Plantas de biogás: producción flexible de energía renovable proveniente de biomasa
La tecnología de biogás hace uso de procesos naturales respetuosos con el medio ambiente
Visto de forma objetiva, el biogás es un subproducto inflamable que se genera por la fermentación anaeróbica de materia orgánica. Es uno de los componentes más flexibles dentro de la gama de energías renovables. Dado que se almacena y puede producir tanto calor como electricidad, esta energía puede utilizarse siempre que se desee. Su flexibilidad hace del biogás el complemento ideal para las energías solar o eólica, ambas sumamente variables y muy difíciles de regular.
Vogelsang suministra componentes eficientes para la producción económica de biogás. Desde la tecnología de bombeo a la maceración, pasando por la tecnología de desintegración o los sistemas de alimentación de materia sólida, Vogelsang ofrece un amplio catálogo de tecnología de biogás para cualquier tipo de fermentación. Por esta razón nos consideramos los mejores socios dentro del sector del biogás. Junto con nuestros clientes seguimos desarrollando la mejor tecnología en biogás y la adaptamos a sus constantes cambios con el fin de ofrecer soluciones eficaces para una mejor producción del mismo. El analisis individual es un aspecto importante en cada planta de generación de biogás. Esta es la única manera de descubrir y de desarrollar plenamente su potencial.
Situación internacional en el sector del biogás
En la actualidad, solo en Alemania hay aproximadamente 10 000 plantas de biogás (en función del método de recuento utilizado) que suministran energía a la población. En Europa hay alrededor de 17 000. El tamaño medio de las plantas de biogás es diferente para cada país en función del tipo de biomasa que se utiliza. Esto significa que en algunos países, se promueven especialmente las plantas de biogás pequeñas. En Alemania, son plantas de 75 kW que reciclan casi exclusivamente residuos agrícolas. Por otra parte, hay también plantas de gran tamaño que generan varios megavatios (mW). La materia prima es materia renovable reciclable, así como residuos orgánicos domésticos y residuos alimentarios.
Aplicaciones en las plantas de biogás
Las plantas de biogás se construyen de manera que ofrezcan las condiciones óptimas para producir biogás. La biomasa se almacena en grandes contenedores (denominados «digestores») donde fermenta en ausencia de luz y de oxígeno. Esta fermentación anaeróbica se produce en cuatro etapas, durante las cuales las bacterias especializadas degradan la biomasa, paso a paso, y generan biogás. Estos pasos (también denominados «fases») son los siguientes:
- Primer paso: hidrólisis (digestión de la materia prima)
- Segundo paso: acidogénesis (acidificación)
- Tercer paso: acetogénesis (formación de ácido acético)
- Cuarto paso: metanogénesis (formación de metano)
El biogás en sí mismo está compuesto principalmente de metano y de dióxido de carbono y, en proporciones algo más pequeñas, de otros gases como sulfuro de hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y amoníaco. Al final del proceso de fermentación, queda el «digestato», que puede utilizarse en la agricultura como fertilizante. Así se completa el ciclo natural. Si no se utiliza ningún otro producto derivado, el biogás es altamente sostenible.
La metáfora del biogás y la vaca de hormigón
Teniendo en cuenta los pasos descritos, este proceso tiene un enorme parecido con el sistema digestivo de una vaca, razón por la cual, en ocasiones, las plantas de biogás se conocen como «vacas de hormigón». Tanto en las plantas de biogás como en el sistema digestivo de los rumiantes, las bacterias convierten la biomasa en energía. El proceso de las plantas modernas de biogás, conocido como «preparación del sustrato» es equivalente a la rumia de la vaca. La hidrólisis tiene lugar en el primer estómago de la vaca (el rumen). A continuación, la acidificación y la formación de ácido acético se producen en el omaso y en el abomaso; y la energía se genera (es decir, se absorbe en el cuerpo de la vaca) en los intestinos grueso y delgado, así como en el ciego. Otra sorprendente similitud se muestra en el material sólido de entrada (el sustrato). Como las vacas, muchos agricultores alimentan las plantas de biogás con materiales renovables, como ensilaje de maíz o ensilaje de pasto.
Los elementos de una planta de biogás
Las partes más importantes de una planta de biogás, son las que se describen a continuación:
• Alimentación de sustrato o de materia sólida
• Depósitos digestores.
• Agitadores para mezcla en interior de los digestores
• Depósito almacenamiento de gas
• Tanque de Almacenamiento de digestato.
• El biogás se utiliza generalmente enunidades de cogeneración o, con menor frecuencia, para su procesamiento y posterior abastecimiento a través dela red
Una unidad de cogeneración es un motor de gas acoplado a un generador que produce electricidad (potencia) a partir de la energía del biogás. Los agitadores siempre serán necesarios en el interior del digestor, con el fin de conseguir una mezcla buena y uniforme de biomasa en su interior. De esta manera, se darán las condiciones óptimas para la generación de biogás. El objetivo de la alimentación de materiales sólidos es introducir la biomasa sólida en el digestor. En una situación ideal, esto se realiza con un bajo consumo energético y sin obstrucciones, independientemente del tipo de biomasa.
La materia sólida que pueden utilizar las plantas de biogás depende de varios factores. En principio, el contenido orgánico debe ser muy denso, ya que es el único que puede convertirse en biogás. El periodo de retención se adaptará a la materia sólida utilizada. Se considera como tal el promedio de tiempo que la biomasa permanece en el digestor hasta que esta sale. Si es demasiado breve, las bacterias no tendrán tiempo suficiente para descomponer la materia sólida como sería necesario. En consecuencia, la energía de la biomasa no se aprovechará plenamente. Desde un punto de vista tecnológico, esto no representa ningún problema, pero afectará a la rentabilidad de la planta de biogás. Además, los materiales de entrada con un potencial energético elevado dejan de proporcionar de forma automática el máximo rendimiento económico. También deben calcularse los costes de los materiales de entrada y la energía real que proporcionan. Por último, es preciso solicitar el permiso oficial para la biomasa elegida
Dos métodos distintos de fermentación: húmeda y seca.
Las plantas de biogás suelen clasificarse teniendo en cuenta distintos aspectos. Por ejemplo, se distingue entre fermentaciones húmeda y seca. Durante la fermentación húmeda, la materia sólida se mezcla con un líquido. La suspensión orgánica resultante suele flotar y se transporta con bomba. En la fermentación seca, la biomasa apilable se introduce en un «digestor tipo contenedor» o en un «digestor tipo garaje» y, a continuación, se rocía con un líquido «percolado». El líquido percolado se filtra por la parte inferior, se recoge y se vuelve a rociar en la parte superior de la biomasa. Este proceso facilita la fermentación y, en consecuencia, la producción de biogás. Este tipo de planta no está muy extendido, pero sirve principalmente para fermentar residuos orgánicos como restos de poda o residuos alimentarios domésticos.
Plantas de biogás y de biometano: lo que importa es lo que sale
Otra categoría son las plantas de biogás frente a las plantas de biometano. En ambas se produce biogás. En las plantas de biogás (las más frecuentes en Alemania), el biogás se procesa solo de forma ligera y, a continuación, se transforma directamente en electricidad y calor en una unidad de cogeneración próxima. Las plantas de biometano procesan el biogás de forma exhaustiva, ya queal igual que el propio gas natural, este está formado en su práctica totalidad de metano. A continuación, este biometano puede suministrase directamente a la red de gas natural para transportarse y quemarse allí donde se necesite energía.
Plantas de gestión de residuos: uso responsable de residuos orgánicos
Otra clasificación habitual es la que diferencia en función de la biomasa utilizada. Distingue entre plantas de cofermentación o plantas de residuos y plantas de materiales renovables. El término «planta de cofermentación» se remonta a los inicios del boom del biogás en Alemania. Los agricultores crearon sistemas para generar y usar la energía que aún contenía el purín en forma de biogás. No tardaron en darse cuenta de que podían producir más biogás si añadían cosustratos complementarios a este purín en forma de alimentos no consumidos, granos o residuos orgánicos. De aquí surgió el término de planta de cofermentación para referirse a las plantas de biogás que fermentan residuos industriales y agrícolas, como purines o estiércol. Con el tiempo, el número de plantas de biogás basadas en la agricultura que fermentaban residuos cayó en picado. En su lugar, la mayoría de plantas industriales se construían para gestionar los residuos municipales, comerciales e industriales. Durante esta fase de desarrollo, el término «planta de residuos» se empezó a utilizar para las plantas de biogás en las que se fermentaban residuos orgánicos.
Plantas de materias renovables: qué son y qué las hace diferentes
El término planta de materias renovables procede de la época en que el Estado alemán decidió fomentar la fermentación de materiales renovables como, por ejemplo, cultivos energéticos. Además de los residuos agrícolas, estas plantas de biogás solo pueden fermentar materias primas renovables. Los residuos agrícolas son normalmente estiércol y purín. Entre las materias renovables más habituales (cultivos energéticos) se encuentran las siguientes:
• Ensilaje de maíz o de pasto
• Ensilaje integral de plantas
• Cultivos como la patata o el nabo, siempre y cuando no estén destinados a la producción de alimentos.
Este tipo de plantas está muy extendido en Alemania. Están sujetas a normas y subvenciones especiales conforme a la Ley de Energías Renovables (EEG). Para muchas explotaciones agrícolas, proporcionan una fuente de ingresos razonablemente predecible y fiable.
Cuando todos esos puntos se tienen en cuenta, debe instalarse en la planta de biogás un alimentador de materia sólida para que pueda alimentar la biomasa de forma eficiente. Los residuos líquidos de la agricultura, como el abono y la glicerina, o los residuos de los interceptores de grasa, pueden normalmente bombearse al digestor mediante bombas. Debido a que esto a menudo significa residuos entre los que se encuentra la materia extraña, como piedras, piezas de metal e impurezas (p. ej., madera, correas, etc.), recomendamos usar maceradores y separadores de materia extraña para reducir el material a tamaños fáciles de trabajar.
Tras contemplar todos estos aspectos, debe instalarse en la planta de biogás un alimentador de materia sólida para que la alimentación de la biomasa sea rentable. Los residuos líquidos de la agricultura, como purines o glicerina, y los residuos de los separadores de grasa se bombean normalmente al digestor con bombas. A menudo, esto significa residuos con cuerpos extraños, como piedras, piezas metálicas e impurezas (entre otros, madera o correas), por lo que recomendamos usar maceradores y separadores de cuerpos extraños para reducir ematerial a un tamaño fácil de tratar.
Higiene
Cuando se utilizan materias primas que están sujetas a normativas higiénicas, debe realizarse una limpieza a fondo para garantizar que todos los parásitos, los virus o las bacterias, que contienen dichas materias, y que podrían representar un riesgo para el medio ambiente, se eliminan. Esto se aplica especialmente a los sustratos de origen animal, como los residuos de los mataderos y los residuos alimentarios. El procedimiento más frecuente implica el calentamiento de la materia prima hasta 70 °C como mínimo y durante una hora, y a continuación se macera hasta que alcanza un tamaño máximo de 12 mm. Los sistemas que han demostrado ser los mejores para esto son los maceradores basados en el contacto, combinados con bombas de desplazamiento positivo. Las bombas volumétricas de Vogelsang bombean a menudo la materia viscosa o abrasiva de forma segura y al mismo tiempo, el tamiz apanalado de 12 mm del macerador RotaCut garantiza que todos los elementos se reducen hasta alcanzar el tamaño máximo permitido. Se pueden instalar opciones especiales que garantizan que ninguna materia prima pasa por el macerador sin tratar.
Proceso de alimentación de biomasa no fluida
Las plantas de biogás se alimentan principalmente de materia sólida no fluida (también denominada sustrato). A grandes rasgos, los procesos de alimentación se dividen en dos categorías: alimentación de materia sólida seca y alimentación líquida. En la alimentación de materia sólida seca, los materiales de entrada se colocan directamente en el digestor. El método más habitual es la alimentación por tornillo sin fin, que transporta la materia sólida en dirección ascendente y la introduce en la suspensión orgánica. La principal ventaja de esta tecnología es el coste relativamente bajo de su inversión. No obstante, los mezcladores deben remover la materia sólida en el interior del digestor, lo que supone un elevado consumo de energía. Además, esta tecnología no es la más adecuada para sustratos con fibras largas (entre otros, hierba, paja o residuos agrícolas como el estiércol).
En la alimentación líquida, la biomasa se mezcla primero con una suspensión líquidadigestato, o lo que se conoce como recirculación del digestor. A este proceso se le denomina también maceración. El material procesado resultante se transporta a la zona de fermentación (lo que normalmente quiere decir que se bombea). Las ventajas de este proceso son que la biomasa llega al digestor en forma líquida y su mezcla consume mucha menos energía, ya que el contenido del digestor está bien mezclado con la suspensión orgánica. Si la materia sólida se procesa al mismo tiempo de manera simultanea, el menor consumo energético irá acompañado de una mayor generación de gas. Esto también reduce significativamente el problema generalizado que representa la formación de capas flotantes.
Como alternativa, existen sistemas de alimentación líquida que, además de materiales renovables, pueden alimentar residuos orgánicos de propiedades completamente distintas. Muchas plantas de biogás confían en estos sistemas. El motivo es que quieren utilizar también cultivos como la patata o la remolacha, además de la materia renovable tradicional, o que la biomasa utilizada tiene propiedades extremadamente fluctuantes (por ejemplo, residuos alimentarios o residuos orgánicos domésticos). Otras plantas de biogás son mucho más flexibles porque compran a un precio inferior la biomasa disponible en ese momento en el mercado. Los sistemas como el PreMix han sido diseñados para estos tipos de plantas de biogás. Pueden alimentar el digestor con múltiples tipos de biomasa de forma fácil y fiable y con un buen macerado, cumpliendo así los requisitos básicos de rentabilidad económica que estas plantas de biogás plantean.