biogas

1 Fundamentos básicos y componentes
https://www.idae.es/tecnologias/energias-renovables/uso-termico/biogas
https://www.idae.es/sites/default/files/documentos/publicaciones_idae/documentos_11227_
e16_biogas_db43a675.pdf
Es un combustible gaseoso generado por la biodegradación de materia orgánica – en ausencia
de oxígeno – mediante la acción de microorganismos.
Está formado mayoritariamente por metano –CH4- y dióxido de carbono – CO2- si bien
contiene pequeñas proporciones de otros gases como nitrógeno o sulfuro de hidrógeno –SH2
(en proporciones variables dependiendo de la composición de la materia orgánica a partir de la
cual se ha generado).
El biogás es la única energía renovable que puede usarse para cualquiera de las grandes
aplicaciones energéticas: eléctrica, térmica o como carburante. Puede desde canalizarse para
su uso directo en una caldera adaptada para su combustión, a inyectarse previa purificación
hasta biometano en las infraestructuras de gas natural existentes, tanto de transporte como
de distribución.
¿Cómo se obtiene?
Mediante un proceso de fermentación bacteriana realizada en un recinto cerrado, caliente y
en ausencia de oxígeno. Los procesos de descomposición biológica en ausencia de oxígeno
(anaerobios) que permiten producir biogás a partir de materia orgánica suceden en vertederos
o en reactores cerrados comúnmente conocidos como digestores anaerobios.
En los vertederos anaerobios se logra que trabaje como biorreactor mediante la adición de
líquido para mejorar los procesos microbianos. Se ajustará el parámetro de a humedad de los
residuos para obtener biogás el cual debe ser recogido adecuadamente.
El proceso químico que siguen es el siguiente:

HIDROLISIS Las moléculas de alto peso molecular se rompen mediante enzimas Se
forman compuestos más simples que servirán de alimento a los microorganismos

ACIDOGÉNESIS Las bacterias descomponen la materia orgánica obteniéndose: ácidos
grasos volátiles, CO2 y H2, el ácido acético es el producto más abundante.

METANOGÉNESIS Las bacterias transforman el ácido acético y el H2 en CH4 y CO2
Los elementos principales de un esquema de digestión anaerobia consisten en:
Tecnologías de pretratamiento: por ejemplo elementos mecánicos, calefactores y químicos. El
objetivo más habitual de los pretratamientos es aumentar la biodegradabilidad de los
sustratos a digerir anaeróbicamente
TECNOLOGÍAS DE DIGESTIÓN ANAEROBIA: Generalmente estas técnicas se clasifican en
función del tipo de digestor (mezcla completa o flujo pistón), la temperatura de trabajo
(mesofílico o termofílico) y el número de etapas
TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO DEL DIGESTATO: donde se acondiciona el producto
físicamente y se le da los tratamientos de nitrificación y desnitrificación pertinentes.
Cuantifiacion del recurso renovable
https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/6844/cuantificador_automatico_meta
no_estimaci%C3%B3n_potencial.pdf?sequence=1#:~:text=Para%20cuantificar%20la%20produ
cci%C3%B3n%20de,presi%C3%B3n%20bajo%20un%20volumen%20constante.
Tipos de sustrato más comunes:





Industria ganadera (estiércol y purines)
industria alimentaria y de las verduras (subproductos, tallos y productos rechazados)
producción de alcohol (de la producción de cerveza y sidra)
industria aceitera (alperujo)
industria del cereal
Toda actividad humana es susceptible de producir residuos orgánicos, en España en 2019 se
produjeron un total de 120 millones de toneladas de residuos, de los cuales más de la mitad
corresponde a orgánicos. Por contraparte en España solo hay 146 instalaciones de biogás.
Dentro del proceso anaeróbico, intervienen una serie de factores que ayudan al desarrollo
adecuado de la digestión, es decir a un buen desarrollo de las bacterias metanogénicas,
encargadas de la producción de metano, pertenecen al dominio Archaea.
Concentración C/N: se define como la relación Carbono/Nitrógeno, una relación de 20:1 hasta
30:1 es aceptable. Una relación con exceso o defecto de carbono disminuye la producción.
Ph: Las bacterias responsables del mecanismo de producción de biogás son altamente
sensibles a cambios bruscos en el pH, las cuales se encuentran oscilando entre 6 y 8.
Temperatura: Dependiendo del tipo de fermentación que exista en el sistema, así va hacer la
temperatura adecuada para el proceso.


Proceso Termofílico (45°C–75°C, 55°C): El sistema opera a alta temperatura. Digestión
rápida, alta producción de biogás, tiempos de retención hidráulicos de 3-5 días).
Sistema muy sensible a la temperatura y la concentración de nitrógeno.
Proceso Mesofílico (25°C–50°C, 35°C): Los sistemas mesofílicos necesitan tiempos de
retención hidráulicos mayores (de 15–20 días o más). En general, estos sistemas se
consideran más robustos
Una vez parametrizados los valores más óptimos para el reactor, se puede cuantificar la
producción metanogénica. IMAGEN HOJA 9 DE LA URL
Mediante un este esquema el dióxido de carbono del biogás es separado por burbujeo en una
solución acuosa de hidróxido de sodio. El subproducto pasa posteriormente a la columna para
determinar su volumen por desplazamiento. La medición se lleva a cabo midiendo la altura h
de la columna anexa, que inicialmente es cero, pero aumenta poco a poco conforme el metano
escapa de la trampa.
Posteriormente la concentración se medirá por un sensor, el cual presenta cambios en su
impedancia interna RS en función del porcentaje de CH4.
La cantidad de sustrato que se añade a un biorreactor es uno de los parámetros operacionales
a vigilar en la producción de biogás; ya que en la mayoría de los casos, se requiere dilución.
Diluciones experimentales garantizan que el potencial de biogás del sustrato no sea
subestimado debido a la sobrecarga o por la inhibición del potencial.
Hemos de tener en cuenta que no existe el sustrato perfecto, así que podemos establecer
reacciones de cogeneración entre residuos orgánicos que tengan parámetros químicos que
suplan carencias entre sí, o bien directamente añadiendo nutrientes.
Tecnologías y madurez
https://www.idae.es/sites/default/files/documentos/publicaciones_idae/documentos_11227_
e16_biogas_db43a675.pdf (pagina 28)
Para el pretratamiento de trituración se utilizará una trituradora comercial. Como norma
general, se recomienda alcanzar un tamaño de partícula entre 10-15 cm, y entre 2-4 cm para
materia seca vegetal. La mejora de la producción de biogás puede por tanto oscilar entre un 5
y un 30%.
Tratamiento térmico:


Pasteurización (matar todas las bacterias patógenas): el elemento esencial son las
unidades de higienización (cilindros verticales). La temperatura mínima de todo el
material en la unidad de higienización debe ser 70 ºC y la permanencia mínima sin
interrupción debe ser de 60 minutos. Este proceso sólo resulta interesante para
subproductos de origen animal no destinados a consumo humano.
Esterilización: cuenta con un circuito de calentamiento que puede llegar a los 130ºC
por un corto periodo de tiempo. Guarda semejanza con la pasteurización, pero este
proceso se centra más en cumplir reglamentos de esterilización más que en
rendimiento.
Tratamiento químico (ensilado): el ensilado consiste en conservar los forrajes por medio de
fermentaciones que los mantienen en un estado muy semejante al que poseen cuando están
frescos. Los silos pueden tener configuración horizontal o vertical, ambos son utilizados en las
plantas de biogás agroindustrial. El maíz, la avena o la alfalfa suelen someterse al tratamiento.
EL DIGESTO (SACAO DE MIS APUNTES, no encontré imagen buena en adobe)
El sobrenadante
https://cidta.usal.es/cursos/edar/modulos/edar/unidades/CURSO/UNI_08/u8c4s6.htm#:~:text
=El%20sobrenadante%20incluye%20agua%20que,muchos%20SS%2C%20DBO%20y%20amonio
.&text=Este%20es%20el%20resultado%20de,y%20tienen%20un%20olor%20reducido incluye
agua que se ha formado en el proceso de digestión. Normalmente se envía a cabecera de
planta, puesto que posee muchos SS, DBO y amonio.
Las espumas https://www.aguasresiduales.info/revista/noticias/el-problema-del-foaming-enla-digestion-anaerobia--rcggg La formación de espuma es el resultado de la producción
activa de gas mientras que la separación de sólidos no ha progresado lo suficiente (digestión
insuficiente). Puede provocar importantes problemas de funcionamiento (desbordamiento
incontrolado de lodos digeridos, retornos cargados a la entrada de la planta, bloqueo de los
circuitos de biogás…).
Flujo piston
Mezcla
continua
Característica
La concentración de
cualquier sustancia
es parecida en todos los
puntos del volumen de
fermentación
Materia Sólida
del
10% de materia
seca en el
interior del
fermentador
Capacidad
2.500 m3
Ventajas
simplicidad, buen
funcionamiento,
coste
reducido y
versatilidad
Concentraciones
heterogéneas. El
rendimiento de
degradación
de materia orgánica de
estos fermentadores es
superior y tienen e
tiempos de retención
inferiores
Permite
mayores
concentraciones
de sólidos
totales (20-40%)
1.000 m3
Ventajas: menor
riesgo de
formación de
costra que
en mezcla
completa; menor
tiempo de
retención,
calefacción del
digestor más
eficaz
disminuye
las pérdidas de
calor
La digestión puede darse en 1 etapa (un solo digestor) para tiempos de residencia de unos 30
días o menos. Se recurrirá a 2 etapas para tiempos de residencia mayores.
Post-tratamiento:
1. Acondicionamiento físico (separación sólido líquido) suele utilizarse un sistema
Tornillo-prensa.
2. Stripping: se basa en la volatilización del amoníaco contenido en la fracción líquida del
digestato, haciendo circular aire a contracorriente. Se obtiene agua amoniacal o una
sal de amonio (sulfato de amonio, por ejemplo) que puede ser cristalizada y valorizada
separadamente, y la fracción líquida de digestato con una concentración reducida de
nitrógeno amoniacal.
3. Precipitación: El proceso consiste en la co-precipitación del nitrógeno amoniacal y
fósforo o mediante la adición de óxido de magnesio.
4. Eliminación – NDN (MAS IMPORTANTE) http://www.arccat.net/es/altres/purins/guia/pdf/ficha5.pdf : Se trata de un proceso microbiológico en
el cual el amonio es oxidado por bacterias autótrofas a nitrato en presencia de
oxígeno y carbono inorgánico (itrificación) y, a continuación, este nitrato es reducido
por bacterias heterótrofas a nitrógeno molecular gas, en ausencia de oxígeno y
presencia de carbono orgánico (desnitrficación). Cuentan con dos reactores (un
reactor aerobio y otro anóxico), y un decantador final para permitir la separación de
los fangos biológicos del líquido tratado.
ESCALAS
https://biovec.net/cual-es-la-mejor-alternativa-de-valorizacion-del-biogas/
Las eficiencias energéticas variaron entre 8% y 54% para la generación de electricidad; 16% y
83% para calor; 18% y 90% para electricidad y calor.
El uso directo de biogás tiene las eficiencias más altas cuando se pondera la inversión y costes
de mantenimiento, pero el uso de este combustible generalmente se limita a los sitios
ubicados conjuntamente con las instalaciones de digestión anaeróbica, lo que limita los
mercados y aplicaciones. No resulta muy adecuado para grandes poblaciones, pero resulta una
oportunidad para las zonas rurales, ya que les garantiza un suministro de gas o electricidad
descentralizado.
Cuando se puede aprovechar elevados porcentajes de calor, la cogeneración es una alternativa
muy eficiente e interesante.
La eficiencia energética de las rutas de biometano para la red de gas sale bastante bien con el
biogás y tiene la ventaja de que es más fácil de transportar, almacenar y utilizar en una amplia
variedad de aplicaciones.
https://ent.cat/es/motors-i-barreres-pel-biometa-a-espanya/
De las plantas operativas, 46 están asociadas a vertederos, 34 a estaciones de depuración
de aguas residuales, 13 al sector agropecuario, siete al sector del papel y el resto al sector
químico, el alimentario y otros.
A pesar de que España tiene actualmente solo 5 plantas de producción de biometano
operativas, alcanzando los 95 GWh en 2020, lo que representa solo el 1,2% de la producción
nacional total de biogás.
Otro potencial obstáculo es que la viabilidad financiera de la conversión de biogás en
biometano depende de la cantidad de biometano producido, ya que esto afecta el rendimiento
del sistema de cogeneración y el equilibrio entre gastos e ingresos. Cuando se convierten
grandes cantidades de biogás en biometano, el calor proporcionado por el sistema de
cogeneración durante la temporada de invierno podría no ser suficiente para mantener los
digestores a la temperatura deseada.
La situación en España del biogás está en un segundo plano con respecto al resto de
renovables, siendo esta una de las tecnologías con menores incentivos con respecto a la solar
o eólica. En julio 2022 el MITERD abrió la primera convocatoria de ayudas para proyectos
singulares de instalaciones de biogás.
Conexión mercado red de calor (creo que esta medio
tratado arriba)
Herramientas para dimensionar instalaciones
https://red.uao.edu.co/bitstream/handle/10614/4773/T0002583.pdf?sequence=1&isAllowed=
y
A la hora de diseñar un bidegestor existen 2 métodos de cálculo, a la hora de realizarlos hemos
de tener en cuenta una serie de datos preliminares:




La cantidad diaria de biomasa que se alimenta al digestor
El tiempo de retención (tiempo en el que la biomasa permanece en el biodigestor)
La producción diaria de biogás
El grado de fermentación (cantidad de gas que se obtiene en base a la producción
específica, que correspondería al 100% de fermentación)
En base al consumo/producción necesario de biogás diario (G) multiplicado por la cantidad de
biomasa entrante (BE) y dividido por el volumen de biogás producido (VB) sacamos el consumo
diario de biomasa (CDB)
𝐶𝐷𝐵[𝑚3] =
𝐺[𝑚3] ∗ 𝐵𝐸[𝑚3]
𝑉𝐵[𝑚3]
Y el volumen de la cámara de fermentación será el producto del CDB por el tiempo de
residencia [días].
A partir de la carga de biomasa:
Será necesario, para la industria ganadera, saber las cabezas de ganado, el peso medio de las
mismas y su % diario de estiércol en base al peso del animal y la humedad del estiércol.
Mediante cálculos simples podemos llegar al volumen de estiércol que alimenta diariamente.
Este valor multiplicado por el tiempo de residencia obtendremos el volumen del digestor.
Montaje, puesta en marcha(en montaje solo ponía donde ubicar el digestor
y es solo cerca de la fuente)
https://www.fao.org/3/as400s/as400s.pdf
Etapa de arranque:
Retiro del agua utilizada para la prueba de filtraciones Una vez finalizada la prueba con agua
para comprobar que existen filtraciones en el biodigestor, se debe retirar parte del agua,
dejando sólo 1/3 de la altura del digestor. Esta agua que se deja, tiene por finalidad contribuir
a diluir las materias orgánicas.
Preparación de la Carga Inicial o primera carga. Este proceso se caracteriza por el llenado
completo del digestor, a través de la parte superior del digestor que es removible, es decir, sin
el depósito de almacenamiento de biogás. Es necesario incorporar esta carga de materias
orgánicas diluida con agua. La proporción final de sólidos totales debe estar cercana al 10%.
Término de la primera carga. Antes de colocar la campana de gas, se debe remover la costra
(material fluctuante) que suele formarse en la superficie. Dejar abierto conexión a salida de
gas, durante 5 a 7 días. Repetir esta operación hasta completar 10 – 15 días, con lo cual se
elimina todo el oxígeno remanente.
Pruebas Inicio producción de biogás. Se acopla una manguera a la salida de gas y utilizando un
quemador o mechero, se prueba si el gas se enciende. Si el gas quema con una llama azulada y
de buena consistencia, se puede iniciar el uso normal del biogás. En caso contrario, si no
enciende o quema mal, se debe eliminar todo el gas y repetir la prueba.
Mantenimiento
http://www.probiomasa.gob.ar/_pdf/GuiadeBiogasyBiodigestores-19-08-29.pdf
Como medida base, dentro de los controles periódicos hay que verificar que no existan roturas
ni fisuras en el biodigestor que conduzcan a pérdidas de líquidos o gases. Si el biodigestor está
bien diseñado y construido con materiales admisibles para el manejo de este tipo de sustratos
y gases, su vida útil podría alcanzar 20 años.
https://www.fao.org/3/as400s/as400s.pdf
En los digestores de carga continua, por lo menos una vez al año, se debe vaciar
completamente el digestor, retirando el lodo del fondo.
IMPACTO AMBIENTAL
https://geniabioenergy.com/impacto-ambiental-de-una-planta-de-biogas/
Se valorará el riesgo de contaminación debido a derrames o fugas del efluente del residuo
orgánico a tratar o del digerido, que puede conducir a la contaminación de suelos. Una vez haya
pasado por el proceso de post-tratamiento y realizar una pasteurización o compostaje para la
higienización, existen valorizaciones tales como: biofertilizantes.