerobia más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano, consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aeróbico”. Lo que aquí se explica es que para producir biogás es necesaria la intervención de bacterias, ya que son ellas las encargadas de modificar las cadenas de carbohidratos para producir hidrocarburos, metano en este caso. Pero estas bacterias son delicadas, es necesario cuidarlas con esmero, proporcionarles todos los elementos para que puedan vivir bien y hacer su trabajo adecuadamente. Primero es necesario tener un medio en el cual no haya oxígeno; segundo, agregarles agua para crearles un caldo de cultivo apropiado, también es necesario mantenerles una adecuada temperatura –les gusta el calor pero no sofocante, como en la playa, entre 36 °C y 40 °C-, y muy importante es un pH neutro, es decir, con valor de 7. Todo esto se hace en un bioreactor, el cual debe dejarse por un período de entre 25 a 30 días (a este se le llama tiempo de retención). Durante este tiempo de retención se genera biogás y los bioreactores pueden ser tipo batch (un solo proceso) o de producción continua, en los cuales se mantiene la entrada y salida de afluentes, es decir, la entrada de materia orgánica o residuos y agua así como la salida de materia que ya haya reaccionado. Una vez al año por lo menos es necesario detener el proceso para limpiar el bioreactor, dado que en el fondo se acumulan los desechos que ya no pueden reaccionar con las bacterias y es necesario retirarlos, a estos desechos les llamamos lodos residuales o lodos de digestión porque son el residuo del proceso de digestión (aquí la explicación que les debía).

Volviendo a los mitos, también me ha tocado encontrar que hay temor del biogás porque no tiene olor. A decir verdad, sí tiene un olor propio, derivado de la producción de sulfuro de hidrógeno como subproducto, el cual posee un olor muy característico, el de huevos podridos. El sulfuro de hidrógeno es una impureza que es necesario eliminar el biogás por dos razones principalmente: la primera es olor por sí mismo, dado que si el biogás se usa para alimentar estufas u hornos, los alimentos pueden absorber el olor o el sabor a huevo podrido, lo cual representa una desventaja si se trata de un restaurante o de tu propia casa. Así mismo, el sulfuro de hidrógeno puede ocasionar algunas reacciones adversas a la salud: a concentraciones bajas puedes presentar irritación de ojos, nariz, garganta o sistema respiratorio, cabe destacar que los efectos pueden tardar en aparecer. Pero, ¿a qué cantidad puede ser riesgoso el sulfuro de hidrógeno? En Salud Ocupacional existen estudios que han llevado a conocer los valores límite: el TLV – TWA es de 10 a 15 ppm y el IDLH es 100 ppm (partes por millón) (Threshold Limit Values – Time Weighted Average que es la concentración media en el tiempo, durante una jornada laboral normal de trabajo de 8 horas y 5 días, es decir, 40 horas laboradas por semana, a la que pueden estar expuestos los trabajadores sin presentar efectos adversos a su salud. Immediately Dangerous To Life or Health – IDLH, peligro inmediato para la vida o la salud). El contenido promedio que se encuentra en el biogás va de los 20 ppm hasta los 20,000 ppm, por lo que es de suma importancia remover el sulfuro de hidrógeno. Existen diferentes métodos, pero el más fácil y redituable es utilizar filtros de carbón activado; de ser necesario se puede utilizar un catalizador para que la remoción sea más efectiva. También se puede usar soluciones de hidróxido de sodio (NAOH), agua o sales de hierro. La segunda razón es que el sulfuro de hidrógeno es un gas altamente corrosivo y puede deteriorar los componentes del bioreactor o digestor, las tuberías de trasporte, las plantas generadoras de electricidad, etc., lo que aumenta los gastos de mantenimiento y en el peor de los casos, producir fugas. Es cierto, el biogás es un gas explosivo, pero si se mantiene las medidas de seguridad apropiadas, un adecuado plan de mantenimiento e instalaciones adecuadas, no representa mayor riesgo.

En este punto quisiera detenerme un poco dado que la seguridad es un tema fundamental. En México hemos visto grandes tragedias ocasionadas debido a la omisión del cumplimiento de normas nacionales específicas de seguridad, en las que se indican tipos de materiales, procedimientos, documentación, etc., que se deben de seguir a cabalidad a fin de evitar riesgos materiales y a la vida. Desafortunadamente, en México aún no se cuenta con una norma nacional específica para el biogás, ya sea para su producción, transporte, almacenamiento o uso. La recomendación que podría darles es seguir la normatividad internacional, los países de la Unión Europea o Estados Unidos tienen una extensa bibliografía al respecto. De particular interés, si desean profundizar en este tema, es el “Health and Safety in biomass systems. Design and operation guide” de la Combustion Engiennering Association (y si ya están investigando, muy recomendable también es el Bioenergy Europe’s Statistical Report de Bioenergy Europe, una asociación internacional sin fines de lucro). Otra opción que también es viable, es adoptar las normas para gas natural, con las que sí contamos en nuestro país. Esto se debe a la similitud entre el biogás y el gas natural, desde luego para la producción y temas de purificación de biogás hay diferencias inherentes, sin embargo, se pueden desarrollar manuales y normas internas en cada organización que produce el biogás a fin de asegurar la salud e integridad de los empleados y usuarios. La realidad es que, aunque en México el mercado de biogás se encuentra en sus primeras etapas y falta mucho por venir, es importante que se empiece a legislar lo más pronto posible, justamente a fin de sentar las bases para un crecimiento ordenado.Un tema muy importante considero que es la purificación del biogás, dado que contiene bióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno y este último puede tener efectos a la salud a altas concentraciones, como comentamos previamente. Así mismo, el bióxido de carbono es un gas inerte (es decir que no reacciona con otras sustancias) que puede reducir el potencial calorífico, por lo que si se desea tener una mayor eficiencia en la producción de energía eléctrica o enviar el biogás por los gasoductos existentes de gas natural, sería necesario eliminarlo para no contaminar el gas natural que ya viene con una pureza adecuada, de acuerdo a la normatividad existente como es la Norma Oficial Mexicana NOM – 001 – SECRE – 2010, ESPECIFICACIONES DEL GAS NATURAL. Por supuesto, también sería necesario reducir la humedad del biogás a fin de cumplir con la norma nacional anterior. La digestión anaerobia se hace en un medio acuoso, por lo que el gas producido arrastra humedad (vapor de agua), al salir del digestor generalmente se satura. Es por ello que es necesario retirar la humedad a fin de evitar que esta se condense en las tuberías y provoque corrosión al combinarse con otras impurezas, como el sulfuro de hidrógeno, y crear un ácido -ácido sulfúrico-, que como se podrán imaginar, es altamente corrosivo. Así mismo, antes de ser purificado (a fin de retirar el bióxido de carbono) es necesario quitar la humedad, una forma de hacerlo es mediante compresión y/o enfriamiento del biogás, uso de filtros de carbón activado o sílica gel, entre otros métodos.

Espera la segunda parte, próximo miércoles 28 de agosto de 2019

MBA. Olivia Hernández Ramírez

Correo: liv.heraz@gmail.com

Facebook: @iLivGreen

Estudió Ingeniería Química, una Maestría en Administración de
Negocios Internacionales y diferentes cursos a lo largo de su carrera
profesional. Inició en la industria del gas donde permaneció durante
8 años, posteriormente incursionó en Oil & Gas y amplió su pasión
por los energéticos hacia la generación de energías renovables.
Actualmente, Olivia es entrepreneur en productos ecofriendly y
eficiencia energética.


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