El upgrading de biogàs és el conjunt de processos utilitzats per a transformar un biogàs brut en biometà, un gas renovable amb una elevada concentració de metà i unes característiques que permeten ampliar considerablement les seves possibilitats d'aprofitament energètic.
El biogàs obtingut mitjançant digestió anaeròbia conté principalment metà (CH₄) i diòxid de carboni (CO₂), a més d'humitat i diferents compostos minoritaris. Encara que pot utilitzar-se directament en determinades aplicacions energètiques, la seva composició limita altres usos de major valor afegit.
El procés de upgrading permet eliminar bona part del CO₂ i de les impureses presents en el gas, augmentant així la proporció de metà. El resultat és un biometà de major qualitat que pot utilitzar-se, sempre que compleixi les especificacions aplicables, en aplicacions industrials, mobilitat o injecció en la xarxa gasista.
El upgrading s'ha convertit per això en una de les etapes fonamentals de molts projectes de valorització de biogàs, especialment en instal·lacions agroramaderes, plantes de tractament de residus, indústries agroalimentàries i estacions depuradores d'aigües residuals.
No obstant això, no existeix una única tecnologia vàlida per a tots els projectes. Membranes, PSA, rentat amb aigua o absorció química mitjançant amines presenten característiques diferents en termes de consum energètic, puresa, recuperació de metà, complexitat operativa i necessitats de pretractament.
Comprendre aquestes diferències és fonamental per a dissenyar correctament una planta de producció de biometà.
Què és el upgrading de biogàs?
El terme upgrading fa referència al procés de depuració i enriquiment del biogàs per a augmentar el seu contingut en metà.
Durant la digestió anaeròbia, diferents microorganismes degraden matèria orgànica en absència d'oxigen i generen un gas compost principalment per CH₄ i CO₂. Depenent de la matèria primera i del funcionament de la instal·lació, també poden aparèixer altres components en concentracions variables.
Entre ells es troben:
- sulfur d'hidrogen o H₂S;
- vapor d'aigua;
- compostos orgànics volàtils;
- siloxanos;
- traces d'altres gasos i contaminants.
L'objectiu del upgrading no consisteix simplement a «netejar» el biogàs. El procés ha d'aconseguir simultàniament dos resultats:
- Eliminar els components que puguin afectar la qualitat, seguretat o utilització posterior del gas.
- Separar una part important del CO₂ per a incrementar la concentració de CH₄.
Quan el gas aconsegueix les especificacions necessàries, pot considerar-se biometà i destinar-se a aplicacions similars a les del gas natural.
El upgrading representa, per tant, el pas tècnic que connecta la producció de biogàs amb l'obtenció d'un gas renovable de major qualitat i versatilitat.
Diferències entre biogàs i biometà
Encara que tots dos gasos procedeixen del mateix procés biològic inicial, biogàs i biometà no són equivalents.
El biogàs és el gas obtingut directament mitjançant digestió anaeròbia. Conté una proporció significativa de metà, però també CO₂ i diferents impureses.
El biometà, per contra, s'obté després de sotmetre aquest biogàs a processos de condicionament, depuració i separació.
La principal diferència es troba en la composició.
Mentre el biogàs brut presenta una concentració de metà sensiblement inferior, el upgrading permet obtenir un gas amb una concentració de CH₄ molt superior, que pot superar el 95% depenent de la tecnologia, les condicions d'operació i les especificacions establertes per al producte final.
Aquesta diferència modifica completament les seves possibilitats d'aprofitament.
El biogàs pot utilitzar-se, per exemple, en determinats sistemes de generació tèrmica o elèctrica, mentre que el biometà pot aconseguir una qualitat adequada per a usos més exigents.
Per què és necessari purificar el biogàs?
Les impureses presents en el biogàs poden provocar diferents problemes tècnics.
L'H₂S és un compost especialment rellevant pel seu caràcter corrosiu. La humitat també pot afavorir processos de corrosió i condensació, mentre que els siloxanos poden generar dipòsits quan el gas s'utilitza en determinats equips de combustió.
A més, l'elevada presència de CO₂ redueix el poder calorífic del gas.
La purificació permet millorar aquestes característiques i obtenir un producte energètic més homogeni.
Per tant, el upgrading té una doble funció: protegir els equips i millorar la qualitat energètica del gas.
Com funciona el procés de upgrading del biogàs?
Encara que la configuració concreta depèn de cada instal·lació, un sistema de upgrading pot dividir-se de manera general en diverses etapes.
La seqüència més habitual inclou:
- pretractament;
- eliminació de contaminants;
- separació de CO₂ i CH₄;
- condicionament final.
Cadascuna d'aquestes fases exerceix una funció diferent.
1. Pretractament i condicionament del biogàs
El biogàs produït en un digestor no sol enviar-se directament a la unitat principal de separació.
Abans és necessari condicionar-ho.
El pretractament pot incloure operacions destinades a reduir humitat, partícules i determinats contaminants que podrien perjudicar el funcionament dels equips posteriors.
La importància d'aquesta fase depèn en gran manera de la tecnologia utilitzada per al upgrading.
Alguns sistemes de separació són especialment sensibles a determinats compostos, per la qual cosa una correcta preparació del gas resulta fonamental per a preservar el rendiment i la vida útil de la instal·lació.
També és necessari controlar paràmetres com:
- temperatura;
- pressió;
- cabal;
- concentració de contaminants;
- composició del biogàs.
Un disseny deficient del pretractament pot traslladar problemes a les etapes posteriors i reduir el rendiment global del procés.
2. Eliminació d'H₂S, humitat, VOC i altres impureses
Després del condicionament inicial s'eliminen els contaminants que puguin interferir en el procés de upgrading o limitar l'ús posterior del biometà.
Un dels compostos més importants és el sulfur d'hidrogen (H₂S).
La seva concentració depèn de la matèria primera i del procés de digestió anaeròbia. A causa del seu caràcter corrosiu, sol ser necessari reduir-ho abans de determinades etapes de purificació.
També poden eliminar-se:
- vapor d'aigua;
- compostos orgànics volàtils;
- siloxanos;
- partícules;
- altres contaminants presents en concentracions menors.
Els sistemes utilitzats depenen de la composició del gas i poden combinar diferents principis de separació o adsorció.
En aquesta fase resulta especialment important caracteritzar correctament el biogàs d'entrada. Dues instal·lacions amb un cabal similar poden necessitar sistemes de pretractament molt distints si la composició del seu gas és diferent.
3. Separació del CO₂ i concentració del metà
Aquesta és l'etapa central del upgrading.
El biogàs conté una quantitat important de CO₂ que ha de separar-se per a augmentar la concentració relativa de metà.
Per a aconseguir-ho poden utilitzar-se diferents tecnologies, entre elles:
- membranes;
- PSA;
- rentada amb aigua;
- absorció química mitjançant amines.
Cada tecnologia utilitza un principi físic o químic diferent per a separar els components.
L'objectiu és maximitzar la recuperació de metà i obtenir un biometà amb les característiques requerides per a la seva aplicació final.
La separació ha de dissenyar-se acuradament perquè una part del metà pot perdre's juntament amb el corrent ric en CO₂. Aquestes pèrdues, conegudes habitualment com methane eslip, influeixen tant en l'eficiència energètica com en el comportament ambiental del procés.
Per aquest motiu, no ha d'avaluar-se una tecnologia únicament per la puresa final del biometà. També és necessari considerar quant metà es recupera realment.
4. Condicionament final del biometà
Una vegada separat el CO₂, el gas pot necessitar tractaments addicionals abans de la seva utilització.
El condicionament final depèn del destí previst.
Pot ser necessari controlar aspectes com:
- humitat;
- pressió;
- temperatura;
- composició;
- concentració de determinats compostos.
Si el biometà s'injectarà en una xarxa gasista, haurà de complir els requisits tècnics i de qualitat aplicables.
Si es destina a mobilitat o a determinats processos industrials, les condicions poden ser diferents.
Això demostra que una planta de upgrading no hauria de dissenyar-se de forma aïllada: l'ús final del biometà condiciona des del principi la configuració del procés.
Principals tecnologies de upgrading de biogàs
No existeix una tecnologia universalment superior.
La selecció ha de realitzar-se en funció del cabal, composició del biogàs, concentració de contaminants, nivell de puresa desitjat, recuperació de metà, consum energètic, condicions d'operació i destí final del biometà.
Les tecnologies més esteses empren mecanismes de separació diferents.
Upgrading mitjançant membranes
Les membranes utilitzen materials amb diferent permeabilitat per als diferents components del gas.
Determinades membranes permeten que el CO₂ travessi el material amb major facilitat que el CH₄. D'aquesta manera es generen corrents amb composicions diferents i s'aconsegueix concentrar el metà.
Una planta pot utilitzar diverses etapes de membranes per a augmentar la puresa i millorar la recuperació.
Entre les seves principals característiques destaquen:
- configuració compacta;
- modularidad;
- possibilitat d'automatització;
- facilitat per a adaptar capacitat mitjançant diferents mòduls;
- absència de grans quantitats de reactius químics en l'etapa principal de separació.
No obstant això, el rendiment depèn de la qualitat del gas d'entrada i del disseny del procés.
Les membranes poden requerir un pretractament rigorós per a protegir el material enfront de contaminants que redueixin el seu rendiment o vida útil.
A més, el sistema ha de dissenyar-se adequadament per a controlar les pèrdues de metà.
PSA o adsorció per canvi de pressió
El Pressure Swing Adsorption, conegut com PSA, utilitza materials adsorbents capaços de retenir selectivament determinats components del gas.
El procés alterna cicles de pressió.
Durant una fase, uns certs components queden retinguts en l'adsorbent. Posteriorment, en modificar la pressió, el material es regenera i allibera els compostos adsorbidos.
Mitjançant la repetició d'aquests cicles s'aconsegueix separar el metà d'altres components.
Entre els seus avantatges es troben:
- procés sec;
- elevada automatització;
- tecnologia àmpliament utilitzada en separació de gasos.
Com a contrapartida, el sistema requereix una gestió precisa dels cicles de pressió i un condicionament adequat del biogàs.
La selecció i comportament de l'adsorbent també resulten fonamentals.
Rentada amb aigua
La rentada amb aigua aprofita les diferències de solubilitat dels gasos.
El CO₂ presenta una major solubilitat en aigua que el metà, especialment baix determinades condicions de pressió.
El biogàs entra en contacte amb aigua en una columna d'absorció. Una part significativa del CO₂ passa a la fase líquida mentre el gas que abandona el sistema augmenta la seva concentració de metà.
L'aigua utilitzada pot regenerar-se i recircular-se dins del procés.
Entre els seus punts forts destaca l'ús d'un absorbent senzill i àmpliament disponible.
No obstant això, el procés requereix equips destinats a gestionar la circulació i regeneració de l'aigua, així com un control adequat de les condicions operatives.
Absorció química mitjançant amines
L'absorció química utilitza substàncies capaces de reaccionar selectivament amb el CO₂.
Les solucions d'amines són un dels exemples més coneguts.
El CO₂ queda capturat en una etapa d'absorció i posteriorment la solució es regenera mitjançant l'aportació d'energia tèrmica, alliberant de nou el CO₂ i permetent reutilitzar l'absorbent.
Una dels seus principals avantatges és la seva capacitat per a aconseguir elevats nivells de separació i recuperació de metà.
No obstant això, la regeneració de les amines implica una demanda tèrmica que ha d'analitzar-se acuradament.
La disponibilitat de calor residual pot modificar de manera important la viabilitat energètica del sistema.
Altres tecnologies de upgrading
A més de les tecnologies anteriors existeixen altres sistemes i combinacions.
En determinades aplicacions poden utilitzar-se:
- processos criogènics;
- altres absorbents físics o químics;
- sistemes biològics;
- configuracions híbrides.
L'elecció depèn sempre de les particularitats del projecte.
Les solucions híbrides també poden resultar interessants quan es busca combinar els avantatges de diverses tecnologies o respondre a condicions específiques del gas.
Membranes, PSA, rentat amb aigua o amines: quina tecnologia triar?
L'elecció d'una tecnologia de upgrading no hauria de realitzar-se únicament comparant la puresa màxima que pot aconseguir cada sistema.
És necessari analitzar el conjunt del procés.
Tecnologia | Principi de separació | Principals avantatges | Aspectes a valorar |
Membranes | Permeació selectiva | Modularidad, compacitat, automatització | Pretractament, compressió i pèrdues de CH₄ |
PSA | Adsorció selectiva | Procés sec, automatitzable | Cicles de pressió, adsorbents i recuperació |
Rentada amb aigua | Diferència de solubilitat | Ús d'aigua com a absorbent | Circulació, pressió i regeneració |
Amines | Absorció química | Alta selectivitat i recuperació | Demanda tèrmica i gestió de l'absorbent |
La comparació ha de fer-se a partir de dades reals del projecte.
Una tecnologia que funciona correctament en una instal·lació de gran capacitat pot no ser la solució més adequada per a una planta petita.
De la mateixa manera, una instal·lació que disposi de calor residual pot valorar de manera diferent una tecnologia amb necessitats tèrmiques.
Altres factors com la variabilitat del cabal, la disponibilitat d'espai o la composició del biogàs també poden canviar completament la decisió.
Per això, resulta més correcte parlar de tecnologia adequada per a cada projecte que d'una única «millor tecnologia de upgrading».
Quins factors determinen el sistema de upgrading adequat?
La selecció tecnològica ha de realitzar-se després de caracteritzar el projecte en profunditat.
Composició del biogàs d'entrada
El primer pas és conèixer la composició real del gas.
Ha d'analitzar-se, entre altres aspectes:
- concentració de CH₄;
- concentració de CO₂;
- H₂S;
- humitat;
- siloxanos;
- VOC;
- possibles contaminants específics.
La naturalesa de la matèria primera influeix directament en aquestes concentracions.
Per això, una planta agroramadera i una EDAR poden presentar necessitats de condicionament diferents.
Cabal i grandària de la instal·lació
El volum de biogàs disponible condiciona tant el dimensionament com la viabilitat econòmica.
Ha d'analitzar-se el cabal nominal, però també la seva possible variabilitat.
Els processos biològics no sempre produeixen exactament la mateixa quantitat de gas durant tot l'any.
Una instal·lació de upgrading correctament dissenyada ha de ser capaç de treballar dins d'un rang operatiu compatible amb aquestes variacions.
Puresa i recuperació de metà requerida
Puresa i recuperació no són exactament el mateix concepte.
La puresa indica quina proporció del gas final correspon a metà.
La recuperació, en canvi, indica quina part del metà present inicialment en el biogàs acaba realment en el corrent de biometà.
Una instal·lació pot produir un gas molt pur i, al mateix temps, perdre massa CH₄ durant el procés.
Per això, tots dos indicadors han d'avaluar-se conjuntament.
Consum energètic i necessitats operatives
El upgrading requereix energia.
Depenent de la tecnologia, aquesta demanda pot manifestar-se principalment en forma de:
- electricitat;
- compressió;
- bombament;
- calor.
L'anàlisi ha de contemplar el consum total i no únicament la potència d'un equip concret.
També han de tenir-se en compte:
- manteniment;
- consumibles;
- regeneració;
- personal;
- disponibilitat de recanvis;
- complexitat d'operació.
Aquests factors influeixen directament en el OPEX de la instal·lació.
Destí final del biometà
La utilització prevista és un altre criteri fonamental.
El biometà pot destinar-se a:
- injecció en xarxa;
- ús industrial;
- producció de combustible renovable;
- mobilitat;
- altres aplicacions energètiques.
Cada destí pot exigir unes determinades especificacions de qualitat, pressió o condicionament.
Per això, el disseny hauria de començar definint quin producte es desitja obtenir i no simplement quin equip de upgrading es vol instal·lar.
Què s'obté després del upgrading?
El producte principal és un gas enriquit en metà: biometà.
Quan compleix els requisits necessaris, pot aconseguir una qualitat comparable a la del gas natural per a determinades aplicacions.
L'obtenció de biometà incrementa considerablement les possibilitats de valorització del biogàs.
Qualitat i concentració de metà
La concentració final depèn de:
- composició del gas brut;
- tecnologia utilitzada;
- configuració del sistema;
- condicions d'operació;
- requisits del projecte.
En molts sistemes es busca superar àmpliament el 95% de metà, encara que no ha d'interpretar-se aquest valor com una especificació universal.
Les condicions exigides depenen de l'ús posterior i de la normativa o requisits tècnics aplicables.
Aprofitament del CO₂ separat
El upgrading genera un corrent ric en CO₂.
En determinats projectes, aquest CO₂ pot convertir-se en un segon flux susceptible de valorització si aconsegueix la qualitat necessària i existeix una aplicació viable.
Això obre la possibilitat d'estudiar solucions orientades a l'aprofitament integral dels diferents fluxos de la planta.
No obstant això, qualsevol utilització del CO₂ requereix analitzar aspectes tècnics, econòmics i de qualitat de manera independent.
Per a què s'utilitza el biometà?
Una dels principals avantatges de transformar biogàs en biometà és ampliar el ventall d'aplicacions.
Injecció en la xarxa gasista
La injecció en xarxa permet introduir biometà en infraestructures gasistes existents quan compleix les condicions requerides.
Aquesta possibilitat facilita la distribució del gas renovable cap a consumidors situats lluny de la planta de producció.
No obstant això, el upgrading constitueix solament una part del projecte.
També han de considerar-se:
- control de qualitat;
- mesurament;
- compressió;
- connexió;
- requisits tècnics de la xarxa.
Ús industrial
El biometà pot utilitzar-se com a combustible renovable en determinats processos industrials.
Per a indústries que ja utilitzen gas, la seva incorporació pot representar una via de reducció d'emissions associades al consum energètic, sempre dins de l'estratègia energètica global de cada instal·lació.
L'interès és especialment rellevant en activitats que necessiten energia tèrmica difícil d'electrificar completament.
Mobilitat i combustible renovable
El biometà també pot utilitzar-se com a combustible.
Depenent del seu condicionament posterior, pot emprar-se en forma comprimida o liquada.
Aquesta aplicació permet valorar el gas renovable en determinats segments del transport i la mobilitat pesada.
En aquests casos, a més del upgrading, poden ser necessaris processos addicionals de compressió o liqüefacció.
Upgrading de biogàs en diferents tipus d'instal·lacions
La producció de biometà pot integrar-se en múltiples sectors.
Plantes agroramaderes
Els residus agrícoles i ramaders presenten un important potencial per a la producció de biogàs mitjançant digestió anaeròbia.
Purins, fems i altres residus orgànics poden introduir-se en processos de valorització per a generar biogàs.
El upgrading permet transformar aquest gas en un producte energètic de major qualitat.
A més, aquests projectes poden formar part d'estratègies més àmplies de gestió de residus i economia circular.
Indústria agroalimentària
La indústria agroalimentària genera corrents orgànics susceptibles de valorització.
Depenent del procés productiu poden trobar-se:
- subproductos;
- aigües residuals amb càrrega orgànica;
- restes de matèria primera;
- residus biodegradables.
La digestió anaeròbia permet aprofitar part d'aquests corrents per a produir biogàs.
La seva posterior transformació en biometà pot incrementar el valor energètic obtingut.
Plantes de tractament de residus
La fracció orgànica de determinats residus pot utilitzar-se com a substrat per a digestió anaeròbia.
En aquests projectes, el upgrading permet integrar la gestió de residus amb la producció de gas renovable.
L'èxit del sistema depèn de múltiples factors, entre ells la qualitat de la matèria primera, estabilitat del procés biològic, composició del biogàs i tecnologia de depuració seleccionada.
EDAR i tractament d'aigües residuals
Les estacions depuradores d'aigües residuals poden generar biogàs durant el tractament anaerobi de llots.
Tradicionalment aquest biogàs s'ha utilitzat en aplicacions tèrmiques o de cogeneració.
El upgrading obre una altra possibilitat: transformar el gas en biometà per a aplicacions de major valor afegit quan les condicions del projecte el justifiquen.
Avantatges de transformar biogàs en biometà
El upgrading permet millorar considerablement l'aprofitament del gas procedent de la digestió anaeròbia.
Entre els seus principals avantatges es troben:
- increment de la concentració de metà;
- eliminació de contaminants;
- millora de la qualitat energètica del gas;
- possibilitat d'injecció en xarxa quan es compleixen les especificacions;
- utilització en aplicacions industrials;
- potencial ocupació com a combustible renovable;
- valorització de residus orgànics;
- integració en models d'economia circular.
Des del punt de vista energètic, el principal avantatge resideix a convertir un gas d'utilització relativament localitzada en un producte més flexible.
Des del punt de vista ambiental, l'interès del biometà està relacionat amb l'aprofitament de matèries orgàniques i la substitució potencial de combustibles fòssils.
No obstant això, el comportament global de cada projecte depèn de com es dissenyin la digestió, el upgrading, les pèrdues de metà, el consum energètic i la utilització final del gas.
Per aquest motiu, l'eficiència ha d'avaluar-se a escala de sistema complet.
Conclusió
El upgrading de biogàs és una tecnologia clau per a transformar un gas procedent de la digestió anaeròbia en biometà d'alta qualitat.
El procés combina pretractament, eliminació de contaminants, separació del CO₂ i condicionament final. L'objectiu és augmentar la concentració de metà i adaptar el gas a aplicacions de major valor afegit.
Membranes, PSA, rentat amb aigua i absorció mitjançant amines són algunes de les principals alternatives disponibles, però cap pot considerar-se universalment superior.
La solució adequada depèn de la composició del biogàs, el cabal, les necessitats de puresa, la recuperació de metà, el consum energètic i el destí final del producte.
Per aquest motiu, el disseny d'una instal·lació de upgrading ha de partir sempre d'un estudi tècnic específic del projecte.
Analitzar prèviament la producció de biogàs, les seves característiques i les condicions d'utilització del biometà permet seleccionar la tecnologia més adequada, dimensionar correctament la instal·lació i optimitzar tant el seu rendiment energètic com la seva viabilitat operativa.
Preguntes freqüents sobre upgrading de biogàs
El biometà presenta una concentració de CH₄ molt superior a la del biogàs brut. Mitjançant upgrading poden aconseguir-se concentracions superiors al 95% i, amb determinades tecnologies i configuracions, valors encara majors. La concentració necessària depèn del destí del gas i de les especificacions que hagi de complir.
El biogàs és el gas generat directament durant la digestió anaeròbia i conté principalment CH₄ i CO₂, a més de diferents impureses.
El biometà s'obté després de depurar aquest biogàs i reduir significativament el contingut de CO₂ i contaminants.
Per això presenta una major concentració de metà i més possibilitats d'utilització.
El tractament pot incloure l'eliminació o reducció de:
- H₂S;
- humitat;
- CO₂;
- VOC;
- siloxanos;
- altres compostos minoritaris.
No tots aquests components s'eliminen necessàriament en la mateixa etapa. El procés sol combinar diferents sistemes de condicionament i separació.
No existeix una única resposta.
Membranes, PSA, rentat amb aigua i amines poden ser solucions adequades en diferents circumstàncies.
La decisió depèn de factors com:
- composició del gas;
- cabal;
- puresa requerida;
- recuperació de metà;
- disponibilitat d'energia;
- costos d'operació;
- espai disponible;
- destí final del biometà.
La comparació ha de realitzar-se sobre les condicions reals del projecte.
Sí, sempre que el gas compleixi les especificacions tècniques i de qualitat exigides per a la seva injecció i es disposi de la infraestructura necessària.
El upgrading permet aconseguir la qualitat necessària, però el projecte d'injecció requereix a més sistemes de mesurament, control, condicionament i connexió.