El propósito del presente artículo es evaluar económica y ambientalmente la producción de hidrógeno a partir de biomasa mediante la tecnología de gasificación y posterior tratamiento del gas de síntesis obtenido haciendo un análisis somero de otras tecnologías de obtención de hidrógeno a partir de biomasa, comparándolas con la gasificación.

1. Introducción

El hidrógeno es un combustible renovable prometedor para el transporte y para su utilización a nivel doméstico. El principal problema en la utilización de hidrógeno como combustible es su falta de disponibilidad en  la naturaleza y la necesidad de métodos de producción de bajo costo.

La obtención de hidrógeno mediante reformado con vapor de metano es el método de producción más económico entre los procesos comerciales actuales. Pero este proceso utiliza una fuente de energía no renovable (gas natural) por lo que no es  sostenible y, además, produce la misma cantidad de CO2 que la combustión directa del combustible fósil. Pero el hidrógeno también puede generarse a partir de recursos renovables como la biomasa mediante diferentes tecnologías, como la gasificación, la pirólisis y la fermentación.

Como conclusión del artículo, se puede indicar que la producción de hidrógeno a partir de biomasa mediante gasificación podría ser viable en un futuro, ya que los costes de producción estimados para grandes centrales serían similares a los del reformado de gas natural con vapor de agua con sistema de secuestro de CO2. El valor de producción rondaría los 1,35€/kg de hidrógeno producido para una  planta que produzca 30 millones de kg de hidrógeno anualmente.

2. Análisis técnico-económico de las tecnologías de producción de hidrógeno a partir de biomasa.

La producción de hidrógeno a partir de biomasa tiene varias ventajas y limitaciones en comparación con los combustibles fósiles, como se muestra en la Tabla 1. Hay dos tipos de biomasa disponibles para convertir en hidrógeno: 

  1. Los cultivos dedicados a bioenergía,
  2. Biomasa residual, como los residuos orgánicos procedentes de la agricultura y procesamiento de la madera.

En general, la biomasa de cultivos energéticos, como el sorgo dulce, puede ser utilizada como materia prima para la producción de  biohidrógeno. La biomasa, sobre todo los residuos orgánicos, ofrece una forma económica y respetuosa con el medio ambiente para la producción de hidrógeno renovable

Tabla 1: Ventajas y limitaciones de la producción de H2 con biomasa.

 

Principales ventajas y limitaciones de la producción de hidrógeno con biomasa

Ventajas

-  Uso de la biomasa reduce las emisiones de CO2

-  Reemplazo de los combustibles fósiles por combustible renovable

-  Posible utilización de residuos

-  Creación de empleo en el sector rural

Limitaciones

-  Disponibilidad estacional y alto coste de manipulación

-  No hay una total conversión del sólido, se producen alquitranes y char

-  Limitaciones de proceso: corrosión, resistencia al hidrógeno

 

En el pasado, el único método por el cual se podían eliminar manchas y suciedad de los tejidos era el uso del jabón tradicional. Un jabón es la sal alcalina (generalmente de sodio o potasio) de un ácido graso de cadena larga. Posee dos partes, por un lado, la cola que es lipofílica (afín a las sustancias grasas) y que repele el agua (hidrófoba); por otro lado, la cabeza que es hidrófila (afín al agua) o polar. Las moléculas de jabón rodean la suciedad hasta incluirla en una envoltura que evita que las manchas se adhieran de nuevo a la superficie de los tejidos.

El año 2004 fue un año bisiesto comenzado en jueves en el calendario gregoriano; el año del mono según el horóscopo chino. Del mismo modo, fue designado el Año Internacional del Arroz por el Consejo Económico y Social de las Naciones Unidas.

En este mismo año dos científicos de origen ruso,  André Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, encontraron lo que hoy se conoce como grafeno. Este descubrimiento les llevó a estos científico hasta Oslo en el año 2010 para recibir el Nóbel de la Física.

¿QUÉ ES EL GRAFENO?

El grafeno es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp(2) de los carbonos enlazados. Entre las propiedades más sobresalientes se encuentran que es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido, el Grafeno tiene muchas propiedades que no se habían encontrado antes en ningún otro material.

Estos científicos, usando un método fácil y barato fueron capaces de separar las diferentes capas del grafito: usando cinta adhesiva una y otra vez, llegaron a obtener una capa del groso de un átomo. Parece mentira pero sí, el groso de una lámina de grafeno es hasta 100.000 veces más fina que una hoja de papel. Mucho pensarán que siendo tan fino será frágil pero se equivocarán ya que este material es hasta 100-200 veces más resistente que el acero, aproximándose a la dureza del diamante.

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APLICACIONES

Tras la realización de varios experimentos, los científicos rápidamente se dieron cuenta que el material que tenían entre manos no era uno cualquiera, ya que este habría las puertas a un mundo lleno de aplicaciones; según sus descubridores innumerables aplicaciones.

Como continuación al artículo anterior, donde se describían someramente las tecnologías implicadas en el tratamiento de residuos sólidos urbanos (RSU), se plantea aquí una breve descripción del estado del arte de los diferentes procesos que se pueden encontrar en este tipo de plantas.

PRETRATAMIENTO

Los residuos son recepcionados en las plantas a través de un sistema de pesaje para conocer la cantidad entrante y posteriormente ya en la planta, los residuos se descargan en fosos o playas de recepción. Estos residuos son desplazados para su manipulación mediante diferentes equipos mecánicos, palas cargadoras, pulpos, cintas transportadoras, etc., hasta ser introducidas en unos equipos denominados trómeles. Estos equipos tienen la misión de romper las bolsas  de basura mediante pinchos instalados en el interior y gracias al giro del equipo ir separando los elementos contenidos en los residuos. Estos equipos disponen de unas paredes agujereadas con un tamaño de malla en los que se separa por tamaños la fracción gruesa ( mayor de 80 mm) de la fracción fina (menor de 80 mm). La fracción gruesa se somete a líneas de triaje obteniendo unos subproductos que son convenientemente almacenados. La fracción fina, donde está la materia orgánica se separa en distintos subproductos que son prensados y expedidos, suele ser tratada con trómeles para separar la materia orgánica del resto de materiales, mediante equipos, como abrebolsas, separadores balísticos y ópticos, equipos de separación magnéticos y corrientes de inducción, obteniéndose unos subproductos que son prensados y expedidos.

El rechazo de estos residuos puede pasar a otros tratamientos como son incineración o gasificación de los plásticos.

La materia orgánica saliente separada del resto de productos debe ser tratada mediante fermentación aerobia (compostaje) o anaerobia (biometanización) Y así conseguir subproductos que se pueden emplear para diferentes usos.

Los equipos utilizados en las plantas actuales conllevan una gran pérdida de materia orgánica que se envía junto con los rechazos. No se ha logrado eliminar gran parte de los plásticos, maderas, arenas, etc. que forman parte del flujo orgánico que más tarde será fermentado y que contaminan el producto de salida y plantean problemas de operación en los procesos posteriores. Concretamente, durante la etapa de fermentación las materias no orgánicas generan comportamientos no deseados. En consecuencia, una mejora en esta fase del proceso revierte en aguas abajo mejorando de manera sustancial todo el rendimiento de la planta, disminuyendo el rechazo y el depósito en vertedero.

BIOMETANIZACIÓN

Aunque la digestión anaerobia es una operación tradicional en tratamiento de aguas residuales industriales y de lodos de depuradora, su aplicación al campo de la fracción orgánica de los RSU es relativamente reciente. El traspaso de tecnología desde el ámbito inicial no ha sido excesivamente afortunado, al no tenerse en cuenta las evidentes diferencias entre los materiales que se alimentan a los distintos sistemas de digestión. Esas diferencias son tanto físicas: (concentración de materia orgánica, porcentaje de sólidos volátiles y totales, viscosidad y densidad del medio de reacción, tamaño de los sólidos,…), como biológicas: (tipo de moléculas a degradar, variabilidad de las alimentaciones, biodegradabilidad de las sustancias alimentadas….). La extrapolación directa de las tecnologías de tratamiento de lodos, sin tener en cuenta las diferencias apuntadas, conduce a errores conceptuales en el diseño, que acaban manifestándose en una operación difícil de los digestores.

En España, en los últimos años, se han construido una treintena de instalaciones de digestión anaerobia de RSU, que mayoritariamente presentan algunos problemas de diseño, operación y mantenimiento. Las técnicas empleadas han venido marcadas por las necesidades de las distintas administraciones siendo elemento común que la mayor parte de las  tecnologías son extranjeras y aplicadas a un tipo de basura muy específica y distinta a la que se produce en España.

En el caso de la biometanización, desde el punto de vista bioquímico los procesos de digestión anaerobia de compuestos solubles son relativamente bien conocidos, existiendo un claro consenso en la comunidad científica respecto a rutas metabólicas, microorganismos implicados y variables que afectan al proceso. El consenso desaparece cuando se trata de materiales sólidos en los que la etapa de hidrólisis (licuefacción) es determinante. Las discrepancias en la bibliografía son evidentes al considerar: cinéticas de hidrólisis, influencia del tamaño de las partículas,  ventajas de separar la fase de hidrólisis, ventajas de utilizar sistemas de hidrólisis térmica y/o química, etc.

Desde el punto de vista técnico, frente a las instalaciones que emulan a las de tratamiento de lodos de depuradora y operan con concentraciones de sólidos moderadas ( 30%) y que se conocen con el nombre genérico de “vía seca”. Las ventajas más notables de la “vía seca” son la necesidad de menores volúmenes de instalación y de menor pretratamiento, con el consiguiente aumento de la productividad de biogás.

En la práctica las mayores limitaciones de los procesos de digestión anaerobia pueden concretarse en:

  • Necesidad de aclarar la influencia de las variables de la etapa de hidrólisis.
  • Establecer claramente la línea de pretratamiento.
  • Mejorar los sistemas de homogeneización.
  • Mejorar los sistemas de purga de sólidos flotantes y sedimentables. 
  • Necesidad de adaptar la tecnología a la realidad de los RSU.

En estos procesos de biometanización lo que se obtiene es por un lado un biogás con unas características determinadas y un producto líquido denominado digesto que debe ser tratado para obtener un compost de calidad.