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 alimentarios . 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 . El metano se puede quemar u oxidar con oxígeno. Esta liberación de energía permite que el biogás se utilice como combustible ; se puede utilizar en pilas de combustible y para fines de calefacción, como en la cocina. También se puede utilizar en un motor de gas para convertir la energía del gas en electricidad y calor. [3]
Una vez eliminado el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, se puede comprimir de la misma manera que el gas natural y se puede utilizar para impulsar vehículos de motor . En el Reino Unido, por ejemplo, se estima que el biogás tiene el potencial de reemplazar alrededor del 17% del combustible para vehículos. [4] Califica para subsidios de energía renovable en algunas partes del mundo. El biogás se puede limpiar y mejorar para cumplir con 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 una perspectiva de carbono, se absorbe tanto dióxido de carbono de la atmósfera en el crecimiento del biorecurso primario 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 se produce en ambientes anaeróbicos por los metanógenos, pero se consume principalmente en zonas aeróbicas por los metanótrofos . Las emisiones de metano se producen cuando el equilibrio favorece a los metanógenos. Los suelos de humedales son la principal fuente natural de metano. Otras fuentes incluyen océanos, suelos forestales, termitas y rumiantes salvajes. [5]
El objetivo de la producción de biogás industrial es la recolección de biometano, generalmente para combustible. El biogás industrial se produce:
Una planta de biogás es el nombre que se le da a menudo a un digestor anaeróbico que trata desechos agrícolas o cultivos energéticos. Puede producirse utilizando digestores anaeróbicos (tanques herméticos con diferentes configuraciones). Estas plantas pueden alimentarse con cultivos energéticos como ensilado de maíz o desechos biodegradables, incluidos lodos de depuradora y desechos alimentarios. Durante el proceso, los microorganismos transforman los desechos de biomasa en biogás (principalmente metano y dióxido de carbono) y digestato . Se pueden producir mayores cantidades de biogás cuando las aguas residuales se codigieren con otros residuos de la industria láctea, la industria azucarera o la industria cervecera. Por ejemplo, al mezclar el 90% de las aguas residuales de la fábrica de cerveza con el 10% de suero de vaca, la producción de biogás aumentó 2,5 veces en comparación con el biogás producido solo 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]
Existen dos procesos clave: la digestión mesófila y la termófila , que dependen de la temperatura. En un trabajo experimental en la Universidad de Alaska Fairbanks , un digestor de 1000 litros que utiliza psicrófilos recolectados del "lodo de un lago congelado de Alaska" ha producido entre 200 y 300 litros de metano por día, aproximadamente entre el 20 y el 30% de la producción de los digestores en climas más cálidos. [8]
La contaminación del aire producida por el biogás es similar a la del gas natural , ya que cuando se enciende el metano (un componente principal del biogás) para su uso como fuente de energía , se produce dióxido de carbono como un gas de efecto invernadero (como se describe en esta 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 tener fugas del 2% del metano. [10] [11]
El biogás puede ser explosivo cuando se mezcla en una proporción de una parte de biogás por 8-20 partes de aire. Se deben tomar precauciones de seguridad especiales para 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 causar una explosión. Puede producirse una presión de gas negativa si se extrae o se filtra demasiado gas; por lo tanto, el biogás no debe usarse a presiones inferiores a una pulgada de columna de agua, medida con un manómetro. [ cita requerida ]
En los sistemas de biogás es necesario realizar controles de olores frecuentes. Si se percibe olor a biogás en algún lugar, se deben abrir inmediatamente las ventanas y las puertas. Si se produce un incendio, se debe cerrar el suministro de 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 manera similar al biogás. [13] [14]
Los residuos quedan cubiertos y comprimidos mecánicamente por el peso del material que se deposita encima. Este material evita la exposición al oxígeno, lo que permite que los microbios anaeróbicos prosperen. 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 manera incontrolada puede ser peligroso, ya que puede volverse explosivo cuando se escapa del vertedero y se mezcla con el oxígeno. El límite explosivo inferior es del 5 % de metano y el superior del 15 % de metano. [15]
El metano presente en el 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) presentes en el gas de vertedero contribuyen a la formación de smog fotoquímico .
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es una medida de la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos aeróbicos para descomponer la materia orgánica en una muestra de material que se utiliza en el biodigestor, así como la DBO de la descarga de líquido permite el cálculo de la producción diaria de energía de un biodigestor.
Otro término relacionado con los biodigestores es la suciedad de los efluentes, que indica la cantidad de material orgánico que hay por unidad de fuente de biogás. Las unidades típicas para esta medida son mg DBO/litro. Por ejemplo, la suciedad de los efluentes puede variar entre 800 y 1200 mg DBO/litro en Panamá. [ cita requerida ]
A partir de 1 kg de residuos biológicos de cocina desmantelados se pueden obtener 0,45 m3 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 según la composición del sustrato, así como las condiciones dentro del reactor anaeróbico (temperatura, pH y concentración del sustrato). [19] El gas de vertedero normalmente tiene concentraciones de metano de alrededor del 50%. Las tecnologías avanzadas de tratamiento de residuos pueden producir biogás con un 55-75% de metano, [20] que para reactores con líquidos libres se puede aumentar al 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 una 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 arrojan 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% de los sólidos totales. 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
2El S ) es el contaminante más común en el biogás, pero pueden estar presentes otros compuestos que contienen azufre, como los tioles . El sulfuro de hidrógeno que queda en la corriente de biogás 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]
Amoniaco ( 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 NO
incógnitaemisiones. [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 del biogás que contiene siloxanos, se libera silicio y puede combinarse con oxígeno libre u otros elementos en el gas de combustión . Se forman depósitos que contienen principalmente sílice ( SiO
2) o silicatos ( Si
incógnitaOh
y) y pueden contener calcio , azufre , zinc y fósforo . Estos depósitos minerales blancos se acumulan hasta alcanzar un espesor superficial de varios milímetros y deben eliminarse por medios químicos o mecánicos.
Existen tecnologías prácticas y rentables para eliminar los siloxanos y otros contaminantes del biogás. [24]
Cuando el estiércol se almacena en condiciones anaeróbicas, se producen altos niveles de metano . Durante el almacenamiento y cuando el estiércol se ha aplicado a la tierra, también se produce óxido nitroso como subproducto del proceso de desnitrificación. El óxido nitroso ( N
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 de 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 abastecer a millones de hogares en todo Estados Unidos. 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 de metano en lugar de dejar que se descomponga, los gases de 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 gas de cogeneración , donde el calor residual del motor se utiliza convenientemente para calentar el digestor, cocinar, calentar el espacio, calentar el agua y calentar los procesos. Si se comprime, puede reemplazar al gas natural comprimido para su uso en vehículos, donde puede alimentar un motor de combustión interna o celdas de combustible y es un desplazador de dióxido de carbono mucho más eficaz que el uso normal en plantas de cogeneración in situ [29] .
El biogás crudo producido a partir de la digestión es 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 solo es suficiente para destruir los mecanismos. [23]
El metano presente en el biogás se puede concentrar mediante un mejorador de biogás hasta alcanzar los mismos estándares que el gas natural fósil , que a su vez debe pasar por un proceso de limpieza y se convierte en biometano . Si la red de gas local lo permite, el productor de biogás puede utilizar sus redes de distribución. El gas debe estar muy limpio para alcanzar la calidad de gasoducto y debe tener la composición correcta para que la red de distribución lo acepte. El dióxido de carbono , el agua , el sulfuro de hidrógeno y las partículas deben eliminarse si están presentes. [23]
Existen cuatro métodos principales de mejora: lavado con agua, absorción por oscilación de presión, absorción de selexol y tratamiento de gas de amina . [30] Además de estos, el uso de la tecnología de separación por membrana para la mejora del biogás está aumentando y ya hay varias plantas en funcionamiento en Europa y EE. UU. [23] [31]
El método más común es el lavado con agua, en el que el gas a alta presión fluye hacia una columna donde el dióxido de carbono y otros elementos traza se eliminan mediante una cascada de agua que corre en contracorriente del gas. Este sistema podría generar un 98 % de metano y los fabricantes garantizan una pérdida máxima del 2 % de metano en el sistema. Se necesita aproximadamente entre el 3 % y el 6 % de la producción total de energía en forma de gas para hacer funcionar un sistema de mejora del biogás.
La inyección de gas en la red es la inyección de biogás en la red de metano ( red de gas natural ). Hasta la aparición de la microcogeneración, dos tercios de toda la energía producida por las centrales eléctricas de biogás se perdía (en forma de calor). Al utilizar la red para transportar el gas a los consumidores, la energía se puede utilizar para la generación in situ , [32] lo que da como resultado una reducción de las pérdidas en el transporte de energía. Las pérdidas de energía típicas en los sistemas de transmisión de gas natural varían entre el 1% y el 2%; en la transmisión de electricidad, varían entre el 5% y el 8%. [33]
Antes de ser inyectado en la red de gas, el biogás pasa por un proceso de depuración, durante el cual se mejora su calidad hasta alcanzar la de gas natural. Durante el proceso de depuración se eliminan los componentes traza que son perjudiciales 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 ampliamente en Suecia, Suiza y Alemania. Un tren propulsado por biogás, llamado Biogaståget Amanda (El tren del biogás Amanda), ha estado en servicio en Suecia desde 2005. [35] [36] El biogás impulsa automóviles. En 1974, un documental británico titulado Sweet as a Nut detallaba el proceso de producción de biogás a partir de estiércol de cerdo y mostraba cómo alimentaba un motor de combustión adaptado a la 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 forma parte de la categoría de gases húmedos y gases de condensación (o aire), que incluye la niebla o neblina en la corriente de gas. La niebla o neblina 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 realizar mediciones en una atmósfera de biogás. La mayoría de los caudalímetros térmicos no pueden proporcionar datos fiables porque la humedad provoca lecturas de caudal alto constante y picos de caudal continuos, aunque existen caudalímetros másicos térmicos de inserción de un solo punto capaces de controlar con precisión los caudales de biogás con una caída de presión mínima. Pueden gestionar las variaciones de humedad que se producen 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 distintos 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 tanto en electricidad como en calor. El digestato es la materia inorgánica restante que no se transformó en biogás y se puede utilizar como fertilizante agrícola.
El biogás se puede utilizar como combustible en el sistema de producción de biogás a partir de desechos agrícolas y para cogenerar calor y electricidad en una planta combinada de calor y energía ( CHP ). A diferencia de otras fuentes de energía ecológica, como la eólica y la solar, se puede acceder al biogás rápidamente cuando se lo necesita. El potencial de calentamiento global también se puede reducir en gran medida cuando se utiliza biogás como combustible en lugar de combustible fósil . [41]
Sin embargo, el potencial de acidificación y eutrofización producido por el biogás es 25 y 12 veces mayor, respectivamente, que el 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 escapado. En general, los resultados siguen sugiriendo que el uso del biogás puede conducir a una reducción significativa de la mayoría de los impactos en comparación con las alternativas de combustibles fósiles. El equilibrio entre el daño ambiental y la emisión de gases de efecto invernadero aún debe considerarse al involucrar al sistema. [42]
Proyectos como NANOCLEAN están desarrollando actualmente 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 un producto de los sistemas de saneamiento in situ. Después de su recolección y transporte, los lodos fecales se pueden tratar con aguas residuales en una planta de tratamiento convencional o, de lo contrario, se pueden tratar de forma independiente en una planta de tratamiento de lodos fecales. Los lodos fecales también se pueden tratar junto con residuos sólidos orgánicos en compostaje o en un sistema de digestión anaeróbica . [44] El biogás se puede generar a través de la digestión anaeróbica en el tratamiento de lodos fecales.
La gestión adecuada de los excrementos y su valorización mediante la producción de biogás a partir de lodos fecales ayuda a mitigar los efectos de los excrementos mal gestionados, como las enfermedades transmitidas por el agua y la contaminación del agua y del medio ambiente. [45]
El programa de 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 corrientes de desechos domésticos y agroindustriales. [46] Creen que usar los desechos como energía sería bueno desde el punto de vista financiero y abordaría cuestiones de saneamiento, salud y medio ambiente.
La Unión Europea cuenta con una legislación relativa a la gestión de residuos y los vertederos denominada Directiva sobre vertederos .
Países como el Reino Unido y Alemania tienen ahora leyes vigentes que ofrecen a los agricultores ingresos a largo plazo y seguridad energética. [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, son obligatorios los ventiladores centrífugos ATEX construidos de acuerdo con la directiva europea 2014–34/EU (anteriormente 94/9/EG). Estos ventiladores centrífugos, por ejemplo, de 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 Estados Unidos y el Título 40 del Código de Reglamentos Federales (CFR) exigen a los propietarios de vertederos que estimen la cantidad de compuestos orgánicos no metánicos (CONM) emitidos. Si las emisiones estimadas de CONM superan las 50 toneladas por año, el propietario del vertedero debe recoger el gas y tratarlo para eliminar los CONM arrastrados. Eso generalmente 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 de digestión anaeróbica. El Programa de Energía Rural para los Estados Unidos proporciona financiación mediante préstamos y subvenciones para sistemas de biogás, al igual que el Programa de Incentivos para la Calidad Ambiental , el Programa de Gestión de la Conservación y el Programa de Préstamos para la Conservación. [49]
Con los muchos beneficios del biogás, está empezando a convertirse en una fuente popular de energía y se está empezando a utilizar más en los Estados Unidos. [50] En 2003, Estados Unidos consumió 43 TWh (147 billones de BTU) de energía de "gas de vertedero", aproximadamente el 0,6% del consumo total de gas natural de EE. UU. [39] El biogás de 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 de metano a partir del estiércol de vaca sería suficiente para producir 100 mil millones de kilovatios hora suficientes para abastecer a millones de hogares en todo Estados Unidos. Además, el biogás de metano se ha probado para demostrar que puede reducir 99 millones de toneladas métricas de emisiones de gases de efecto invernadero o aproximadamente el 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 las 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 fusión reciente 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 en el programa. En Sheldon, Vermont , Green Mountain Dairy ha proporcionado energía renovable como parte del programa Cow Power. 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 cultivar 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, una cama para reemplazar el aserrín y un fertilizante amigable 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 abastecer a entre 300 y 350 hogares más. La capacidad del generador es de unos 300 kilovatios. [53]
En Hereford, Texas , se está utilizando estiércol de vaca para alimentar una planta de energía de etanol . Al cambiar a biogás de metano, la planta de energía de etanol ha ahorrado 1000 barriles de petróleo al día. En general, la planta de energía ha reducido los costos de transporte y creará muchos más puestos de trabajo para futuras plantas de energía que dependerán del biogás. [54]
En Oakley, Kansas , una planta de etanol considerada una de las mayores instalaciones de biogás de Norteamérica está utilizando un sistema integrado de utilización de estiércol (IMUS) para producir calor para sus calderas utilizando estiércol de corral, materia orgánica municipal y desechos de plantas de etanol. Cuando esté a plena capacidad, se espera que la planta sustituya 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 postura 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. Mientras que países como Alemania, Austria, Suecia e Italia están bastante avanzados en el uso del biogás, existe un gran 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, los esquemas educativos y la disponibilidad de tecnología son algunas de las principales razones detrás de este potencial sin explotar. [59] Otro desafío para el mayor progreso del biogás ha sido la percepción pública negativa. [60]
En febrero de 2009 se fundó en Bruselas la Asociación Europea de Biogás (EBA, por sus siglas en inglés), una organización sin ánimo de lucro cuyo objetivo es promover la producción y el uso sostenibles del biogás en Europa. La estrategia de la EBA define tres prioridades: convertir el biogás en una parte importante de la combinación energética de Europa, promover la separación en origen de los residuos domésticos para aumentar el potencial de producción de 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], había alrededor de 130 plantas de biogás no cloacales en el Reino Unido. La mayoría están en granjas, y existen algunas instalaciones más grandes fuera de las granjas, que se ocupan de los desechos de alimentos y de los consumidores. [62]
El 5 de octubre de 2010, se inyectó biogás por primera vez 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 con inyección a la red. [64]
En Italia, la industria del biogás comenzó en 2008 gracias a la introducción de tarifas de alimentación ventajosas. Posteriormente, se reemplazaron por primas de alimentación y se dio preferencia a los subproductos y los desechos agrícolas, lo que llevó al estancamiento de la producción de biogás y el calor y la electricidad derivados desde 2012. [65] A 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 utilizan como centrales eléctricas. Por lo general, las plantas de biogás están conectadas directamente con una cogeneración que produce energía eléctrica quemando el biometano. La energía eléctrica luego se alimenta a la red eléctrica pública. [72] En 2010, la capacidad eléctrica total instalada de estas plantas eléctricas fue de 2.291 MW. [71] El suministro de electricidad fue de aproximadamente 12,8 TWh, lo que representa el 12,6% de la electricidad renovable total generada. [73]
En Alemania, el biogás se obtiene 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. Los desechos orgánicos y los residuos industriales y agrícolas, como los desechos de la industria alimentaria, también se utilizan para la generación de biogás. [74] En este sentido, 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 en los últimos 20 años. La razón principal son los marcos legales creados. El apoyo gubernamental a la energía renovable comenzó en 1991 con la Ley de Alimentación de Electricidad ( StrEG ). Esta ley garantizó a los productores de energía de fuentes renovables la alimentación a la red eléctrica pública, por lo que las compañías eléctricas se vieron obligadas a obtener toda la energía producida de productores privados independientes de energía verde. [75] En 2000, la Ley de Alimentación de Electricidad fue reemplazada por la Ley de Fuentes de Energía Renovable ( EEG ). Esta ley incluso garantizó una compensación fija por la energía eléctrica producida durante 20 años. La cantidad de alrededor de 8 ¢/kWh dio a los agricultores la oportunidad de convertirse en proveedores de energía y obtener una fuente adicional de ingresos. [74]
En 2004, la producción alemana de biogás agrícola recibió un nuevo impulso con la implementación del llamado NawaRo-Bonus, un pago especial que se otorga por el uso de recursos renovables, es decir, cultivos energéticos. [76] En 2007, el gobierno alemán reiteró su intención de invertir más esfuerzos y apoyo en la mejora del suministro de energía renovable para dar 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 la energía renovable genera una serie de desafíos para la gestión y organización del suministro de energía renovable, que también tiene varios impactos en la producción de biogás. [77] El primer desafío que se observa es el alto consumo de área para el suministro de energía eléctrica a partir de biogás. En 2011, los cultivos energéticos para la producción de biogás consumieron un área de aproximadamente 800.000 ha en Alemania. [78] Esta alta demanda de áreas agrícolas genera nuevas competencias con las industrias alimentarias que no existían hasta ahora. Además, se crearon nuevas industrias y mercados en regiones predominantemente rurales que implican diferentes actores nuevos con un trasfondo económico, político y civil. Su influencia y actuación deben ser reguladas para obtener todas las ventajas que ofrece esta nueva fuente de energía. Finalmente, el biogás también desempeñará un papel importante en el suministro de energía renovable alemán si se enfoca en una buena gobernanza. [77]
Las plantas de biogás domésticas convierten el estiércol y las heces del ganado en biogás y purines, el estiércol fermentado. Esta tecnología es viable para los pequeños productores con ganado que produce 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 sanitarios pueden estar conectados. Otra condición previa es la temperatura que afecta al proceso de fermentación. Con un óptimo de 36 °C, la tecnología se aplica especialmente a quienes viven en un clima (sub)tropical. Esto hace que la tecnología para los pequeños productores en los países en desarrollo sea a menudo adecuada. [79]
Dependiendo del tamaño y la ubicación, una planta de biogás típica de cúpula fija hecha de ladrillos se puede instalar en el patio de una casa rural con una inversión de entre 300 y 500 dólares estadounidenses en los países asiáticos y hasta 1400 dólares estadounidenses en el contexto africano. [80] Una planta de biogás de alta calidad necesita unos costes de mantenimiento mínimos y puede producir gas durante al menos 15-20 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 recogida tradicional de biomasa, especialmente para las mujeres y los niños. El purín es un fertilizante orgánico limpio que aumenta potencialmente la productividad agrícola. [79] En los países en desarrollo, también se determinó que el uso de biogás conduce a una reducción del 20% de las emisiones de GEI en comparación con las emisiones de GEI debidas a la leña. Además, se podrían evitar emisiones de GEI de 384,1 kg de CO2-eq·y−1 por animal. [81]
La energía es una parte importante de la sociedad moderna y puede servir como uno de los indicadores más importantes del desarrollo socioeconómico. A pesar de los avances tecnológicos, unos tres mil millones de personas, principalmente en las zonas rurales de los países en desarrollo, siguen satisfaciendo sus necesidades energéticas para cocinar mediante medios tradicionales, quemando recursos de biomasa como leña, residuos de cultivos y estiércol animal en estufas tradicionales rudimentarias. [82]
La tecnología de biogás doméstico es una tecnología probada y establecida en muchas partes del mundo, especialmente en Asia. [83] Varios países de esta región se han embarcado en programas a gran escala sobre biogás doméstico, como China [84] e India.
La Organización de Desarrollo de los Países Bajos , SNV, [85] apoya programas nacionales sobre biogás doméstico que apuntan a establecer sectores de biogás doméstico comercialmente viables en los que las empresas locales comercialicen, instalen y presten servicio a plantas de biogás para hogares. En Asia, SNV está trabajando en Nepal, [86] Vietnam, [87] [88] Bangladesh, [89] Bután, Camboya, [89] República Democrática Popular Lao, [90] Pakistán [91] e Indonesia, [92] y en África; Ruanda, [93] Senegal, Burkina Faso, Etiopía, [94] Tanzania, [95] Uganda, Kenia, [96] Benín 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, ya que el tanque digestor es de plástico prefabricado. [97]
En la India [98], el biogás se ha basado tradicionalmente en el estiércol de vacas lecheras como materia prima y estas plantas de gas "gobar" han estado en funcionamiento durante un largo período de tiempo, especialmente en la India rural. 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 lugar a nuevos diseños más eficientes y de bajo coste, como el modelo Deenabandhu.
El modelo Deenabandhu es un nuevo modelo de producción de biogás muy popular en la India ( Deenabandhu significa "amigo de los desamparados"). La unidad suele tener una capacidad de entre 2 y 3 metros cúbicos y se construye con ladrillos o con una mezcla de ferrocemento . En la India, el modelo de ladrillos cuesta un poco más que el 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 alimentos ricos en proteínas para ganado, aves de corral y peces en las aldeas de manera económica mediante el cultivo de bacterias Methylococcus capsulatus con una pequeña huella de tierra y agua. [99] [100] [101] El gas de 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 puede desplazar la posición privilegiada del petróleo crudo en un futuro cercano. [102] [103] El gobierno de la Unión de la India está implementando muchos esquemas para utilizar productivamente los desechos agrícolas o la biomasa en las áreas rurales para elevar la economía rural y el potencial de empleo. [104] [105] 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). [106]
El GLP (gas licuado de petróleo) es una fuente clave de combustible para cocinar en la India urbana y sus precios han aumentado junto con los precios mundiales de los combustibles. Además, los fuertes subsidios proporcionados por los sucesivos gobiernos para promover el GLP como combustible doméstico para cocinar 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 las estructuras de cemento y RCC que requieren más tiempo para construirse. El enfoque renovado en la tecnología de procesos como el modelo de proceso Biourja [107] ha mejorado la estatura de los digestores anaeróbicos de escala media y grande en la India como una alternativa potencial al GLP como combustible principal para cocinar.
En la India, Nepal, Pakistán y Bangladesh, el biogás producido a partir de la digestión anaeróbica del 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, en particular en el norte de Punjab, debido a la próspera población de ganado. El digestor es un pozo circular hermético hecho de hormigón con una conexión de tuberías. El estiércol se dirige al pozo, normalmente directamente desde el establo del ganado. El pozo se llena con la cantidad necesaria de aguas residuales . La tubería de gas se conecta a la chimenea de la cocina a través de válvulas de control. La combustión de este biogás tiene muy poco olor o humo. Debido a la simplicidad de su implementación y al uso de materias primas baratas en las aldeas, es una de las fuentes de energía más respetuosas con el medio ambiente para las necesidades rurales. Un tipo de estos sistemas es el digestor Sintex . Algunos diseños utilizan la lombricultura para mejorar aún más el purín producido por la planta de biogás para su uso como abono. [108]
En Pakistán, la Red de Programas de Apoyo Rural está ejecutando el Programa de Biogás Doméstico de Pakistán [109] que ha instalado 5.360 plantas de biogás [110] y ha capacitado a más de 200 albañiles en la tecnología y tiene como objetivo desarrollar el sector del biogás en Pakistán.
En Nepal, el gobierno ofrece subsidios para construir plantas de biogás en casa.
Al menos a partir de 2023, China será el mayor productor y mayor consumidor de biogás doméstico del mundo. [111] : 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 más eficiente la agricultura . Durante los últimos años, la tecnología ha experimentado altas tasas de crecimiento. Este parece ser el primer avance en la generación de biogás a partir de desechos agrícolas. [112]
La construcción de biogás en zonas rurales en China ha mostrado una tendencia de desarrollo creciente. El crecimiento exponencial del suministro de energía causado por el rápido desarrollo económico y las severas condiciones de neblina en China han llevado al biogás a convertirse en la mejor energía ecológica para las áreas rurales. En el condado de Qing , provincia de Hebei , la tecnología de usar paja de cultivo como material principal para generar biogás se está desarrollando actualmente. [113]
Hasta 2007, China contaba con 26,5 millones de plantas de biogás, con una producción de 10.500 millones de metros cúbicos de biogás. La producción anual de biogás ha aumentado a 248.000 millones de metros cúbicos en 2010. [114] El gobierno chino ha apoyado y financiado proyectos de biogás rurales. [115] En 2023, más de 30 millones de hogares rurales chinos utilizan digestores de biogás. [111] : 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 térmico para los digestores, por lo que la codigestión de diferentes materias primas no se completó en el ambiente frío. [116]
Lusaka, la capital de Zambia, tiene dos millones de habitantes y más de la mitad de ellos vive en zonas periurbanas. La mayoría de esta población utiliza letrinas de pozo como retretes, lo que genera aproximadamente 22.680 toneladas de lodos fecales al año. Estos lodos no se gestionan adecuadamente: más del 60% de los lodos fecales generados permanecen en el entorno residencial, lo que pone en peligro tanto el medio ambiente como la salud pública. [117]
A pesar de que la investigación y la aplicación del biogás comenzaron en los años 1980, Zambia se está quedando atrás en la adopción y el uso del biogás en el África subsahariana. Se necesitan estiércol animal y residuos de cultivos para el suministro de energía para cocinar e iluminar. La financiación inadecuada, la ausencia de políticas, marcos regulatorios y estrategias sobre el biogás, una política monetaria desfavorable para los inversores, conocimientos técnicos inadecuados, la falta de conciencia de los beneficios de la tecnología del biogás entre los líderes, las instituciones financieras y los lugareños, la resistencia al cambio debido a las tradiciones y la cultura de los lugareños, 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 son algunos de los desafíos que han impedido la adquisición y la implementación sostenible de la producción nacional de biogás en Zambia. [118]
En la película australiana de 1985 Mad Max Beyond Thunderdome, el asentamiento postapocalíptico Barter Town funciona con un sistema central de biogás basado en una porqueriza. Además de proporcionar electricidad, se utiliza metano para alimentar los vehículos de Barter.
"Cow Town", [ se necesita aclaración ] escrita a principios de los años 40, analiza las penurias de una ciudad construida en gran parte con estiércol de vaca y las dificultades que genera el biogás de metano resultante. Carter McCormick, un ingeniero de un pueblo de las afueras de la ciudad, es enviado allí para encontrar una manera de utilizar este gas para ayudar a generar energía, en lugar de asfixiar, a la ciudad. [ cita requerida ]
La producción contemporánea de biogás ofrece nuevas oportunidades de empleo calificado, aprovechando el desarrollo de nuevas tecnologías. [122]
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