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Valorización energética de los fangos
de EDARs mediante la producción de
hidrógeno a través de procesos de
descomposición catalítica
Valentín García Albiach y Juan M. Coronado
Agua - Energía
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El agua residual contiene más de 2,5 veces la energía necesaria para
su tratamiento (aprox. 3.100 MJ/1.000 m3) . La pregunta que se nos
plantea es obvia:
¿Cuál es la mejor manera de extraer y utilizar ésta energía del proceso
de depuración de las aguas residuales?
– Por un lado, nuevas tecnologías de extracción de la energía en la línea de
agua.
– Utilización de energías limpias para el tratamiento avanzado del agua
(nutrientes específicos).
– En cuanto a la línea de fango, el método más común hasta hoy es la
digestión anaerobia y la correspondiente generación de gas. Se abordará el
estudio de nuevas tecnologías para su optimización así como alternativas.
Planteamiento general
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Actualmente el método habitual de valorización energética es
emplear el biogás, producido por digestión anaerobia de los
fangos, en motores adaptados para la cogeneración eléctrica.
No obstante, debido a la relativamente baja eficiencia del
proceso (con un rendimiento del 40%) la reducción de emisiones
de CO2 por este proceso es muy limitada (254-360 g CO2/kWh).
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Una alternativa potencialmente interesante para la valorización
energética de los fangos es la obtención de hidrógeno por
medio de procesos de descomposición catalítica de biogás. El
gran atractivo de este proceso radica en que por cada kWh
producido en forma de electricidad se produce el secuestro de
más de 200 g de CO2, que queda inmovilizado en forma de
depósitos carbonosos.
Hidrógeno como Vector Energético
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Se fundamenta en su carácter de combustible limpio, y “moneda” de cambio
energética (vector)
En su versatilidad, que posibilita tanto su aprovechamiento para la producción
de electricidad empleando pilas de combustible, como su uso directo en
motores de combustión adaptados a tal efecto.
¿Por qué necesitamos H2 ?
La producción de H2 a partir de fuentes renovables es una
de las alternativas más prometedoras para el futuro
esquema energético en conexión con el uso de pilas de
combustible.
¿Cómo transformar un residuo en un recurso ?
El aprovechamiento energético de los
fangos de EDAR’s que ha llegado al final
de su ciclo y deben ser desechados es
más complejo que la utilización directa
del biogás, aunque la pirólisis puede
resultar una opción muy atractiva para
valorizar este residuo
Pirólisis de Fángos de EDAR’s
Composición de los aceites de pirolisis de fangos en función de la
temperatura.
Los fangos pueden ser considerados combustibles en si mismos, aunque de
baja calidad, pero son también una fuente de hidrógeno, que constituye uno de
los vectores energéticos más flexibles
Aprovechamiento energético de los
fangos y Biogás
El biogás es básicamente una mezcla de CH4 (40-70%) y CO2 , mientras que los bioaceites de
pirólisis son mezclas muy complejas de hidrocarburos y compuestos oxigenados como fenol y
ácidos orgánicos.
Tecnologías
Proceso
Combustión
CnHm + (m/2+n)O2 →
Reformado con
vapor
Descomposición
Ventajas
Tecnología madura y
n CO2 + m/2 H2O comercial
CH4+2 H2O → CO2+4 H2
CH4 → C +2H2
Desventajas
Rendimiento
energético moderado
Tecnología
Madura
Emisiones elevadas
de CO2 (254-360
g/kWh)
Emisiones
significativas de CO2
Temperatura de proceso
moderadas
Precisa procesos de
purificación
Elevada capacidad
reducción de emisiones
de CO2 (-200 g/Kw)
Temperaturas de
proceso elevadas
Hidrógeno de alta pureza
Problemas de
desactivación
Necesidad de
gestionar el residuo
carbonoso
La propuesta de INTEGRAGUA
CH4+H2O →CO+3H2
[ΔH=206 kJ/mol]
CH4+1/2O2 →CO+2H2
CnHm + n/2O2 + nH2O → nCO2 + (n + m/2)H2
[ΔH=-35.6 kJ/mol]
CH4+O2 →CO2+2H2
[ΔH=-319.3 kJ/mol]
CH4 →C +2H2 [ΔH=75.6 kJ/mol]
Generación de H2 integrada en el ciclo de la EDAR a partir de compuestos residuales
Retos y soluciones propuestas
en el proyecto
El proceso tiene lugar a
temperatura elevadas
(1100ºC)
Es necesario separar el
carbón y regenerar el
catalizador
Cada 1.2 m3 de H2
generará 0.3 Kg de
carbón que es preciso
valorizar
M (T)
Los catalizadores de cobalto
reducen la temperatura
necesaria (700ºC)
Las propiedades magnéticas
del Co son un ventaja para
la separación y operación
del reactor
Producción de compost y
materiales estructurales
para construcción
Reactor de demostración de INTEGRAGUA
Reactor Rotatorio capaz de producir 150 L/h de H2.
Pirólisis/gasificación
Descomposición
Catalítica
Separación/
Purificación
Fangos
H2
Biogás
Fermentación
Generación de H2 integrada en el ciclo de la EDAR a partir de compuestos residuales
El carbón como material de
alta tecnología
Un atractivo adicional de la
descomposición catalítica de
biogás es la posibilidad de
producir variedades de carbono
con interés tecnológico (grafito,
nanotubos o grafeno) casi a la
carta.
grafeno
grafito
P. Jana, V.A. de la Peña O'Shea, J.M. Coronado, D.P.
Serrano, Energy & Environ. Sci. 4 (2011) 778.
nanotubos