Por ello, el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO) acaba de elaborar una hoja de ruta para el biogás. Una clave central en ella es el acoplamiento sectorial, en el que el biometano producido se suministrará principalmente a la industria en forma de electricidad y calor, pero también a la movilidad en forma de biocombustible sostenible.
En comparación con otros países europeos, la producción de biogás está bastante infrarrepresentada en España. Según el instituto estatal de la energía IDAE, 146 plantas producen actualmente biogás con un contenido energético anual de unos 2,7 teravatios hora (TWh). Sin embargo, según la hoja de ruta, se prevé que la producción de gas en España se multiplique por 3,8 de aquí a 2030, lo que corresponde a una producción de unos 10,3 TWh. El potencial de biogás, sin embargo, es mucho mayor, ya que sólo se ha utilizado una parte limitada de las biomasas disponibles para producir biogás y electricidad. Ahora se supone que esto va a cambiar. Según la agenda, la atención se centra en el reciclado de residuos procedentes de la agricultura, la industria alimentaria, los lodos municipales y los lodos de depuradora. Además, en la metanización anaerobia se utilizarán cultivos intermedios y biomasa forestal excedentaria, hasta ahora poco utilizados, por su elevado potencial de biogás. Según un estudio de la asociación industrial Sedigas, la utilización de todos los sustratos disponibles para la producción de biogás podría multiplicar por 60 aproximadamente la producción anual de energía a partir de biomasa. Esto corresponde a una producción de aproximadamente 163 TWh. Este valor puede considerarse un potencial máximo teórico, ya que apenas todas las fuentes pueden explotarse exclusivamente para la generación de gas. Además, habría que invertir 40.500 millones de euros adicionales en más de 2.300 plantas.
Sin embargo, la integración de las plantas de biogás en la economía circular, la mejora del biogás, la descarbonización y el reciclaje de CO2, respectivamente, es una premisa importante para el éxito de la revolución energética de España. Los sistemas de biogás ofrecen soluciones en un futuro neto cero.
El biogás en la economía circular, la sostenibilidad y la descarbonización.
Actualmente funcionan en Europa unas 20.000 plantas de biogás. En consecuencia, se espera que el biometano producido cubra alrededor del 40% del consumo de gas en 2050. Sin embargo, para llevar a cabo la transición energética solicitada, debe abordarse en su totalidad. Por lo tanto, en los futuros modelos de economía circular, las plantas de biogás servirán de centro neurálgico para lograr con éxito la descarbonización y el acoplamiento sectorial. En este sentido, los flujos masivos de materiales sobrantes generados previamente como residuos de procesos industriales, agricultura y otras actividades humanas pueden canalizarse a través de plantas de biogás y convertirse finalmente en fuentes de energía útiles, fertilizantes orgánicos ricos en nutrientes y nuevos materiales (Fig. 1).
Las denominadas plantas de biogás de circuito cerrado ya funcionan con éxito en muchos países europeos, como Alemania, Reino Unido, Suecia, Finlandia, Dinamarca y Noruega [1]. Todo lo que entra en el bucle se procesa y refina en nuevos productos para su venta rentable. Así, las plantas de biogás han desarrollado un centro industrial altamente rentable en el que también participan empresas privadas externas para llevar a cabo negocios rentables con los "residuos" como materia prima.
Dada la urgente necesidad de actuar para mitigar el cambio climático, la reducción de las emisiones de carbono debe complementarse con opciones para eliminar los gases de efecto invernadero. El sector del biogás también puede proporcionar flujos de CO2 biogénico que pueden utilizarse en otros sectores o emplearse para capturar permanentemente y proporcionar emisiones negativas. Los enfoques "Power-to-x (P2X)" ayudan a capturar el CO2 del biogás (Fig. 3). Sin embargo, al utilizar el CO2 producido, los ciclos de materiales pueden cerrarse en parte.
Fig. 1: Ejemplo de una planta de biogás que sirve de eje en la economía de bucle cerrado.
El reciclaje del CO2 como parte de la economía circular
Así, el CO2 biogénico forma parte del "ciclo corto natural del carbono". El CO2 atmosférico absorbido en la biomasa por la fotosíntesis se devuelve a la atmósfera. Durante el ciclo natural del carbono, en general no hay acumulación de CO2 en la atmósfera.
No obstante, el biogás puede mejorarse para producir biometano que se inyecta en la red de gas natural o se utiliza como combustible en vehículos, para el suministro de calor in situ y para la generación de vapor/electricidad en la industria. Así pues, la mejora del biogás es actualmente la fuente más accesible de CO2 biogénico concentrado "listo para su uso", a pesar de que las plantas de biogás producen menos de 250 gramos de CO2-eq. / kWhele. (en comparación: las centrales de lignito producen >1.100 g CO2-eq. / kWhele.). En Europa, sin embargo, se producen anualmente unos 50 millones de toneladas de CO2 por la mejora y combustión de biogás y se espera que esta cantidad aumente hasta 125 millones de toneladas en 2050 [2]. En consecuencia, la conversión del CO2 en productos valiosos está recibiendo una atención cada vez mayor por parte de ingenieros, investigadores y políticos.
En consecuencia, el almacenamiento a corto plazo y, alternativamente, el almacenamiento a largo plazo de CO2 mediante su conversión química en productos duraderos constituyen importantes modelos de negocio.
Los procesos asignados al almacenamiento a corto plazo incluyen, por ejemplo, la liofilización, la producción de bebidas carbonatadas, los agentes de limpieza en lavanderías y como agente extintor en incendios (Fig. 2). La industria alimentaria y de bebidas consume unos 11 millones de toneladas métricas de CO2 al año en todo el mundo, lo que la convierte en uno de los usuarios finales de CO2 más consolidados [3]. Aunque el CO2 sólo se almacena durante un tiempo limitado en estos procesos, añade valor al convertir el dióxido de carbono en un producto valioso.
Por el contrario, la conversión del dióxido de carbono en productos químicos elimina el gas de efecto invernadero de la atmósfera, aunque en sentido estricto debe considerarse el uso posterior de los productos en cada caso concreto. Un enlace químico permanente se da, por ejemplo, en la producción de metanol a partir de CO2 y H2. El metanol, que en su mayor parte sigue derivándose de combustibles fósiles, es uno de los productos químicos orgánicos más producidos, con unos 110 millones de toneladas métricas al año.
Otro proceso que almacena CO2 a largo plazo es la síntesis de urea a partir de CO2 y amoníaco. Dado que la síntesis de urea consume alrededor del 80% del NH3 producido en todo el mundo, también se ha desarrollado la recuperación de urea a partir de nitrógeno y CO2 [4].
Otros ejemplos de fijación de CO2 incluyen la síntesis de 1) policarbonatos como base para plásticos y la producción de 2) ácido fórmico 3) ácido acético y 4) lactona, que se utilizan en las industrias farmacéutica y médica. También se está investigando
intensamente la conversión de glicerol en carbonato de glicerol, que podría utilizarse como disolvente no tóxico para pinturas y revestimientos, en cosmética y como producto químico base para nuevos tipos de plásticos. Además, también la industria biotecnológica de microalgas ha recibido una atención significativa en los últimos años para la producción de productos farmacéuticos, plásticos y cosméticos. El papel de las microalgas como convertidores de CO2 en la economía circular es fundamental y, por tanto, participa también en los conceptos de biorrefinería.
Sin embargo, se identificaron más de 20 procesos químicos que serían más respetuosos con el medio ambiente si partieran del dióxido de carbono como materia prima. Así, hasta 750 millones de toneladas de dióxido de carbono podrían reciclarse químicamente en todo el mundo.
No obstante, el reprocesamiento del CO2 procedente del biogás contribuye a reducir la intensidad de los gases de efecto invernadero y logra una descarbonatación absoluta del CO2 de la atmósfera. Si se utiliza biometano, pueden conseguirse incluso emisiones negativas, dependiendo de las vías de producción del biometano.
Fig. 2: Mercados establecidos - CO2 como materia prima. El CO2 biogénico puede capturarse y almacenarse permanentemente en productos químicos o, alternativamente, en productos de vida corta con liberación retardada de CO2.
Tecnologías Power-to-X como parte de la economía circular
La notación general de los sistemas que convierten la electricidad en otra forma de energía se denota como Power-to-X (P2X), donde "X" es el producto final de la conversión energética. De estos procesos pueden obtenerse diversos productos, como por ejemplo metano, metanol y e-gasolina o e-diésel. Los combustibles sintéticos de origen renovable, también conocidos como "combustibles eléctricos" (e-fuels), se producen fusionando una fuente de carbono e hidrógeno electrolítico. Así, "PtX" permite cadenas de valor alternativas para la industria química climáticamente neutra mediante procesos de electrólisis. Por ejemplo, en el proceso de metanación biológica, el CO2 reacciona con el hidrógeno dando lugar al gas biometano. No se requieren costosos procesos catalíticos, altas temperaturas ni presiones de proceso. El gas es un portador de energía muy bueno que puede almacenarse fácilmente a largo plazo en tanques y redes de gas sin apenas pérdidas de energía [5].
Sin embargo, el primer paso es la conversión de la energía eléctrica sobrante en hidrógeno mediante la electrólisis del agua (Fig. 3), que puede utilizarse, por ejemplo, para la producción de combustibles. Como etapa previa del proceso Fischer-Dropsch, el hidrógeno se convierte con CO2 en un gas de síntesis que contiene CO, el material de partida para la producción de hidrocarburos y e-combustibles, respectivamente.
En la síntesis de metanol, el metanol se produce a partir de hidrógeno y dióxido de carbono o monóxido de carbono en una etapa primaria. El metanol puede utilizarse directamente o convertirse en combustibles líquidos sintéticos (gasóleo, gasolina, parafina).
Sin embargo, para competir con el hidrógeno azul, los proyectos de electrolizadores aún tienen que lograr reducciones de costes significativas. Gracias a los avances tecnológicos, es posible producir hidrógeno verde por menos de 2,50 euros el kilo y, por tanto, será más barato que el hidrógeno "azul" convencional producido a partir de gas natural en 2030 [6].
Fig. 3: Clasificación simplificada de las vías PtX seleccionadas. El CO2 y el H2 son precursores para la formación de los productos finales.
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