El biogás es una mezcla de metano, CO 2 y pequeñas cantidades de otros gases producidos por la digestión anaeróbica de materia orgánica en un ambiente libre de oxígeno. La composición precisa del biogás depende del tipo de materia prima y la vía de producción; Estos incluyen las siguientes tecnologías principales:
- Biodigestores: son sistemas herméticos (por ejemplo, contenedores o tanques) en los que el material orgánico, diluido en agua, se descompone por microorganismos naturales. Los contaminantes y la humedad generalmente se eliminan antes del uso del biogás.
- Sistemas de recuperación de gases de vertedero: la descomposición de los residuos sólidos municipales (RSU) en condiciones anaeróbicas en los vertederos produce biogás. Esto puede capturarse utilizando tuberías y pozos de extracción junto con compresores para inducir el flujo a un punto central de recolección.
- Plantas de tratamiento de aguas residuales: estas plantas pueden equiparse para recuperar materia orgánica, sólidos y nutrientes como nitrógeno y fósforo de los lodos de depuradora. Con un tratamiento adicional, el lodo de aguas residuales se puede utilizar como entrada para producir biogás en un digestor anaeróbico.
El contenido de metano del biogás generalmente oscila entre el 45% y el 75% en volumen, y la mayor parte del resto es CO 2. Esta variación significa que el contenido energético del biogás puede variar; El valor de calentamiento más bajo (LHV) está entre 16 megajulios por metro cúbico (MJ / m 3) y 28 MJ / m 3. El biogás se puede usar directamente para producir electricidad y calor o como fuente de energía para cocinar.
Biometano (también conocido como “gas natural renovable”) es una fuente casi puro de metano producido ya sea por biogás “acondicionamiento” (un proceso que elimina cualquier CO 2 y otros contaminantes presentes en el biogás) o a través de la gasificación de la biomasa sólida seguido por metanización:
- Actualización de biogás: esto representa alrededor del 90% del total de biometano producido en todo el mundo en la actualidad. Las tecnologías de actualización hacen uso de las diferentes propiedades de los diversos gases contenidos en el biogás para separarlos, con la depuración del agua y la separación de membranas que representan casi el 60% de la producción de biometano a nivel mundial en la actualidad (Cedigaz, 2019).
- Gasificación térmica de biomasa sólida seguida de metanización: la biomasa leñosa se descompone primero a alta temperatura (entre 700-800 ° C) y alta presión en un ambiente con poco oxígeno. En estas condiciones, la biomasa se convierte en una mezcla de gases, principalmente monóxido de carbono, hidrógeno y metano (a veces colectivamente llamados gas de síntesis). Para producir una corriente pura de biometano, este gas de síntesis se limpia para eliminar cualquier componente ácido y corrosivo. El proceso de metanización a continuación, utiliza un catalizador para promover una reacción entre el hidrógeno y monóxido de carbono o CO 2 al metano productos. Cualquier restante CO 2 agua o se retira al final de este proceso.
El biometano tiene un LHV de alrededor de 36 MJ / m 3. Es indistinguible del gas natural y, por lo tanto, puede usarse sin la necesidad de cambios en la infraestructura de transmisión y distribución o en el equipo del usuario final, y es totalmente compatible para su uso en vehículos de gas natural.
Existen múltiples vías de producción de biogás y biometano
Se puede utilizar una amplia variedad de materias primas para producir biogás. Para este informe, los diferentes tipos individuales de residuos o desechos se agruparon en cuatro amplias categorías de materia prima: residuos de cultivos; estiércol animal; la fracción orgánica de RSU, incluidos los residuos industriales; y lodos de aguas residuales.
- Residuos de cultivos: Residuos de la cosecha de trigo, maíz, arroz, otros cereales secundarios, remolacha azucarera, caña de azúcar, soja y otras semillas oleaginosas. Este informe incluyó cultivos secuenciales, cultivados entre dos cultivos cosechados como una solución de gestión del suelo que ayuda a preservar la fertilidad del suelo, retener el carbono del suelo y evitar la erosión; estos no compiten por tierras agrícolas con cultivos para la alimentación o la alimentación.
- Estiércol animal: del ganado, incluidos bovinos, cerdos, aves y ovejas.
- Fracción orgánica de RSU: alimentos y desechos verdes (por ejemplo, hojas y pasto), papel y cartón y madera que no se utilizan de otra manera (por ejemplo, para compostaje o reciclaje). MSW También incluye algunos residuos industriales de la industria de procesamiento de alimentos.
- Lodos de aguas residuales: materia orgánica semisólida recuperada en forma de gas residual de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales.
Los cultivos energéticos específicos, es decir, los cultivos de bajo costo y bajo mantenimiento que se cultivan únicamente para la producción de energía en lugar de alimentos, han jugado un papel importante en el aumento de la producción de biogás en algunas partes del mundo, especialmente en Alemania. Sin embargo, también han generado un debate vigoroso sobre los posibles impactos del uso de la tierra, por lo que no se consideran en la evaluación de este informe del potencial de suministro sostenible.
El uso de desechos y residuos como materia prima evita los problemas de uso de la tierra asociados con los cultivos energéticos. Los cultivos energéticos también requieren fertilizantes (típicamente producidos a partir de combustibles fósiles), lo que debe tenerse en cuenta al evaluar las emisiones del ciclo de vida de diferentes vías de producción de biogás. El uso de desechos y residuos como materia prima puede capturar metano que de otro modo podría escapar a la atmósfera a medida que se descomponen.
La mayor parte de la producción de biometano proviene de la actualización del biogás, por lo que las materias primas son las mismas que las descritas anteriormente. Sin embargo, la ruta de gasificación hacia el biometano puede usar biomasa leñosa (además de los RSU y los residuos agrícolas) como materia prima, que consiste en los residuos del manejo forestal y el procesamiento de la madera.
Las materias primas descritas anteriormente se consideraron en la evaluación de este informe del potencial de suministro sostenible de biogás y biometano, y se analizan en mayor detalle en la Sección 3 a continuación.
El aumento del biogás
El desarrollo del biogás ha sido desigual en todo el mundo, ya que depende no solo de la disponibilidad de materias primas, sino también de políticas que fomenten su producción y uso. Europa, la República Popular de China (en adelante, «China») y los Estados Unidos representan el 90% de la producción mundial.
Europa es el mayor productor de biogás en la actualidad. Alemania es, con mucho, el mercado más grande y el hogar de dos tercios de la capacidad de la planta de biogás de Europa. Los cultivos energéticos fueron la elección principal de materia prima que sostuvo el crecimiento de la industria de biogás de Alemania, pero la política recientemente se ha desplazado más hacia el uso de residuos de cultivos, cultivos secuenciales, desechos de ganado y la captura de metano de los vertederos. Otros países como Dinamarca, Francia, Italia y los Países Bajos han promovido activamente la producción de biogás.
En China, las políticas han respaldado la instalación de digestores a escala doméstica en las zonas rurales con el objetivo de aumentar el acceso a la energía moderna y a combustibles limpios para cocinar; Estos digestores representan alrededor del 70% de la capacidad instalada de biogás en la actualidad. Se han anunciado diferentes programas para apoyar la instalación de plantas de cogeneración a gran escala (es decir, plantas que producen calor y electricidad). Además, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma de China emitió un documento de orientación a fines de 2019 específicamente sobre la industrialización del biogás y la actualización al biometano, apoyando también el uso de biometano en el sector del transporte.
En los Estados Unidos, la vía principal para el biogás ha sido a través de la recolección de gas de vertedero, que hoy representa casi el 90% de su producción de biogás. También existe un creciente interés en la producción de biogás a partir de desechos agrícolas, ya que los mercados domésticos de ganado son responsables de casi un tercio de las emisiones de metano en los Estados Unidos (USDA, 2016). Estados Unidos también está liderando el uso del biometano a nivel mundial en el sector del transporte, como resultado del apoyo estatal y federal.
Alrededor de la mitad de la producción restante proviene de países en desarrollo de Asia, especialmente Tailandia e India. La remuneración a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) fue un factor clave que sustenta este crecimiento, particularmente entre 2007 y 2011. El desarrollo de nuevos proyectos de biogás se redujo drásticamente después de 2011, ya que el valor de los créditos de reducción de emisiones otorgados en virtud del MDL disminuyó. Tailandia produce biogás a partir de los flujos de residuos de su sector de almidón de yuca, industria de biocombustibles y granjas porcinas. India tiene como objetivo desarrollar alrededor de 5 000 nuevas plantas de biogás comprimido en los próximos cinco años (GMI, 2019).
Argentina y brasil también han apoyado el biogás a través de subastas; Brasil ha visto que la mayoría de la producción proviene de los vertederos, pero también existe el potencial de la vinaza, un subproducto de la industria del etanol.
Una imagen clara del consumo actual de biogás en África se hace más difícil por la falta de datos, pero su uso se ha concentrado en países con programas de apoyo específicos. Algunos gobiernos, como Benin, Burkina Faso y Etiopía, otorgan subsidios que pueden cubrir de la mitad a la totalidad de la inversión, mientras que numerosos proyectos promovidos por organizaciones no gubernamentales brindan conocimientos prácticos y subsidios para reducir el costo neto de inversión. Además de estos subsidios, las líneas de crédito han progresado en algunos países, en particular un reciente acuerdo de arrendamiento con opción de compra en Kenia que financió casi la mitad de las instalaciones del digestor en 2018 (ter Heegde, 2019).
Biometano podría ser una fuente importante de crecimiento futuro
Casi dos tercios de la producción de biogás en 2018 se utilizaron para generar electricidad y calor (con una división aproximadamente igual entre las instalaciones solo de electricidad y las instalaciones de cogeneración). Alrededor del 30% se consumió en edificios, principalmente en el sector residencial para cocinar y calentar, y el resto se actualizó a biometano y se mezcló con las redes de gas o se utilizó como combustible de transporte.
Hoy hay alrededor de 18 GW de capacidad instalada de generación de energía que funciona con biogás en todo el mundo, la mayoría de los cuales se encuentra en Alemania, los Estados Unidos y el Reino Unido. La capacidad aumentó en promedio un 4% anual entre 2010 y 2018. En los últimos años, el despliegue en los Estados Unidos y algunos países europeos se ha ralentizado, principalmente debido a los cambios en el apoyo a las políticas, aunque el crecimiento ha comenzado a repuntar en otros mercados como China y Turquía.
El costo nivelado de generar electricidad a partir del biogás varía de acuerdo con las materias primas utilizadas y la sofisticación de la planta, y oscila entre USD 50 por megavatio-hora (MWh) y USD 190 / MWh. Una parte sustancial de este rango está por encima del costo de generación a partir de energía eólica y fotovoltaica (PV) solar a escala de servicios públicos, que se han reducido drásticamente en los últimos años.
Los costos relativamente altos de la generación de energía de biogás significan que la transición de las tarifas de alimentación a los marcos de subasta de electricidad renovable neutra en tecnología (como los acuerdos de compra de energía) en muchos países podría limitar las perspectivas futuras de plantas de biogás solo de electricidad. Sin embargo, a diferencia de la energía eólica y solar fotovoltaica, las plantas de biogás pueden operar de manera flexible y, por lo tanto, proporcionar servicios de equilibrio y otros servicios auxiliares a la red eléctrica. Reconocer el valor de estos servicios ayudaría a estimular futuras perspectivas de despliegue para las plantas de biogás.
Cuando está disponible la extracción de calor local, el argumento económico para la cogeneración de biogás es más sólido que para una planta de electricidad solamente. Esto se debe a que la cogeneración puede proporcionar un mayor nivel de eficiencia energética, con alrededor del 35% de la energía del biogás utilizada para generar electricidad y un 40-50% adicional del calor residual utilizado para uso productivo.
Ciertos subsectores industriales, como los alimentos y las bebidas y los productos químicos, producen desechos húmedos con un alto contenido orgánico, que es una materia prima adecuada para la digestión anaerobia. En tales industrias, la producción de biogás también puede tener el cobeneficio de proporcionar tratamiento para los residuos y al mismo tiempo suministrar calor y electricidad en el sitio.
Por el momento, una parte relativamente pequeña pero creciente del biogás producido en todo el mundo se actualiza a biometano. Esta área tiene un potencial significativo para un mayor crecimiento, aunque, como se describe en las secciones posteriores de este informe, esto depende en gran medida de la fortaleza y el diseño de políticas destinadas a descarbonizar el suministro de gas en diferentes partes del mundo.
