Estudio de centrales de biomasa a pequeña escala como fuente de energía en las zonas rurales de la región de Göttingen (Alemania)

Capítulo 1. Introducción 1 1. Introducción 1.1. Motivación y objetivos del estudio. En la actualidad, el desarrollo de nuevos modelos energéticos no dependientes de fuentes no renovables, es un reto importante para nuestra sociedad. El presente trabajo estudia uno de estos modelos a pequeña escala capaz de suplir las necesidades energéticas de un municipio, con sus propios recursos locales. A partir de los residuos ganaderos de sus granjas y de plantaciones energéticas cultivadas por sus habitantes mediante plantas de producción de biogás son capaces de generar calor y electricidad para autoabastecimiento propio. Además, un modelo energético basado en combustibles fósiles, fundamentalmente petróleo, carbón y gas natural, presenta tres inconvenientes principales. En primer lugar, al basarse en energías no renovables las reservas en un futuro no están garantizadas. Esto está produciendo la actual crisis del petróleo con el aumento de los precios y los conflictos económicos y sociales, los cuales se pueden agravar con el continuo aumento del consumo. En segundo lugar, la dependencia a estos combustibles fósiles que, en la mayoría de ocasiones, deben ser importados desde otros países haciéndonos más vulnerables ante posibles conflictos entre los países productores y consumidores. En el caso de España el 80% de la energía que consumimos es importada, así como el 100% del petróleo que utilizamos (EUROSTAT, 2008). Por lo que deberíamos considerar una necesidad para asegurar el suministro energético futuro, más que una obligación, el desarrollo y la implantación generalizada y eficaz de fuentes energéticas locales y renovables. El tercer inconveniente, que no el menos importante, es el impacto ambiental que está generando en la Tierra el uso indiscriminado de combustibles fósiles y derivados, produciendo el calentamiento global del planeta, del cual estamos sufriendo las primeras consecuencias. Aunque en la actualidad estamos en un momento clave para el fomento y aplicación de las energías renovables, fue en los años 70 del pasado siglo cuando tras la repentina 2 Capítulo 1. Introducción crisis del petróleo (1973 y 1979) y las primeras señales del calentamiento global, que urgían a reducir las emisiones de CO2, comenzó la investigación encaminada al estudio de nuevas fuentes alternativas para la producción de energía a gran escala. Estas se basan en fuentes inagotables como la luz y el calor procedente del sol (energía de la biomasa y solar), las olas, el viento o la fuerza hidráulica. Las razones anteriormente citadas junto con la estancia en un programa de prácticas internacionales en la región alemana de Göttingen han motivado el presente trabajo fin de carrera. Durante el periodo de prácticas tuve la oportunidad de conocer los denominados pueblos bioenergéticos, en los que mediante la construcción de plantas de biogás agrícolas a pequeña escala y consumiendo materias primas locales se produce electricidad y calor. Dichos proyectos son posibles no solo gracias al apoyo gubernamental, si no que tienen un fuerte respaldo social de los agricultores, granjeros y vecinos de la zona. Por consiguiente, el principal objetivo de este estudio es caracterizar el funcionamiento de una planta de biogás a pequeña escala. Con el fin de alcanzar este objetivo, el estudio comprende varios objetivos específicos: • Estudio del funcionamiento de cuatro plantas de co-digestión anaerobia de residuos ganaderos y cultivos energéticos ensilados. • Estudio de las materias primas utilizadas anual y diariamente en cada planta y la cantidad de biogás producido. • Determinación del calor y la electricidad obtenida mediante cogeneración en relación a la materia prima utilizada. • Examinar la estabilidad del proceso mediante monitorización y control de parámetros ambientales y operacionales de cada planta del estudio. Capítulo 1. Introducción 3 1.2. La biomasa como recurso energético. La directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo define “biomasa” como la fracción biodegradable de productos, basuras o residuos de origen biológico proveniente de la agricultura (incluyendo sustancias animales y vegetales), silvicultura e industria relacionada, incluyendo pesca y acuicultura, así como la fracción biodegradable de la industria y los residuos municipales. La biomasa ha sido utilizada como recurso energético a los largo de la historia de la humanidad, quemándola directamente para producir calor, o para generar electricidad. En la actualidad el 35% de las necesidades de tres cuartas partes de la población mundial, en la mayoría de los países en desarrollo, provienen de la energía de la biomasa (Rosillo-Calle et al., 2007). Sin embargo, las aplicaciones energéticas actuales de la biomasa responden a la necesidad de reducir las emisiones de efecto invernadero, responsables del calentamiento global. A la vez que se reduce la dependencia de los países industrializados a los recursos energéticos derivados del petróleo. Desde la perspectiva de las emisiones de gases efecto invernadero y del ciclo del carbono, la bioenergía es diferente a otros sistemas energéticos con una notable disminución de las emisiones contaminantes. La producción de biomasa implica la captura del CO2 que se emite cuando la quemamos, dentro de lo que se considera un ciclo neutro de CO2. Con el fin de reducir las emisiones de gases con efecto invernadero el Parlamento Europeo creó la mencionada directiva 2009/28/CE, la cual tiene como finalidad promover el uso de recursos renovables para la producción energética. En el primer artículo define los objetivos generales de la misma: “establecer un marco común para el fomento de la energía procedente de fuentes renovables. Fijando objetivos nacionales obligatorios en relación con la cuota de energía procedente de fuentes renovables en el consumo final bruto de energía y con la cuota de energía procedente de fuentes renovables en el transporte” 4 Capítulo 1. Introducción Para alcanzar dichos objetivos, la directiva fija como fecha máxima para su cumplimento el año 2020, y es cuando el consumo final bruto de energía debe proceder como mínimo en un 20% de recursos renovables. A su vez, el consumo final de energía en transportes para cada estado miembro debe proceder como mínimo en un 10% de recursos renovables para todo tipo de transportes. Se entiende por consumo final de energía aquel realizado en la forma en que llega al consumidor, es decir, gas, petróleo, electricidad o agua caliente. Como indica el primer artículo la directiva 2009/28/CE donde se establecen los objetivos obligatorios para cada Estado Miembro, e insta a adoptar planes de acción nacionales de energías renovables. La Tabla A1.1 del Anejo I muestra la cuota de energía procedente de fuentes renovables en el consumo final de energía en 2005 y los objetivos de cada país para el año 2020. En 2005 España tenía una cuota de consumo de energías renovables del 8,7%, en 2009 dicha cuota había aumentado hasta el 9,4% según datos del Ministerio de Industria, Transporte y Comercio, lejos de los objetivos de Plan de Energías Renovables 2005-2010 (PER) del 12,1%. En el caso en Alemania, en 2005 la cuota de consumo de energías renovable era inferior a la de España con un 5,8%, sin embargo, en el mismo periodo de tiempo (2005-2009) alcanzó el 10,3%. Esto es debido, fundamentalmente, al incremento de la producción eléctrica derivada de la biomasa y de las instalaciones fotovoltaicas, las cuales según datos del Ministerio alemán de Medio Ambiente, la Conservación de la Naturaleza y la Seguridad nuclear aumentaron entre 2005 y 2009 en un 42% y 19% respectivamente (AGEE-Stat, 2011), convirtiéndose en un modelo de desarrollo energético a imitar. En la actualidad, la principal energía primaria consumida en España es el petróleo crudo con un 47,3% y el gas natural con un 23,3%. Se entiende como energía primaria aquella energía que todavía no ha sido procesada, y normalmente se clasifica en petróleo crudo, gas natural, nuclear, carbón y renovables. El resto de energías primarias están resumidas en la Figura 1.1, en la cual se observa que el 11,3% de la energía primaria proviene de fuentes renovables, siendo la biomasa la más importante con un 3,8% del total. A su vez cabe destacar que en el año 2009 el 24,7% de la producción de electricidad proviene de las energías renovables, en particular, de la energía eólica (12,4%) y la hidráulica (9%). Capítulo 1. Introducción 5 Figura 1.1: Energías primarias en España en 2010 (Fuente MITyC/IDAE). Para promocionar el uso de energías renovables el “Plan de Acción Nacional de Energías Renovables” (PANER) especifica las acciones a seguir, a la vez, aporta datos sobre la producción energética y el origen de la misma. La Tabla A1.2 y Tabla A1.3 del Anejo I muestran respectivamente la cantidad de biomasa disponible en España y en Alemania en el año 2006, así como las previsiones para el 2015 y el 2020, para la producción de energía primaria. Dicha biomasa se puede clasificar de diferentes maneras, pero una de ellas la divide en biomasa leñosa y biomasa no leñosa. A continuación cada tipo se subdivide en diferentes categorías (Rosillo-Calle et al., 2007): 1. Biomasa leñosa: 1.1. Bosques naturales: incluye toda la biomasa proveniente de boques naturales así como los residuos forestales. 1.2. Plantaciones forestales: biomasa de plantaciones comerciales (papel, muebles,…) y de plantaciones energéticas, es decir, árboles producidos para la producción de energía. 6 Capítulo 1. Introducción 1.3. Plantaciones agro-industriales: plantaciones forestales para la producción de materia prima, con la recolección de madera como subproducto. 1.4. Árboles no pertenecientes a bosques: árboles que crecen fuera de un bosque como arbustos y árboles urbanos, a los márgenes de la carretera o en el interior de propiedades particulares. 2. Biomasa no leñosa: 2.1. Cultivos agrícolas: cultivos específicos para la alimentación, forraje o producción energética. 2.2. Residuos agrícolas (o agro-industriales): residuos resultantes del procesado agro-industrial de los cultivos agrícolas. 2.3. Residuos animales: principalmente deyecciones ganaderas, aunque también se consideran residuos animales los generados en mataderos. 2.4. Lodos de depuradora: lodo espeso de los materiales sólidos obtenidos a partir de aguas residuales durante el proceso de tratamiento por sedimentación. 2.5. Cultivo de algas: ciertos géneros de algas como la Chorella vulgaris (Deublein & Steinhauser, 2008). 2.6. Residuos Sólidos Urbanos (RSU): residuos generados en municipios y servicios (hoteles, comercios,…), siendo particularmente aprovechable la fracción orgánica de estos residuos (FORSU). Las principales aplicaciones de la biomasa como recurso energético son la producción de calor para agua caliente sanitaria o para procesos industriales, la producción de combustibles líquidos para el transporte como bioetanol y biodiesel, y la generación de electricidad para suplir la red eléctrica. También permite obtener biogás mediante digestión anaerobia de la biomasa, que una vez purificado y procesado con los correspondientes aditivos puede ser incorporado en la red de gas natural. Las principales tecnologías para la transformación de la biomasa en calor y electricidad son las siguientes (Rosillo-Calle et al., 2007), (Brown et al., 2005): A. Combustión directa: Este sistema se basa en generar vapor mediante la combustión de la biomasa, produciendo energía mecánica a través de turbinas y finalmente energía eléctrica en alternadores. Capítulo 1. Introducción 7 B. Combustión conjunta: Es la combustión simultánea de una mezcla de combustibles, por ejemplo, carbón y biomasa. C. Gasificación: Es la combustión en defecto de oxígeno con transformación de un material sólido en un gas aprovechable como combustible. D. Pirolisis: Descomposición térmica de biomasa en ausencia de oxígeno obteniendo como producto un combustible líquido conocido como bio-aceite y una mezcla de diferentes gases. E. Cogeneración, (Combined Heat and Power, CHP): Es la producción de energía eléctrica combinada con el aprovechamiento del calor residual producido. F. Digestión anaerobia: Es un proceso biológico que convierte biomasa sólida o líquida en gas en ausencia de oxígeno. El producto, denominado biogás, está principalmente compuesto por metano y dióxido de carbono, así como con bajas cantidades de otros gases. El residuo sólido resultante del proceso puede ser utilizado como fertilizante. 1.3. La región de Göttingen y su potencial biomásico. Göttingen es un distrito en el sur de la Baja Sajonia en Alemania (Figura A1.1 y Figura A1.2 del Anejo I). Está rodeado por los estados de Thuringia y Hesse, y por los distritos de Northeim y Osterode (Figura A1.3 del Anejo I). El distrito de Göttingen está formado por doce núcleos urbanos y su área es de 1.117 km2 con una población total de aproximadamente 265.000 habitantes. Esto significa una densidad de 23 habitantes por km2. De dichos núcleos urbanos el mayor es la ciudad de Göttingen con 121.500 habitantes, de los cuales alrededor de 25.000 son estudiantes debido a la presencia de la Universidad George August de Göttingen, un centro de educación e investigación con más de 13.500 empleados. La región de Göttingen pertenece al macro-clima templado y al bioclima templado oceánico (Rivas-Martinez et al., 2009). En dicho bioclima hay entre 4 y 7 meses con una temperatura media de 10ºC o superior. Los inviernos son relativamente suaves y húmedos, mientras que los veranos son relativamente fríos, con temperaturas entre 13 y 18ºC. La temperatura media anual es de 8,7ºC, con una máxima mensual de 8 Capítulo 1. Introducción 18,6ºC en julio y una temperatura mínima mensual es 0,8ºC durante el mes de enero. Las precipitaciones anuales en la región de Göttingen son de 644,9 mm. El mes con mayores precipitaciones es julio con aproximadamente 80 mm y el mes con menores precipitaciones es abril con una media de 38,1 mm. Los días con más de 1 mm por año son 121. En las Tabla A1.4 y Tabla A1.5 y en la Figura A1.4 del Anejo I se muestran los datos climáticos entre el año 2000 y el 2010 (Wetterstation Göttingen, 2010). La distribución de usos del territorio en la región de Göttingen corresponde, como se puede observar en la Figura 1.2, es su mayoría a uso agrícola con un 57, 1% de la superficie. El 32,9% de la misma está ocupada por bosques, el 6,2% por infraestructuras de tráfico y el 6,2% son áreas con edificaciones (LSKN, 2009). Las actividades económicas de la región generaron en 2009 un Valor Añadido Bruto (VAB) de 6.211 millones de euros. El VAB mide la contribución a la economía de cada productor, industria o sector. En el caso de la región de Göttingen la agricultura representa el 1% del VAB, la industria el 25%, el comercio y transporte el 17%, y finalmente, otros servicios contribuyen en un 57%. Figura 1.2: Distribución del uso del territorio en la región de Göttingen. 56% 32% 6% 6% Distribución del territorio en Gottingen Agricultura Bosque Infraestructura Edificaciones Capítulo 1. Introducción 9 De acuerdo con el tema de este trabajo, es importante describir en mayor detalle la estructura agrícola y forestal de la región, así como el potencial biomásico que se puede obtener de las mismas. Según las estadísticas del año 2007 del Landwirtschaftkammer Nierdersachsen (Cámara de Agricultura de Baja Sajonia) existen 926 explotaciones agrícolas en la región de Göttingen, las cuales ocupan un área de 57.413 hectáreas. El área utilizada para la producción agrícola es de 49.432 hectáreas. Como se observa en la Figura 1.3, los cultivos son mayoritariamente de cereales, especialmente trigo y cebada de invierno, pero también maíz, triticale, centeno y avena. El cultivo más importante por detrás de los cereales es la colza (LSKN, 2009). Figura 1.3: Cultivos de la región de Göttingen. La producción animal de la región está basada en granjas de pequeño tamaño. Existen 334 granjas bovinas, de las cuales el 75% tiene menos de 100 animales. De las 438 granjas porcinas el 68% tiene menos de 100 animales y el 29% tiene entre 200 y 1000 animales. Por último, existen 85 granjas ovinas todas con menos de 100 animales, y 217 granjas avícolas. 64% 19% 5% 6% 6% Cultivos de Göttingen Cereales Colza Forraje Barbecho Tubérculos 16 Capítulo 1. Introducción La fermentación anaerobia es un proceso complejo que normalmente se divide en cuatro fases, de acuerdo con el proceso principal que tiene lugar en cada una. Además, en cada fase actúa un grupo específico de bacterias. La primera de dichas fases es la Fase de Hidrólisis en la que los compuestos orgánicos insolubles son hidrolizados en sus monómeros solubles: carbohidratos a azúcares, proteínas a aminoácidos y grasas a ácidos grasos. Las bacterias hidrolíticas pertenecen a diversos géneros como Bacteroides, Lactobacillus o Clostridium, y excretan enzimas que catalizan las degradaciones, como hidrolasas, celulasas, proteasas y lipasas. La tasa de hidrólisis depende tanto de la biodegradabilidad, como del tamaño de partícula, la estructura química y la complejidad del sustrato, como de los factores operacionales (MaciasCorra et al., 2007). Los monómeros formados en la fase hidrolítica son degradados a ácidos orgánicos de cadena corta por bacterias acidogénicas en la Fase de Acidogenesis, es decir, son degradados a ácidos grasos volátiles (AGV) (ácido butírico, propiónico, acético, y acetato), con la formación de alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono en el proceso. Estas reacciones se producen inmediata o simultáneamente con la hidrólisis. Los productos de la Acidogénesis pueden ser utilizados directamente para la producción de metano o acetato, como el hidrógeno y el dióxido de carbono; mientras que los AGV son degradados en la siguiente fase, denominada Acetogénesis, a acetato, hidrogeno y dióxido de carbono. El acetato es el principal precursor de la producción de metano. Las bacterias formadoras de acetato (bacterias acetogénicas) son productoras obligadas de hidrógeno, pero solo sobreviven en condiciones de baja presión parcial de hidrógeno, por lo que deben vivir en simbiosis con bacterias formadoras de metano, que consumen el hidrógeno y que únicamente pueden sobrevivir en condiciones de alta presión parcial de hidrógeno. Por último, en la Fase de Metanogenesis las bacterias metanogénicas producen metano bajo estrictas condiciones anaerobias, y para ello pueden seguir dos rutas distintas; alrededor del 66% del metano se produce del acetato por descarboxilación, catalizada por bacterias metanogénicas acetoclásticas, y el 34% es formado del dióxido de carbono reducido por hidrógeno, mediante bacterias metanogénicas hidrogenofílicas (Nayono, 2009). En la Figura 1.5 se resumen los productos y bacterias de cada fase (Nayono, 2009). Capítulo 1. Introducción 17 Figura 1.5: Fases de la digestión anaerobia. De la degradación de proteínas y amino ácidos se acumula amonio en el digestor. El amonio puede reaccionar con el dióxido de carbono y el agua formando carbonato de amonio, lo cual dota de alcalinidad al sistema. Un medio ligeramente alcalino es necesario para el crecimiento óptimo de las bacterias metanogénicas. Además de las bacterias que participan en el proceso de digestión anaerobia en el digestor existen muchas más bacterias, como por ejemplo las bacterias que reducen sulfato. Dichas bacterias utilizan los mismos sustratos que las metanogénicas (hidrógeno y acetato) por lo que pueden suponer una competencia, dificultando la producción de metano. POLÍMEROS COMPLEJOS PROTEINAS CARBOHIDRATOS LÍPIDOS AMINOÁCIDOS, AZÚCARES ÁCIDOS GRASOS. ALCOHOLES ÁCIDOS GRASOS VOLÁTILES ÁCIDO ACÉTICO H2, CO2 METANO, CO2 HIDRÓLISIS Bacterias hidrolíticas ACIDOGÉNESIS Bacterias acidogénicas Bacterias acetogénicas Bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno ACETOGÉNESIS METANOGÉNESIS ACETOCLÁSTICA Bacterias metanogénicas acetoclásticas METANOGÉNESIS REDUCTIVA Bacterias metanogénicas reductoras 18 Capítulo 1. Introducción 1.5.2 Productos de la digestión anaerobia. Los productos de la digestión, como se ha indicado anteriormente, son una mezcla de gases denominada biogás y el efluente estabilizado. La composición del gas es de metano (50-75%), dióxido de carbono (25-45%) y diversas impurezas, detalladas a continuación (FNR, 2009): 2-7% agua (H2O), menos del 2% oxígeno (O2), menos del 2% nitrógeno (N2), menos del 1% amonio (NH3) y menos del 1% sulfuro de hidrógeno (H2S). Dicha composición varía en función del substrato utilizado como se observa en la Tabla A1.6 del Anejo I (Coombs, 1990). De la mezcla de gases el único con valor económico es el metano, ya que se trata de un gas inflamable natural y puede ser usado como combustible. El biogás con un 70% de metano y un 30% de dióxido de carbono tiene un contenido energético aproximado de 6,4 kWh/m3. Según estudios del IDAE (2007), un metro cúbico de dicho gas es equivalente a: • 0,8 litros de petróleo. • 0,6 m3 de gas natural. La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que multitud de organismos están involucrados, por lo que es recomendable que las condiciones bajo las que se desarrolla la actividad microbiana sean constantes (Deublein et al., 2008). Dichas condiciones dependen de numeroso parámetros, usualmente clasificados en parámetros ambientales y operacionales (Elias Castells, 2005). 1.5.3 Parámetros ambientales. pH y alcalinidad La actividad enzimática está directamente influenciada por el pH, así cada fase de la digestión anaerobia tiene unos valores del pH aceptables próximos a la neutralidad (6,5-8,0). Una alcalinidad adecuada es esencial para un control correcto del pH, sirviendo como tampón que evita cambios rápidos en el pH. La alcalinidad aparece principalmente como bicarbonatos, en equilibrio con el CO2 en el biogás a un pH determinado. Cuando los compuestos orgánicos son degradados, el CO2 y el amonio Capítulo 1. Introducción 19 aumentan, se produce ácido carbónico, alcalinidad de bicarbonato y alcalinidad de carbonato (reacción a), y con la reacción b se generan iones de amonio. CO2 + H2O H2CO3  H+ + HCO3- H+ + CO32– (a) NH3 + H+ NH4+ (b) La caída del pH y el aumento de la cantidad de CO2 del biogás es un indicador de alteraciones en el proceso de digestión. Nutrientes La relación entre algunos nutrientes influye en la cinética de reacción y en la producción de metano. La relación C/N del substrato debe estar entre valores de 15:1 a 45:1, siendo óptimo a 30:1 (Elias Castells, 2005). Substratos con una relación C/N baja pueden producir el incremento de amonio en el digestor y por tanto la inhibición de la producción de metano. Inhibidores Los inhibidores pueden ser sustancias del propio substrato, como metales pesados, o subproductos de la actividad metabólica de las bacterias como oxígeno, compuestos de azufre, ácidos orgánicos, amonio y amoniaco. Las consecuencias de los inhibidores en el proceso de digestión anaerobia puede ser la disminución de la producción de biogás e incluso el fallo del digestor. 1.5.4 Parámetros operacionales. Temperatura La mayoría de las bacterias metanogénicas están activas en dos rangos de temperatura: • Rango mesofílico: de 25 a 45ºC. • Rango termofílico: de 45 a 65ºC. La temperatura influye en la tasa hidrolítica, el crecimiento bacteriano y, por tanto, en la producción de metano; la cual aumenta con el aumento de temperatura. Las bacterias formadoras de metano son muy sensible a las variaciones de temperatura, 20 Capítulo 1. Introducción siendo la temperatura óptima 35ºC con oscilaciones de +/-2ºC. Por encima de los 40ºC se agravan los problemas de control y estabilidad del proceso. Agitación La agitación tiene un importante papel en el digestor por las siguientes razones; elimina la estratificación térmica, mezcla el sustrato fresco con el degradado, inoculándolo con bacterias, mantiene el substrato del digestor química y físicamente uniforme, y evita la formación de espumas. Además, la agitación asegura el contacto espacial entre las bacterias formadoras de acetato y las bacterias formadoras de metano, que, como se expone anteriormente, cohabitan en simbiosis. La agitación debe ser lenta y no violenta, y se puede hacer mecánicamente mediante agitadores, o hidráulica o neumáticamente con el uso de bombas. En las plantas de biogás agrícolas normalmente son agitadores mecánicos de hélice o axiales. Tiempo de retención hidráulico y velocidad de carga orgánica El tiempo de retención hidráulico (TRH) es el tiempo que cierta sustancia permanece dentro del digestor. Puede ser calculado como la capacidad del digestor (VR) en relación con el caudal de tratamiento diario (V) (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e., 2004): TRH [d] = VR [m3] / V [m3/d] Por otro lado, la velocidad de carga orgánica (VCO) es la cantidad de materia orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja concentración en el influente y/o elevado tiempo de retención. El incremento en la VCO implica una reducción en la producción de gas por unidad de materia orgánica introducida, debiendo encontrar un valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a tratar. 1.6. Tecnologías para la digestión anaerobia Es importante mencionar las tecnologías disponibles en la actualidad. Los sistemas de fermentación se clasifican como: sistemas discontinuos y sistemas continuos. Capítulo 1. Introducción 21 En los sistemas de producción de biogás discontinuos, también conocidos como sistemas de bañera, el digestor se llena completamente con substrato fresco y se cierra herméticamente. El sustrato es degradado hasta el final del tiempo de retención seleccionado, sin añadir o extraer nada del mismo. La producción de biogás comienza despacio tras el llenado y sellado, creciendo hasta alcanzar un máximo y disminuyendo después. Tras el proceso el tanque es vaciado y el digestato se acumula en un tanque de almacenamiento. Una pequeña parte del digestato permanece para inocular el nuevo substrato. La alimentación discontinua es la técnica más utilizada en la fermentación seca y su principal desventaja es la producción de gas discontinua. Actualmente, los sistemas continuos de producción de biogás son más habituales. Estos se caracterizan por una alimentación regular del digestor; la misma cantidad de substrato es añadida y extraída diariamente. Esto tiene como resultado una producción de biogás bastante regular. El digestato extraído puede ser almacenado en un digestor secundario con la consecuente producción de biogás, y finalmente en un tanque de almacenamiento. El principal inconveniente de este sistema es el consumo de energía necesaria para calentar el digestor. Los sistemas continuos pueden ser clasificados en tres diferentes tipos de acuerdo a la concentración de microorganismos en el reactor (Elias Castells, 2005): • Reactor con agitación continua (CSTR), sin recirculación: en el reactor existe una distribución continua de substrato y concentración de microorganismos, debido a una correcta agitación. • CSTR, con recirculación: los microorganismos y el digestato son separados, en un tanque de decantación, y los primeros son recirculados al digestor. Este sistema únicamente es aplicable en tratamiento de aguas residuales. • Reactor de flujo ascendente (UASB), sin recirculación: un reactor tubular con retención de microorganismos mediante filtros, floculación de la biomasa o sedimentación. También únicamente utilizado en el tratamiento de aguas residuales. Los sistemas de digestión también se pueden clasificar como fermentación húmeda, cuando el contenido en agua en superior al 85%, o fermentación seca, cuando el contenido en agua es entre el 55 y el 75%. 22 Capítulo 1. Introducción 1.7. Co-digestión de residuos ganaderos y cultivos energéticos. La digestión anaerobia conjunta de dos o más substratos de diferente origen y composición se denomina co-digestión, y se considera una forma de optimización del proceso, ya que aumenta la producción de metano. Esto es debido a que la mezcla de substratos compensa las carencias de cada uno por separado. Además de esta ventaja, la co-digestión nos permite compartir instalaciones de tratamiento de residuos y compensar las variaciones temporales de producción de cada substrato, a la vez que reducimos costes de inversión y explotación (Flotats, 2008). La co-digestión puede realizarse entre diferentes tipos de substratos, aunque habitualmente es entre purines, con una baja tasa de producción de metano pero con alto contenido en agua, alta capacidad tampón y alto contenido en nutrientes, y otros substratos fácilmente degradables como residuos de agroindustriales, residuos orgánicos urbanos, residuos animales o cultivos energéticos (Boe, 2006). Entendemos por cultivos energéticos aquellos producidos para la obtención de biomasa con fines exclusivamente energéticos. Estos pueden ser cultivos forestales o especies agrícolas (IDAE, 2007). Las especies agrícolas más utilizadas son la colza, los cereales (maíz, centeno, avena o triticale) y los pastos, aunque en la actualidad se están introduciendo otras especies como la remolacha, la patata, el sorgo o el cardo. Existe una gran experiencia en este campo en países como Dinamarca, Alemania u Holanda (PROBIOGAS, 2009). En la Figura 1.6 se muestra la tasa de producción de biogás de diferentes substratos en m3 por tonelada de materia fresca y su correspondiente contenido en metano (FNR, 2009). Como se puede observar los substratos con mayor tasa de producción de biogás son el maíz ensilado, el pasto ensilado y la planta completa de centeno ensilado. Mientras que las que tienen menor tasa de producción de biogás son los purines líquidos porcinos y bovinos. Diversos estudios han demostrado la eficacia del ensilado para aumentar la tasa de producción de biogás, especialmente en maíz (Amon et al., 2006). El ensilado consiste en el triturado, compactado y almacenamiento en condiciones anóxicas del substrato, favoreciendo la producción de ácido láctico. La degradación de los azúcares produce pequeñas pérdidas respecto a la biomasa fresca, pero aumenta la tasa de producción de biogás hasta un 25% en el caso del maíz (Bartuševics et al., 2008). Durante el proceso de ensilado se forma ácido láctico, ácido acético, metanol, alcohol, ácido fórmico, Capítulo 1. Introducción 23 protones y dióxido de carbono, importante precursores de la formación de metano (Madigan et al., 2000). El ensilado es considerado un pre-tratamiento de los substratos, y es ampliamente utilizado tanto en plantas agrícolas de producción de biogás como en plantas industriales. En la co-digestión la proporción entre los substratos utilizados es variable y afecta a la producción final de biogás y a su contenido en metano. En el caso de la fermentación de residuo ganadero y cultivos energéticos la proporción suele ser de 40% residuo ganadero y 60% de cultivo energético, pudiendo variar ligeramente, y obteniendo un contenido en metano de entre el 51 y el 55% (PROBIOGAS, 2009; Comino et al., 2009). Figura 1.6: Tasa de producción de biogás y contenido en metano de varios substratos. De esta forma, las experiencias en este campo confirman que la co-digestión de materias primas permite optimizar y estabilizar el proceso de digestión, empleando substratos que se complementen con el objetivo de aumentar la producción de biogás. 1.8. Monitorización en plantas de biogás. La monitorización de los digestores anaerobios es necesaria tanto para asegurar el correcto funcionamiento del proceso, como para asegurar la máxima producción de biogás. Como se ha mostrado con anterioridad, la digestión anaerobia en un proceso complicado en el que multitud de bacterias y procesos actúan simultáneamente. Por lo 24 Capítulo 1. Introducción que es imprescindible conocer el estado de la digestión con el fin de prevenir fallos en el proceso. La digestión anaerobia puede ser monitorizada midiendo la conversión del sustrato a la entrada y la salida del digestor, analizando el sustrato del digestor, la producción de biogás, las comunidades microbianas o la actividad microbiana, como se muestra en la Figura 1.7 (Boe, 2006). Figura 1.7: Control de parámetros del proceso de digestión anaerobia. Dependiendo del tipo de digestor y de la finalidad del mismo (producción de biogás, tratamiento de aguas residuales…) los parámetros a analizar así como la frecuencia de los mismos será diferente. En el caso de las plantas agrícolas de biogás los parámetros monitorizados son los siguientes (Clemens, 2007): • Sustrato de entrada. • Sustrato del digestor: o pH. o Solidos totales (TS) y solidos orgánicos totales (oTS). o Alcalinidad. Relación FOS/TAC. o Ácidos grasos volátiles (AGV). o Nitrógeno amoniacal (NH4-N). • Temperatura. • Biogás cantidad y calidad. Sustrato entrada Sustrato salida Composición gas Producción gas Comunidades y actividad microbiana Sustrato del digestor Capítulo 1. Introducción 25 En las plantas agrícolas de producción de biogás la monitorización online (en tiempo real) es muy poco frecuente debido a los altos costes de adquisición y mantenimiento (Boe, 2006; Wolf et al., 2009). El método más utilizado para el control y optimización de proceso en la actualidad es la realización de análisis de laboratorio del sustrato del digestor (Wolf et al., 2009). Dichos análisis realizados con regularidad han resultado ser eficientes, caracterizando el proceso con precisión. A continuación se realiza una revisión bibliográfica del control los parámetros anteriormente mencionados así como los umbrales dentro de los cuales se considera que el proceso de digestión sigue una pauta normal de funcionamiento. 1.8.1 Sustrato de entrada. El sustrato de entrada junto con el biogás producido nos permite medir el rendimiento del proceso, expresado en metros cúbicos de gas por tonelada de materia utilizada (m3/ t). Como se ha indicado con anterioridad cada substrato tiene un potencial de producción de biogás. En el caso de la co-digestión este varia ampliamente dependiendo de las materia primas utilizadas, así como de la proporción de cada componente en la mezcla; por ejemplo la producción de biogás por co-digestión de residuos ganaderos y cultivos energéticos puede ser de hasta 222 m3 de biogás/ t mezcla de 44% de residuo ganadero y 56% de silo de maíz (PROBIOGAS, 2009). En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de co-digestión entre diferentes mezclas y los valores de biogás producido por tonelada de materia prima (MP): Planta Sustrato Co-sustrato m3 biogás/t MP Miralcamp (España) Purín de cerdo Residuos hortofrutícolas: aceite de soja, residuos de mermelada y de patata 40 Emilia Romagna (Italia) Purín de vacuno Resido agroindustrial: cebolla, remolacha, patatas, maíz 100,7 Hodsager (Dinamarca) Purines de cerdo y vacuno Residuos de matadero y residuos grasos de la industria de procesado de pescado 40 Juneda (España) Purín de cerdo Lodos de depuradora de matadero 20-25 Hegndal (Dinamarca) Purín de cerdo Residuos pesqueros 67,6 Biovakka (Finlandia) Purines de cerdo y vacuno Lodos industriales y los EDAR 4,7 Tabla 1.4: Resumen de plantas de co-digestión anaerobia y su producción de biogás por tonelada de materia empleada (Fuente: Probiogas, 2009).