El biogás es una fuente de energía renovable gaseosa [1] producida a partir de materias primas como desechos agrícolas , estiércol , desechos municipales , material vegetal , aguas residuales , desechos verdes , aguas residuales y desechos de alimentos . El biogás se produce mediante digestión anaeróbica con organismos anaeróbicos o metanógenos dentro de un digestor anaeróbico , biodigestor o biorreactor . [2]
La composición del gas es principalmente metano ( CH
4) y dióxido de carbono ( CO
2) y puede tener pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno ( H
2S ), humedad y siloxanos . Los gases metano e hidrógeno pueden quemarse u oxidarse con oxígeno. Esta liberación de energía permite utilizar el biogás como combustible ; se puede utilizar en pilas de combustible y para fines de calefacción, como por ejemplo para cocinar. También se puede utilizar en un motor de gas para convertir la energía del gas en electricidad y calor. [3]
Después de eliminar el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, se puede comprimir del mismo modo que el gas natural y utilizarse para propulsar vehículos de motor . En el Reino Unido, por ejemplo, se estima que el biogás tiene potencial para sustituir alrededor del 17% del combustible de los vehículos. [4] Califica para recibir subsidios a las energías renovables en algunas partes del mundo. El biogás se puede limpiar y actualizar a los estándares del gas natural cuando se convierte en biometano. El biogás se considera un recurso renovable porque su ciclo de producción y uso es continuo y no genera dióxido de carbono neto. Desde la perspectiva del carbono, durante el crecimiento del recurso biológico primario se absorbe de la atmósfera tanto dióxido de carbono como el que se libera cuando el material finalmente se convierte en energía.
El biogás es producido por microorganismos, como los metanógenos y las bacterias reductoras de sulfato , que realizan respiración anaeróbica. El biogás puede referirse al gas producido de forma natural e industrial.
En el suelo, el metano es producido en ambientes anaeróbicos por metanógenos, pero los metanótrofos lo consumen principalmente en zonas aeróbicas . Las emisiones de metano se producen cuando la balanza favorece a los metanógenos. Los suelos de los humedales son la principal fuente natural de metano. Otras fuentes incluyen océanos, suelos forestales, termitas y rumiantes salvajes. [5]
El objetivo de la producción industrial de biogás es la recogida de biometano, normalmente como combustible. Se produce biogás industrial;
Una planta de biogás es el nombre que se le da a menudo a un digestor anaeróbico que trata desechos agrícolas o cultivos energéticos. Se puede producir mediante digestores anaeróbicos (tanques herméticos con diferentes configuraciones). Estas plantas pueden alimentarse con cultivos energéticos como ensilaje de maíz o desechos biodegradables, incluidos lodos de depuradora y desechos de alimentos. Durante el proceso, los microorganismos transforman los residuos de biomasa en biogás (principalmente metano y dióxido de carbono) y digestato . Se pueden producir mayores cantidades de biogás cuando las aguas residuales se digieren conjuntamente con otros residuos de la industria láctea, azucarera o cervecera. Por ejemplo, al mezclar el 90% de las aguas residuales de la fábrica de cerveza con un 10% de suero de vaca, la producción de biogás aumentó 2,5 veces en comparación con el biogás producido únicamente por las aguas residuales de la cervecería. [6]
La producción de biogás a partir de maíz plantado intencionalmente se ha descrito como insostenible y dañina debido al carácter muy concentrado, intenso y erosionador del suelo de estas plantaciones. [7]
Hay dos procesos clave: digestión mesófila y termófila que depende de la temperatura. En un trabajo experimental en la Universidad de Alaska en Fairbanks , un digestor de 1000 litros que utiliza psicrófilos recolectados del "lodo de un lago congelado en Alaska" ha producido entre 200 y 300 litros de metano por día, alrededor del 20 al 30% de la producción de los digestores en climas más cálidos. climas. [8]
La contaminación del aire producida por el biogás es similar a la del gas natural , ya que cuando se enciende metano (un componente importante del biogás) para su uso como fuente de energía , se produce dióxido de carbono como un producto que es un gas de efecto invernadero (como se describe en este ecuación: CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O ). El contenido de sulfuro de hidrógeno tóxico presenta riesgos adicionales y ha sido responsable de accidentes graves. [9] Las fugas de metano sin quemar son un riesgo adicional, porque el metano es un potente gas de efecto invernadero . Una instalación puede perder el 2% del metano. [10] [11]
El biogás puede ser explosivo cuando se mezcla en una proporción de una parte de biogás por 8 a 20 partes de aire. Se deben tomar precauciones de seguridad especiales al ingresar a un digestor de biogás vacío para realizar trabajos de mantenimiento. Es importante que un sistema de biogás nunca tenga presión negativa ya que esto podría provocar una explosión. Puede producirse una presión de gas negativa si se elimina o se fuga demasiado gas; Debido a esto, el biogás no debe usarse a presiones inferiores a una columna de pulgada de agua, medida con un manómetro. [ cita necesaria ]
Se deben realizar controles frecuentes de olores en un sistema de biogás. Si se huele biogás en cualquier lugar, se deben abrir inmediatamente las ventanas y puertas. En caso de incendio, se debe cortar el gas en la válvula de compuerta del sistema de biogás. [12]
El gas de vertedero se produce a partir de residuos orgánicos húmedos que se descomponen en condiciones anaeróbicas de forma similar al biogás. [13] [14]
Los residuos se tapan y comprimen mecánicamente por el peso del material que se deposita encima. Este material previene la exposición al oxígeno, permitiendo así que prosperen los microbios anaeróbicos. El biogás se acumula y se libera lentamente a la atmósfera si el sitio no ha sido diseñado para capturar el gas. El gas de vertedero liberado de forma incontrolada puede ser peligroso ya que puede volverse explosivo cuando se escapa del vertedero y se mezcla con oxígeno. El límite explosivo inferior es 5% de metano y el superior es 15% de metano. [15]
El metano del biogás es un gas de efecto invernadero 28 [16] veces más potente que el dióxido de carbono. Por lo tanto, el gas de vertedero no contenido que se escapa a la atmósfera puede contribuir significativamente a los efectos del calentamiento global . Además, los compuestos orgánicos volátiles (COV) del gas de vertedero contribuyen a la formación de smog fotoquímico .
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es una medida de la cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos aeróbicos para descomponer la materia orgánica en una muestra de material que se utiliza en el biodigestor, así como la DBO para la descarga líquida permite calcular la Producción diaria de energía de un biodigestor.
Otro término relacionado con los biodigestores es suciedad del efluente, que indica cuánto material orgánico hay por unidad de fuente de biogás. Las unidades típicas para esta medida son mg DBO/litro. A modo de ejemplo, la suciedad de los efluentes puede oscilar entre 800 y 1200 mg DBO/litro en Panamá. [ cita necesaria ]
De 1 kg de biorresiduos de cocina desmantelados se pueden obtener 0,45 m 3 de biogás. El precio de la recogida de residuos biológicos de los hogares es de aproximadamente 70 euros por tonelada. [17]
La composición del biogás varía dependiendo de la composición del sustrato, así como de las condiciones dentro del reactor anaeróbico (temperatura, pH y concentración del sustrato). [19] El gas de vertedero suele tener concentraciones de metano de alrededor del 50%. Las tecnologías avanzadas de tratamiento de residuos pueden producir biogás con entre un 55% y un 75% de metano, [20] que en reactores con líquidos libres puede aumentarse hasta un 80%-90% de metano utilizando técnicas de purificación de gas in situ . [21] Tal como se produce, el biogás contiene vapor de agua. El volumen fraccional de vapor de agua es función de la temperatura del biogás; La corrección del volumen de gas medido para el contenido de vapor de agua y la expansión térmica se realiza fácilmente mediante matemáticas simples [22] que producen el volumen estandarizado de biogás seco.
Para 1000 kg (peso húmedo) de entrada a un biodigestor típico, los sólidos totales pueden ser el 30% del peso húmedo, mientras que los sólidos suspendidos volátiles pueden ser el 90% del total de sólidos. Las proteínas serían el 20% de los sólidos volátiles, los carbohidratos serían el 70% de los sólidos volátiles y finalmente las grasas serían el 10% de los sólidos volátiles.
Sulfuro de hidrógeno tóxico y maloliente ( H
2S ) es el contaminante más común en el biogás, pero pueden estar presentes otros compuestos que contienen azufre, como los tioles . Si se deja en la corriente de biogás, el sulfuro de hidrógeno es corrosivo y cuando se quema produce dióxido de azufre ( SO
2) y ácido sulfúrico ( H
2ENTONCES
4), también compuestos corrosivos y peligrosos para el medio ambiente. [23]
Amoníaco ( NH
3) se produce a partir de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno, como los aminoácidos de las proteínas . Si no se separa del biogás, la combustión produce NOXemisiones. [23]
En algunos casos, el biogás contiene siloxanos . Se forman a partir de la descomposición anaeróbica de materiales que se encuentran comúnmente en jabones y detergentes. Durante la combustión de biogás que contiene siloxanos, se libera silicio que puede combinarse con oxígeno libre u otros elementos del gas de combustión . Se forman depósitos que contienen principalmente sílice ( SiO
2) o silicatos ( Si
Xoh
y) y puede contener calcio , azufre , zinc , fósforo . Estos depósitos minerales blancos se acumulan hasta alcanzar un espesor superficial de varios milímetros y deben eliminarse por medios químicos o mecánicos.
Se encuentran disponibles tecnologías prácticas y rentables para eliminar siloxanos y otros contaminantes del biogás. [24]
Se producen altos niveles de metano cuando el estiércol se almacena en condiciones anaeróbicas. Durante el almacenamiento y cuando se ha aplicado estiércol a la tierra, también se produce óxido nitroso como subproducto del proceso de desnitrificación. Óxido nitroso ( norte
2O ) es 320 veces más agresivo como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono [25] y el metano 25 veces más que el dióxido de carbono. [26]
Al convertir el estiércol de vaca en biogás metano mediante digestión anaeróbica , los millones de cabezas de ganado en los Estados Unidos podrían producir 100 mil millones de kilovatios hora de electricidad, suficiente para alimentar a millones de hogares en todo el país. Una vaca puede producir suficiente estiércol en un día para generar 3 kilovatios hora de electricidad. [27] Además, al convertir el estiércol de ganado en biogás metano en lugar de dejarlo descomponerse, los gases que causan el calentamiento global podrían reducirse en 99 millones de toneladas métricas o un 4%. [28]
El biogás se puede utilizar para la producción de electricidad en plantas de tratamiento de aguas residuales, [29] en un motor de cogeneración de gas , donde el calor residual del motor se utiliza convenientemente para calentar el digestor; cocinando; calefacción de espacios; calentamiento de agua ; y calentamiento de procesos. Si se comprime, puede sustituir al gas natural comprimido para su uso en vehículos, donde puede alimentar un motor de combustión interna o pilas de combustible y es un desplazador de dióxido de carbono mucho más eficaz que el uso normal en las plantas de cogeneración in situ. [29]
El biogás crudo producido a partir de la digestión tiene aproximadamente un 60% de metano y un 39% de CO.
2con oligoelementos de H
2S : inadecuado para uso en maquinaria. La naturaleza corrosiva del H
2S por sí solo es suficiente para destruir los mecanismos. [23]
El metano del biogás se puede concentrar mediante un mejorador de biogás con los mismos estándares que el gas natural fósil , que a su vez tiene que pasar por un proceso de limpieza y se convierte en biometano . Si la red local de gas lo permite, el productor de biogás podrá utilizar sus redes de distribución. El gas debe estar muy limpio para alcanzar la calidad del gasoducto y debe tener la composición correcta para que la red de distribución lo acepte. Si están presentes, se deben eliminar el dióxido de carbono , el agua , el sulfuro de hidrógeno y las partículas . [23]
Hay cuatro métodos principales de mejora: lavado con agua, absorción por cambio de presión, absorción de selexol y tratamiento con gas amina . [30] Además de estos, el uso de tecnología de separación por membranas para la mejora del biogás está aumentando y ya hay varias plantas operativas en Europa y EE. UU. [23] [31]
El método más frecuente es el lavado con agua, en el que el gas a alta presión fluye hacia una columna donde el dióxido de carbono y otros oligoelementos se lavan mediante una cascada de agua que corre en contracorriente del gas. Este acuerdo podría entregar un 98% de metano y los fabricantes garantizarían una pérdida máxima de metano del 2% en el sistema. Se necesita aproximadamente entre el 3% y el 6% de la producción total de energía en gas para hacer funcionar un sistema de mejora de biogás.
La inyección de gas a la red es la inyección de biogás en la red de metano ( red de gas natural ). Hasta el avance de la microcombinación de calor y electricidad, dos tercios de toda la energía producida por las centrales eléctricas de biogás se perdían (en forma de calor). Al utilizar la red para transportar el gas a los consumidores, la energía se puede utilizar para generación in situ , [32] , lo que resulta en una reducción de las pérdidas en el transporte de energía. Las pérdidas de energía típicas en los sistemas de transmisión de gas natural oscilan entre el 1% y el 2%; en la transmisión de electricidad oscilan entre el 5% y el 8%. [33]
Antes de ser inyectado en la red de gas, el biogás pasa por un proceso de limpieza durante el cual se mejora hasta alcanzar la calidad de gas natural. Durante el proceso de limpieza se eliminan trazas de componentes nocivos para la red de gas y para los usuarios finales. [34]
Si se concentra y se comprime, se puede utilizar en el transporte de vehículos. El biogás comprimido se está utilizando cada vez más en Suecia, Suiza y Alemania. Un tren propulsado por biogás, llamado Biogaståget Amanda (El Tren de Biogás Amanda), ha estado en servicio en Suecia desde 2005. [35] [36] El biogás impulsa los automóviles. En 1974, un documental británico titulado Sweet as a Nut detalló el proceso de producción de biogás a partir de estiércol de cerdo y mostró cómo alimentaba un motor de combustión adaptado a medida. [37] [38] En 2007, se estima que 12.000 vehículos estaban siendo alimentados con biogás mejorado en todo el mundo, principalmente en Europa. [39]
El biogás es parte de la categoría de gas húmedo y gas de condensación (o aire) que incluye niebla o niebla en la corriente de gas. La neblina o niebla es predominantemente vapor de agua que se condensa en los lados de las tuberías o chimeneas a lo largo del flujo de gas. Los entornos de biogás incluyen digestores de aguas residuales, vertederos y operaciones de alimentación animal (lagunas cubiertas para ganado).
Los caudalímetros ultrasónicos son uno de los pocos dispositivos capaces de medir en una atmósfera de biogás. La mayoría de los medidores de flujo térmico no pueden proporcionar datos confiables porque la humedad provoca lecturas de flujo altas y constantes y picos continuos de flujo, aunque existen medidores de flujo másico térmico de inserción de un solo punto capaces de monitorear con precisión los flujos de biogás con una caída de presión mínima. Pueden manejar las variaciones de humedad que ocurren en la corriente de flujo debido a las fluctuaciones de temperatura diarias y estacionales, y tener en cuenta la humedad en la corriente de flujo para producir un valor de gas seco.
El biogás se puede utilizar en diferentes tipos de motores de combustión interna, como los motores de gas Jenbacher o Caterpillar . [40] Otros motores de combustión interna, como las turbinas de gas, son adecuados para la conversión de biogás en electricidad y calor. El digestato es el resto de materia inorgánica que no fue transformada en biogás. Puede utilizarse como fertilizante agrícola.
El biogás se puede utilizar como combustible en el sistema de producción de biogás a partir de desechos agrícolas y de cogeneración de calor y electricidad en una planta de cogeneración de calor y energía ( CHP ). A diferencia de otras energías verdes, como la eólica y la solar, se puede acceder rápidamente al biogás según demanda. El potencial de calentamiento global también puede reducirse considerablemente si se utiliza biogás como combustible en lugar de combustibles fósiles . [41]
Sin embargo, los potenciales de acidificación y eutrofización producidos por el biogás son 25 y 12 veces mayores, respectivamente, que los de las alternativas de combustibles fósiles . Este impacto se puede reducir mediante el uso de una combinación correcta de materias primas, almacenamiento cubierto para los digestores y técnicas mejoradas para recuperar el material que se escapa. En general, los resultados aún sugieren que el uso de biogás puede conducir a una reducción significativa de la mayoría de los impactos en comparación con las alternativas de combustibles fósiles. Al mismo tiempo que se implica al sistema, se debe considerar el equilibrio entre el daño ambiental y las emisiones de gases de efecto invernadero . [42]
Proyectos como NANOCLEAN están desarrollando hoy en día nuevas formas de producir biogás de forma más eficiente, utilizando nanopartículas de óxido de hierro en los procesos de tratamiento de residuos orgánicos. Este proceso puede triplicar la producción de biogás. [43]
Los Lodos Fecales son producto de los sistemas de saneamiento in situ. Después de la recolección y el transporte, los lodos fecales pueden tratarse con aguas residuales en una planta de tratamiento convencional o, de lo contrario, pueden tratarse de forma independiente en una planta de tratamiento de lodos fecales. Los lodos fecales también pueden cotratarse con residuos sólidos orgánicos mediante compostaje o en un sistema de digestión anaeróbica . [44] El biogás se puede generar mediante digestión anaeróbica en el tratamiento de lodos fecales.
La gestión adecuada de las excretas y su valorización mediante la producción de biogás a partir de lodos fecales ayuda a mitigar los efectos de las excretas mal gestionadas, como las enfermedades transmitidas por el agua y la contaminación del agua y del medio ambiente. [45]
La Recuperación y Reutilización de Recursos (RRR) es un subprograma del Programa de Investigación del CGIAR sobre Agua, Tierra y Ecosistemas (WLE) dedicado a la investigación aplicada sobre la recuperación segura de agua, nutrientes y energía de flujos de desechos domésticos y agroindustriales. [46] Creen que utilizar los residuos como energía sería bueno desde el punto de vista financiero y abordaría cuestiones de saneamiento, salud y medio ambiente.
La Unión Europea tiene una legislación relativa a la gestión de residuos y vertederos llamada Directiva de Vertederos .
Países como el Reino Unido y Alemania cuentan ahora con legislación vigente que proporciona a los agricultores ingresos y seguridad energética a largo plazo. [47]
La UE exige que los motores de combustión interna con biogás tengan suficiente presión de gas para optimizar la combustión, y dentro de la Unión Europea, las unidades de ventilador centrífugo ATEX construidas de acuerdo con la directiva europea 2014–34/UE (anteriormente 94/9/EG) son obligatorias. Estos ventiladores centrífugos, como por ejemplo Combimac , Meidinger AG o Witt & Sohn AG, son adecuados para su uso en las zonas 1 y 2 .
Estados Unidos legisla contra el gas de vertedero porque contiene COV . La Ley de Aire Limpio de los Estados Unidos y el Título 40 del Código de Regulaciones Federales (CFR) exigen que los propietarios de vertederos estimen la cantidad de compuestos orgánicos distintos del metano (NMOC) emitidos. Si las emisiones estimadas de NMOC exceden las 50 toneladas por año, el propietario del vertedero debe recolectar el gas y tratarlo para eliminar los NMOC arrastrados. Por lo general, eso significa quemarlo. Debido a la lejanía de los vertederos, a veces no es económicamente viable producir electricidad a partir del gas. [48]
Existe una variedad de subvenciones y préstamos que apoyan el desarrollo de sistemas digestores anaeróbicos. El Programa Rural Energy for American proporciona financiamiento de préstamos y subvenciones para sistemas de biogás, al igual que el Programa de Incentivos de Calidad Ambiental , el Programa de Administración de la Conservación y el Programa de Préstamos para la Conservación. [49]
Con los numerosos beneficios del biogás, está empezando a convertirse en una fuente de energía popular y está empezando a utilizarse más en los Estados Unidos. [50] En 2003, Estados Unidos consumió 43 TWh (147 billones de BTU) de energía procedente de "gas de vertedero", aproximadamente el 0,6% del consumo total de gas natural de Estados Unidos. [39] El biogás metano derivado del estiércol de vaca se está probando en los EE. UU. Según un estudio de 2008, recopilado por la revista Science and Children , el biogás metano del estiércol de vaca sería suficiente para producir 100 mil millones de kilovatios hora suficientes para alimentar a millones de hogares en todo el mundo. America. Además, se ha probado que el biogás metano puede reducir 99 millones de toneladas métricas de emisiones de gases de efecto invernadero o alrededor del 4% de los gases de efecto invernadero producidos por los Estados Unidos. [51]
El número de digestores en granjas aumentó un 21% en 2021 según el American Biogas Council. [52] En Vermont, el biogás generado en granjas lecheras se incluyó en el programa CVPS Cow Power. El programa fue ofrecido originalmente por Central Vermont Public Service Corporation como una tarifa voluntaria y ahora, con una reciente fusión con Green Mountain Power, es ahora el Programa GMP Cow Power. Los clientes pueden optar por pagar una prima en su factura de electricidad, y esa prima se transfiere directamente a las granjas del programa. En Sheldon, Vermont , Green Mountain Dairy ha proporcionado energía renovable como parte del programa Cow Power. Todo comenzó cuando los hermanos propietarios de la granja, Bill y Brian Rowell, quisieron abordar algunos de los desafíos de manejo del estiércol que enfrentan las granjas lecheras, incluido el olor del estiércol y la disponibilidad de nutrientes para los cultivos que necesitan para alimentar a los animales. Instalaron un digestor anaeróbico para procesar los desechos de las vacas y del centro de ordeño de sus 950 vacas para producir energía renovable, un lecho para reemplazar el aserrín y un fertilizante respetuoso con las plantas. Los atributos energéticos y ambientales se venden al programa GMP Cow Power. En promedio, el sistema administrado por los Rowell produce suficiente electricidad para alimentar entre 300 y 350 hogares más. La capacidad del generador es de unos 300 kilovatios. [53]
En Hereford, Texas , se utiliza estiércol de vaca para alimentar una planta de energía de etanol . Al cambiar al biogás metano, la central eléctrica de etanol ha ahorrado 1.000 barriles de petróleo al día. En general, la central eléctrica ha reducido los costos de transporte y creará muchos más puestos de trabajo para futuras centrales eléctricas que dependerán del biogás. [54]
En Oakley, Kansas , una planta de etanol considerada una de las instalaciones de biogás más grandes de América del Norte está utilizando un sistema integrado de utilización de estiércol (IMUS) para producir calor para sus calderas utilizando estiércol de corral de engorde, materia orgánica municipal y desechos de plantas de etanol. A plena capacidad, se espera que la planta reemplace el 90% del combustible fósil utilizado en el proceso de fabricación de etanol y metanol. [55] [56]
En California, la Southern California Gas Company ha abogado por mezclar biogás en los gasoductos de gas natural existentes. Sin embargo, los funcionarios del estado de California han adoptado la posición de que el biogás "se utiliza mejor en sectores de la economía difíciles de electrificar, como la aviación, la industria pesada y el transporte por carretera de larga distancia". [57]
El nivel de desarrollo varía mucho en Europa. Si bien países como Alemania, Austria y Suecia están bastante avanzados en el uso de biogás, existe un enorme potencial para esta fuente de energía renovable en el resto del continente, especialmente en Europa del Este. MT-Energie es una empresa alemana de tecnología de biogás que opera en el campo de las energías renovables . [58] Los diferentes marcos legales, planes educativos y la disponibilidad de tecnología se encuentran entre las principales razones detrás de este potencial sin explotar. [59] Otro desafío para el avance del biogás ha sido la percepción pública negativa. [60]
En febrero de 2009, se fundó en Bruselas la Asociación Europea de Biogás (EBA) como una organización sin fines de lucro para promover el despliegue de la producción y el uso sostenible de biogás en Europa. La estrategia de la EBA define tres prioridades: establecer el biogás como una parte importante de la combinación energética de Europa, promover la separación en origen de los residuos domésticos para aumentar el potencial del gas y apoyar la producción de biometano como combustible para vehículos. En julio de 2013, contaba con 60 miembros de 24 países de toda Europa. [61]
En septiembre de 2013 [update], hay alrededor de 130 plantas de biogás no residuales en el Reino Unido. La mayoría están en granjas, y existen algunas instalaciones más grandes fuera de las granjas, que recogen alimentos y desechos de los consumidores. [62]
El 5 de octubre de 2010 se inyectó por primera vez biogás en la red de gas del Reino Unido. Las aguas residuales de más de 30.000 hogares de Oxfordshire se envían a la planta de tratamiento de aguas residuales de Didcot , donde se tratan en un digestor anaeróbico para producir biogás, que luego se limpia para proporcionar gas a aproximadamente 200 hogares. [63]
En 2015, la empresa de energía verde Ecotricity anunció sus planes de construir tres digestores de inyección a red. [64]
En Italia, la industria del biogás comenzó en 2008, gracias a la introducción de tarifas de alimentación ventajosas. Posteriormente fueron reemplazadas por primas de alimentación y se dio preferencia a los productos y residuos agrícolas, lo que provocó un estancamiento en la producción de biogás y el calor y la electricidad derivados desde 2012. [65] En septiembre de 2018 [update], en Italia hay más de 200 plantas de biogás con una producción de aproximadamente 1,2 GW [66] [67] [68]
Alemania es el mayor productor de biogás de Europa [69] y el líder del mercado en tecnología de biogás. [70] En 2010 había 5.905 plantas de biogás en funcionamiento en todo el país: Baja Sajonia, Baviera y los estados federados del este son las principales regiones. [71] La mayoría de estas plantas se emplean como centrales eléctricas. Normalmente, las plantas de biogás están conectadas directamente con una cogeneración que produce energía eléctrica quemando biometano. Luego, la energía eléctrica se inyecta a la red eléctrica pública. [72] En 2010, la capacidad eléctrica total instalada de estas centrales eléctricas fue de 2.291 MW. [71] El suministro de electricidad fue de aproximadamente 12,8 TWh, lo que representa el 12,6 por ciento del total de electricidad renovable generada. [73]
El biogás en Alemania se extrae principalmente mediante la cofermentación de cultivos energéticos (llamados 'NawaRo', abreviatura de nachwachsende Rohstoffe , que en alemán significa recursos renovables) mezclados con estiércol. El principal cultivo utilizado es el maíz. Para la generación de biogás también se utilizan residuos orgánicos y residuos industriales y agrícolas, como los residuos de la industria alimentaria. [74] A este respecto, la producción de biogás en Alemania difiere significativamente de la del Reino Unido, donde el biogás generado en vertederos es más común. [69]
La producción de biogás en Alemania se ha desarrollado rápidamente durante los últimos 20 años. La razón principal son los marcos creados legalmente. El apoyo gubernamental a las energías renovables comenzó en 1991 con la Ley de Alimentación de Electricidad ( StrEG ). Esta ley garantizó a los productores de energía procedente de fuentes renovables la alimentación a la red eléctrica pública, por lo que las empresas eléctricas se vieron obligadas a tomar toda la energía producida de productores privados independientes de energía verde. [75] En 2000, la Ley de suministro de electricidad fue sustituida por la Ley de fuentes de energía renovables ( EEG ). Esta ley garantizaba incluso una compensación fija por la energía eléctrica producida durante 20 años. El importe de unos 8 ¢/kWh dio a los agricultores la oportunidad de convertirse en proveedores de energía y obtener una fuente adicional de ingresos. [74]
La producción agrícola alemana de biogás recibió en 2004 un nuevo impulso con la aplicación del llamado Bonus NawaRo. Se trata de un pago especial que se otorga por el uso de recursos renovables, es decir, cultivos energéticos. [76] En 2007, el gobierno alemán destacó su intención de invertir más esfuerzos y apoyo en mejorar el suministro de energía renovable para dar una respuesta a los crecientes desafíos climáticos y al aumento de los precios del petróleo mediante el 'Programa Integrado de Clima y Energía'.
Esta tendencia continua de promoción de las energías renovables induce una serie de desafíos que enfrenta la gestión y organización del suministro de energía renovable que también tiene varios impactos en la producción de biogás. [77] El primer desafío que llama la atención es el alto consumo de superficie del suministro de energía eléctrica con biogás. En 2011, los cultivos energéticos para la producción de biogás consumieron una superficie de unas 800.000 hectáreas en Alemania. [78] Esta alta demanda de superficies agrícolas genera nuevas competencias con las industrias alimentarias que no existían hasta ahora. Además, se crearon nuevas industrias y mercados en regiones predominantemente rurales, lo que implicaba nuevos actores con antecedentes económicos, políticos y civiles. Es necesario gobernar su influencia y su actuación para obtener todas las ventajas que ofrece esta nueva fuente de energía. Por último, el biogás desempeñará además un papel importante en el suministro de energía renovable alemán si se centra en la buena gobernanza. [77]
Las plantas de biogás domésticas convierten el estiércol del ganado y la tierra nocturna en biogás y purines, es decir, estiércol fermentado. Esta tecnología es factible para pequeños agricultores con ganado que produzca 50 kg de estiércol por día, el equivalente a unos 6 cerdos o 3 vacas. Este estiércol tiene que ser recolectable para mezclarlo con agua y alimentarlo a la planta. Los baños se pueden conectar. Otra condición previa es la temperatura que afecta al proceso de fermentación. Con un valor óptimo de 36 °C, la tecnología es especialmente adecuada para quienes viven en un clima (sub)tropical. Esto hace que la tecnología sea a menudo adecuada para los pequeños agricultores de los países en desarrollo. [79]
Dependiendo del tamaño y la ubicación, una típica planta de biogás de cúpula fija hecha de ladrillos se puede instalar en el patio de un hogar rural con una inversión de entre 300 y 500 dólares estadounidenses en los países asiáticos y hasta 1400 dólares en el contexto africano. [80] Una planta de biogás de alta calidad necesita costos mínimos de mantenimiento y puede producir gas durante al menos 15 a 20 años sin mayores problemas ni reinversiones. Para el usuario, el biogás proporciona energía limpia para cocinar , reduce la contaminación del aire interior y reduce el tiempo necesario para la recolección tradicional de biomasa, especialmente para mujeres y niños. El purín es un fertilizante orgánico limpio que potencialmente aumenta la productividad agrícola. [79]
La energía es una parte importante de la sociedad moderna y puede servir como uno de los indicadores más importantes del desarrollo socioeconómico. Aun así, por mucho que haya habido avances en la tecnología, unos tres mil millones de personas, principalmente en las zonas rurales de los países en desarrollo, continúan accediendo a sus necesidades energéticas para cocinar a través de medios tradicionales mediante la quema de recursos de biomasa como leña, residuos de cultivos y estiércol animal. en toscas estufas tradicionales. [81]
La tecnología de biogás nacional es una tecnología probada y establecida en muchas partes del mundo, especialmente en Asia. [82] Varios países de esta región se han embarcado en programas a gran escala sobre biogás doméstico, como China [83] y la India.
La Organización de Desarrollo de los Países Bajos , SNV, [84] apoya programas nacionales sobre biogás doméstico que tienen como objetivo establecer sectores de biogás doméstico comercialmente viables en los que las empresas locales comercialicen, instalen y mantengan plantas de biogás para hogares. En Asia, SNV está trabajando en Nepal, [85] Vietnam, [86] [87] Bangladesh, [88] Bután, Camboya, [88] República Democrática Popular Lao, [89] Pakistán [90] e Indonesia, [91] y en África; Ruanda, [92] Senegal, Burkina Faso, Etiopía, [93] Tanzania, [94] Uganda, Kenia, [95] Benin y Camerún.
En Sudáfrica se fabrica y vende un sistema de biogás prefabricado. Una característica clave es que la instalación requiere menos habilidad y es más rápida de instalar ya que el tanque digestor es de plástico prefabricado. [96]
El biogás en la India [97] se ha basado tradicionalmente en el estiércol de leche como materia prima y estas plantas de gas "gobar" han estado en funcionamiento durante un largo período de tiempo, especialmente en las zonas rurales de la India. En las últimas dos o tres décadas, las organizaciones de investigación centradas en la seguridad energética rural han mejorado el diseño de los sistemas, lo que ha dado como resultado diseños más nuevos, eficientes y de bajo costo, como el modelo Deenabandhu.
El modelo Deenabandhu es un nuevo modelo de producción de biogás popular en la India. ( Deenabandhu significa "amigo de los indefensos".) La unidad suele tener una capacidad de 2 a 3 metros cúbicos. Está construido con ladrillos o con una mezcla de ferrocemento . En India, el modelo de ladrillo cuesta un poco más que el modelo de ferrocemento; sin embargo, el Ministerio de Energías Nuevas y Renovables de la India ofrece algún subsidio por modelo construido.
El biogás, que es principalmente metano/gas natural, también se puede utilizar para generar alimento rico en proteínas para ganado, aves y peces en las aldeas de manera económica mediante el cultivo de la bacteria Mmethylococcus capsulatus con una pequeña huella de tierra y agua. [98] [99] [100] El gas dióxido de carbono producido como subproducto de estas plantas se puede utilizar en la producción más barata de aceite de algas o espirulina a partir del cultivo de algas, particularmente en países tropicales como la India, que pueden desplazar la posición privilegiada del petróleo crudo. En un futuro cercano. [101] [102] El gobierno de la Unión de la India está implementando muchos planes para utilizar productivamente los residuos agrícolas o la biomasa en las zonas rurales para mejorar la economía rural y el potencial laboral. [103] [104] Con estas plantas, la biomasa no comestible o los desechos de biomasa comestible se convierten en productos de alto valor sin contaminación del agua ni emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). [105]
El GLP (gas licuado de petróleo) es una fuente clave de combustible para cocinar en las zonas urbanas de la India y sus precios han aumentado junto con los precios mundiales del combustible. Además, los fuertes subsidios otorgados por los sucesivos gobiernos para promover el GLP como combustible para cocinar en el hogar se han convertido en una carga financiera que renueva el enfoque en el biogás como combustible alternativo para cocinar en los establecimientos urbanos. Esto ha llevado al desarrollo de digestores prefabricados para implementaciones modulares en comparación con el RCC y las estructuras de cemento, cuya construcción requiere más tiempo. El renovado enfoque en la tecnología de procesos como el modelo de proceso Biourja [106] ha mejorado la importancia de los digestores anaeróbicos de mediana y gran escala en la India como una alternativa potencial al GLP como combustible primario para cocinar.
En India, Nepal, Pakistán y Bangladesh, el biogás producido a partir de la digestión anaeróbica de estiércol en instalaciones de digestión a pequeña escala se denomina gas gobar; se estima que existen instalaciones de este tipo en más de 2 millones de hogares en la India, 50.000 en Bangladesh y miles en Pakistán, particularmente en el norte de Punjab, debido a la próspera población ganadera. El digestor es un pozo circular hermético hecho de hormigón con una conexión de tubería. El estiércol se dirige al foso, normalmente directamente desde el establo del ganado. El pozo se llena con la cantidad necesaria de aguas residuales . La tubería de gas está conectada a la chimenea de la cocina mediante válvulas de control. La combustión de este biogás tiene muy poco olor o humo. Debido a la simplicidad en la implementación y el uso de materias primas baratas en las aldeas, es una de las fuentes de energía más ambientalmente racionales para las necesidades rurales. Un tipo de estos sistemas es el Digestor Sintex . Algunos diseños utilizan lombricultura para mejorar aún más el lodo producido por la planta de biogás para su uso como abono. [107]
En Pakistán, la Red de Programas de Apoyo Rural está ejecutando el Programa Nacional de Biogás de Pakistán [108] , que ha instalado 5.360 plantas de biogás [109] y ha capacitado a más de 200 albañiles en la tecnología y tiene como objetivo desarrollar el sector de biogás en Pakistán.
En Nepal, el gobierno otorga subsidios para construir una planta de biogás en el país.
Al menos desde 2023, China será el mayor productor y consumidor de biogás doméstico del mundo. [110] : 172
Los chinos han experimentado con las aplicaciones del biogás desde 1958. Alrededor de 1970, China había instalado 6.000.000 de digestores en un esfuerzo por hacer la agricultura más eficiente. Durante los últimos años, la tecnología ha alcanzado altas tasas de crecimiento. Estos parecen ser los primeros avances en la generación de biogás a partir de residuos agrícolas. [111]
La construcción rural de biogás en China ha mostrado una tendencia de desarrollo creciente. El crecimiento exponencial del suministro de energía causado por el rápido desarrollo económico y la grave neblina en China han llevado al biogás a convertirse en la mejor energía ecológica para las zonas rurales. En el condado de Qing , provincia de Hebei , se está desarrollando actualmente la tecnología de utilizar paja de cultivo como material principal para generar biogás. [112]
China tenía 26,5 millones de plantas de biogás, con una producción de 10,5 mil millones de metros cúbicos de biogás hasta 2007. La producción anual de biogás aumentó a 248 mil millones de metros cúbicos en 2010. [113] El gobierno chino había apoyado y financiado proyectos de biogás rural. [114] A partir de 2023, más de 30 millones de hogares rurales chinos utilizan digestores de biogás. [110] : 172
Durante el invierno, la producción de biogás en las regiones del norte de China es menor. Esto se debe a la falta de tecnología de control de calor para los digestores, por lo que la codigestión de diferentes materias primas no se completó en el ambiente frío. [115]
Lusaka, la capital de Zambia, tiene dos millones de habitantes y más de la mitad de la población reside en zonas periurbanas. La mayoría de esta población utiliza letrinas de pozo como sanitarios, generando aproximadamente 22.680 toneladas de lodos fecales al año. Estos lodos se gestionan de forma inadecuada: más del 60 % de los lodos fecales generados permanecen en el entorno residencial, comprometiendo así tanto el medio ambiente como la salud pública. [116]
Ante el trabajo de investigación y la implementación del biogás que comenzaron ya en la década de 1980, Zambia se está quedando atrás en la adopción y el uso de biogás en el África subsahariana. Se necesitan estiércol animal y residuos de cultivos para obtener energía para cocinar y alumbrar. Financiamiento inadecuado, ausencia de políticas, marco regulatorio y estrategias sobre biogás, política monetaria desfavorable para los inversionistas, experiencia inadecuada, falta de conciencia de los beneficios de la tecnología de biogás entre los líderes, instituciones financieras y lugareños, resistencia al cambio debido a la cultura y las tradiciones de los locales. Los altos costos de instalación y mantenimiento de los digestores de biogás, la investigación y el desarrollo inadecuados, la gestión inadecuada y la falta de monitoreo de los digestores instalados, la complejidad del mercado de carbono, la falta de incentivos y equidad social se encuentran entre los desafíos que han impedido la adquisición e implementación sostenible de biogás domésticos. Producción de biogás en Zambia. [117]
En la película australiana de 1985 Mad Max Beyond Thunderdome, el asentamiento post-apocalíptico Barter Town funciona con un sistema central de biogás basado en una porqueriza. Además de proporcionar electricidad, el metano se utiliza para impulsar los vehículos de Barter.
"Cow Town", [ se necesita aclaración ] escrito a principios de la década de 1940, analiza las tribulaciones de una ciudad construida en gran medida sobre estiércol de vaca y las dificultades provocadas por el biogás metano resultante. Carter McCormick, un ingeniero de un pueblo fuera de la ciudad, es enviado para encontrar una manera de utilizar este gas para ayudar a impulsar, en lugar de asfixiar, la ciudad. [ cita necesaria ]
La producción contemporánea de biogás ofrece nuevas oportunidades de empleo cualificado, aprovechando el desarrollo de nuevas tecnologías. [121]
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