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T T raba j Eva p j o Fi luaci ó p urifi c Es c n de ó n d e c ació n Eloy Anton c uela de I n Má s e las t n de b Autor: Lana o Directora : ia Gil M n geniería y 2013 s ter – ecno l b iogá s o Sisó : artínez y Arquitect u – Me l ogía s s (1/ 2 u ra mor i s de 2 ). i a Evaluación de las tecnologías de purificación de biogás. RESUMEN El biogás es un combustible de origen renovable que proporciona grandes beneficios medioambientales y socioeconómicos reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y el volumen de los residuos orgánicos, al tiempo que se les da un uso y se crea empleo en las zonas rurales. Además es un excelente combustible para un gran número de aplicaciones, sin embargo, para algunas de ellas se debe purificar previamente. En el presente trabajo se ha realizado la evaluación y comparación de las tecnologías disponibles comercialmente para la limpieza y purificación del biogás, siendo el objetivo de dicha purificación la obtención de biometano para su posterior inyección en la red de gas natural. Tras repasar la composición típica y los contaminantes que están presentes en el biogás se han descrito detalladamente las diferentes tecnologías de limpieza y purificación. A continuación se ha realizado la comparación de las tecnologías descritas entre sí desde múltiples puntos de vista, como el consumo energético, las condiciones de operación, las pérdidas de metano durante el proceso de purificación y los costes de operación e inversión. Paralelamente se ha realizado una recopilación de información de las instalaciones de purificación existentes a nivel mundial, prestando especial atención a las que se encuentran en Europa. El objetivo de dicha recopilación es intentar establecer la relación existente entre una determinada tecnología con distintos aspectos como el tamaño de la instalación o el origen del biogás. ÍNDICE 1.Introducción .............................................................................................................. 7 1.1.Antecedentes ...................................................................................................... 7 1.2.Composición química del biogás. ...................................................................... 7 1.3.Aplicación del biogás. ........................................................................................ 9 1.1.1.Producción de calor y vapor. ...................................................................... 9 1.1.2.Producción de electricidad. ........................................................................ 9 1.1.3.Combustible para vehículos. Biometano. ................................................... 9 1.4.Potencial y uso actual del biogás. .................................................................... 10 1.5.Desarrollo del biometano. ................................................................................ 10 2.Características exigibles al biogás. ......................................................................... 13 2.1.Necesidad de limpieza en función del uso final del biogás. ............................ 13 2.2.Legislación y especificaciones técnicas para la inyección del biogás en la red de gas natural. ............................................................................................................. 14 3.Técnicas de limpieza y purificación de gases, aplicación al biogás. ...................... 17 3.1.Eliminación del agua. ...................................................................................... 17 3.2.Eliminación del ácido sulfhídrico. ................................................................... 18 Eliminación de H2S durante la digestión anaerobia. .............................................. 18 Eliminación del H2S después de la digestión anaerobia. ........................................ 18 3.3.Eliminación de los siloxanos. .......................................................................... 20 3.4.Eliminación del dióxido de carbono. ............................................................... 21 3.4.1.Absorción con agua. ................................................................................. 21 3.4.2.Absorción con polietilenglicol.................................................................. 22 3.4.3.Absorción química con aminoalcoholes. .................................................. 22 3.4.4.Adsorción (PSA). ..................................................................................... 23 3.4.5.Membranas. .............................................................................................. 24 3.4.6.Criogenia. ................................................................................................. 24 4.Comparación técnica y económica de las técnicas de limpieza y purificación. ..... 27 4.1.Comparación de las técnicas de limpieza. ....................................................... 28 4.1.1.Comparación de las técnicas de eliminación del agua. ............................ 28 4.1.2.Comparación de las técnicas de eliminación de H2S. ............................... 28 4.2.Comparación de las técnicas de purificación. .................................................. 30 4.2.1.Compatibilidad con los métodos de limpieza. .......................................... 30 4.2.2.Parámetros de operación. .......................................................................... 31 4.2.3.Costes de inversión y operación. .............................................................. 35 4.2.4.Comparación con el gas natural................................................................ 38 5.Conclusiones. .......................................................................................................... 40 Bibliografía ..................................................................................................................... 42 Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 7 1. Introducción El cambio climático, la independencia energética y el aumento del coste de los combustibles fósiles han supuesto en los últimos años un impulso al desarrollo de alternativas de abastecimiento energético y de las energías renovables, tanto para el transporte como para la producción de electricidad y calor. En este contexto, el biogás puede cubrir todos los aspectos citados anteriormente. Por un lado, se consigue una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero debido al uso de un combustible obtenido de una fuente renovable y, por otro lado, se reduce la dependencia energética del exterior, aspecto especialmente importante en los países como España en los que no se dispone de grandes yacimientos de combustibles fósiles. 1.1. Antecedentes Durante los últimos años se han publicado varios informes y artículos acerca de la purificación del biogás para la obtención de biometano. Entre las publicaciones científicas se pueden encontrar varios reviews como el que publicaron Abatzoglou N. et al. (2009) [1], en el que se centran en la eliminación de los contaminantes como el ácido sulfhídrico, el amoniaco y los siloxanos. También hay otros artículos que dan una visión más general desde la producción del biogás hasta su uso final, como el publicado por Weiland P. (2010) [2]. En un reciente artículo de Ryckebosch et al. (2011) [3], se describen y comparan las técnicas de limpieza y purificación del biogás, pero no se hace una comparación económica. También se han publicado algunos informes al margen del área de la investigación científica en los que la evaluación y la comparación se centra en la legislación y en los aspectos económicos. Uno de los trabajos más completos es el que publicó el Instituto Fraunhofer Umsicht [4] en el año 2008. Sin embargo, en este informe no se profundiza en la comparación de las técnicas de purificación desde el punto de vista de la operación y no están incluidas las técnicas más novedosas como las membranas y la criogenia. Anteriormente, la Agencia Internacional de la Energía (IEA) también publicó una revisión del estado de las técnicas de purificación de biogás donde se incluyeron otras tecnologías que todavía hoy no están comercialmente disponibles [5]. Debido al considerable aumento de la producción de biogás y de empresas que se dedican a la purificación del mismo, se está produciendo un gran desarrollo de estas tecnologías. Como consecuencia, las plantas que se han construido más recientemente son bastante diferentes a las que se pusieron en funcionamiento unos pocos años atrás, y es por tanto necesario la recopilación de información actualizada para realizar la comparación de las técnicas de purificación de biogás. 1.2. Composiciónquímicadelbiogás. Los componentes principales del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Además el biogás está saturado en agua, por lo que la cantidad varía en función de la temperatura a la que se encuentra. Habitualmente también se encuentran otros compuestos químicos en concentraciones inferiores y algunos otros como trazas. Estos compuestos son: el ácido sulfhídrico (H2S), otros compuestos con azufre, hidrógeno (H2), oxígeno (O2), nitrógeno (N2), amoniaco (NH3), siloxanos, compuestos aromáticos, compuestos halogenados y otros compuestos volátiles [6]. Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 8 El compuesto de interés es el CH4 por su contenido energético, que es liberado durante su oxidación (habitualmente mediante combustión), y las demás especies químicas se dividen entre inertes (o diluyentes) y contaminantes. Los compuestos inertes, como el N2 y el CO2, reducen el contenido energético por unidad de volumen de gas, reducen el rendimiento térmico de la combustión y aumentan los costes del transporte del biogás por unidad de energía. Por otro lado, los contaminantes son los compuestos perjudiciales desde los puntos de vista medioambiental y técnico, es decir, para el correcto funcionamiento y conservación de los equipos de uso final del biogás (tuberías de distribución, compresores, motores combustión interna, turbinas de gas, quemadores,…). Tabla1–Composicióntípicadelbiogásenfuncióndelaprocedencia[5‐9]. COMPUESTOPARÁMETRO BIOGÁSDE VERTEDERO BIOGÁSDE EDAR BIOGÁSDE RESIDUOS ORGÁNICOS Metano(CH4)%vol.40–5060–6553–70 Dióxidodecarbono(CO2)%vol.30–4035–4030–45 Oxígeno(O2)%vol.0–2‐ ‐ Nitrógeno(N2)%vol.5–15<10,2 Hidrógeno(H2)%vol.1–3‐ ‐ Ácidosulfhídrico(H2S)ppmv20–30010–1000<4000 Amoniaco(NH3)ppmv5‐100 Agua(H2O)‐saturadosaturadosaturado ppmv: partes por millón en volumen, cm3 m-3 La composición química del biogás varía en función de su origen (Tabla 1). La concentración de CH4 generalmente está comprendida entre el 40 y el 70% en volumen y es más baja en el biogás de vertedero porque habitualmente hay N2 y un poco de O2 (<2%) procedentes del aire y las condiciones de la degradación no son las óptimas. Con los lodos de las depuradoras se obtienen en muchos casos biogases con concentraciones de CH4 comprendidas ente el 60 y el 65%, mientras que con los residuos orgánicos la variabilidad es mayor (53-70%) debido a la gran diversidad de sustratos que se pueden utilizar y combinar (codigestión) para optimizar la producción de biogás con el ajuste de la relación C/N y de los nutrientes de las bacterias. Atendiendo a las diferencias entre los biogases, se observa que en el biogás producido en un digestor las concentraciones de N2 y O2 son mucho menores que en el biogás de vertedero, siempre que funcione correctamente y no entre aire al interior del digestor. Respecto a los contaminantes, la concentración de H2S y NH3 en el biogás de vertedero es inferior a los biogases obtenidos en los digestores. En el caso del biogás obtenido de residuos orgánicos la concentración de H2S puede llegar a superar el 1% en volumen (10000 ppmv) en algunos casos y la del NH3 las 100 ppmv. El origen de estos compuestos es la degradación de las materias biológicas, especialmente aquellas cuyo contenido en proteínas son especialmente altos [6,8]. Los efectos de los contaminantes y las impurezas del biogás se encuentran explicados más ampliamente en el Anexo 2. Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 9 1.3. Aplicacióndelbiogás. El biogás es un excelente combustible para un gran número de aplicaciones y también se puede utilizar como materia prima para la producción de otros compuestos químicos. El biogás se puede utilizar en un principio en todas las aplicaciones que han sido desarrolladas para el gas natural, aunque para algunas de ellas antes se debe purificar. Los usos del biogás se pueden dividir en la producción de calor y vapor, la producción de electricidad, su uso como combustible en vehículos y la producción de compuestos químicos. 1.1.1. Produccióndecaloryvapor. En los países en desarrollo, la producción de calor para cocinar es el uso más común del biogás producido en las plantas de pequeño tamaño. Los quemadores convencionales se pueden ajustar fácilmente para el uso de biogás modificando la relación combustibleaire. También se puede quemar en las calderas tradicionales, habitualmente después de un proceso de desulfuración para reducir la concentración del H2S. 1.1.2. Produccióndeelectricidad. Para la producción de electricidad o de electricidad y calor (cogeneración) se pueden utilizar diferentes tecnologías. La más utilizada es la combustión del biogás en motores de combustión interna, ya sea con motores de encendido provocado o con motores de encendido por compresión duales en los que se mezcla el biogás con diesel con los que se consiguen eficiencias eléctricas de hasta un 43% [10]. También se pueden utilizar turbinas de gas para potencias mayores a los 800 kW, y más recientemente también se están utilizando con buenos resultados las microturbinas con potencias comprendidas entre 25 y 100 kW. Las microturbinas tienen eficiencias similares a los motores de encendido provocado pequeños, en torno a un 26-29%, pero con menores emisiones y con unos costes de mantenimiento muy bajos [10]. Las pilas de combustible de alta temperatura también tienen un gran potencial para la producción eléctrica con biogás a pequeña escala en el futuro. La razón es la alta eficiencia que se alcanza en comparación con los motores de combustión interna y las turbinas de gas (ca. 50% de rto. eléctrico y >60% rto. cogeneración) [10,11]. Para el aprovechamiento del biogás en una pila de combustible es necesario un proceso previo de reformado con vapor de agua del metano, con el que se obtiene hidrógeno y monóxido de carbono. El reformado puede realizarse por separado o en el interior de la pila, obteniéndose mejores resultados de conversión en el interior. Para todas estas tecnologías es necesario realizar una limpieza previa del biogás para eliminar el ácido sulfhídrico y los siloxanos para aumentar la vida útil de los equipos y que no se reduzca su rendimiento. En el caso de las pilas de combustible la eliminación del ácido sulfhídrico es muy importante porque envenena el catalizador que se utiliza para el reformado del metano. 1.1.3. Combustibleparavehículos.Biometano. Otras posibles aplicaciones del biogás es su uso como combustible en vehículos o su uso como sustituto del gas natural distribuyéndolo por la red de gas natural. Para ello el Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 16 Tabla4–Especificacionestécnicasparalainyeccióndegasesalareddegasnatural[41‐43]. PROPIEDADES FÍSICASUNIDADESALEMANIAAUSTRIAESPAÑAFRANCIAPAISES BAJOSPOLONIAREINO UNIDO REP. CHECASUECIASUIZA PodercaloríficoMJ/m330,2‐47,238,52‐ 46,08 36,94‐ 47,74 34,20‐37,80(L) 38,52‐46,08(H)31,6‐38,718‐34 33,84‐ 42,4838,16‐ 47,16 ÍndicedeWobbeMJ/m337,8‐46,8(L) 46,1‐56,5(H) 47,88‐ 56,52 48,25‐ 57,81 43,24‐47,02(L) 49,10‐56,52(H) 43,46‐ 44,4123‐4547,2‐51,445,72‐ 52,9243,9‐47,347,88‐ 56,52 Densidadrelativa‐ 0,55‐0,750,55‐0,650,555‐0,70,555‐0,7  0,56‐0,7  Puntoderocío (agua)ºC <‐8 (40bar) <2 (70bar)<‐5<‐10 (8bar)<‐10 <‐8 COMPONENTES  Metano(CH4)%vol. >95 >95>80>96 Dióxidode carbono(CO2)%vol.622,52,56 0,536 Monóxidode carbono(CO)%vol.  220,50,5 Oxígeno(O2)%vol.30,01(*)0,010,50,2 10,5 Nitrógeno(N2)%vol. 5    2  Hidrógeno(H2)%vol.5456120,1  4 Sulfurode hidrógeno(H2S)mg/m35515(H2S+ COS)5(H2S+COS)5775 Azufretotal(S)mg/m3301050304540302330 Mercaptanosmg/m366 61016 55 Amoniaco(NH3)mg/m3Técnic. libre333  Técnic. libre2020 Siloxanosmg/m3 1010 5 6  (*) El contenido de O2 puede ser hasta un 0,3% si se cumple simultáneamente: %CO2 <2; Punto de rocío < -8ºC; Volumen inyección <5000 m3/h Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 17 3. Técnicasdelimpiezaypurificacióndegases,aplicaciónal biogás. Existe una gran variedad de tecnologías suficientemente maduras, basadas en diferentes procesos fisicoquímicos, para la separación de gases en diferentes sectores industriales como el petroquímico o el tratamiento de los gases de combustión. Dichas tecnologías sirven para separar y eliminar unos compuestos químicos de otros. En el caso del tratamiento del biogás, estas técnicas se utilizan para eliminar los contaminantes y los compuestos inertes que reducen el poder calorífico. Como ya se ha comentado anteriormente, para utilizar el biogás como combustible para la automoción o para inyectarlo a la red de gas natural es necesario realizar una limpieza y una purificación del mismo. La limpieza del biogás consiste en la eliminación de los componentes corrosivos, principalmente el H2S, el agua y las partículas sólidas. La purificación, por su parte, consiste en la eliminación de los compuestos inertes como el CO2 y el N2 para aumentar el contenido relativo de CH4, y de este modo aumentar el poder calorífico del gas. 3.1. Eliminacióndelagua. El biogás que se obtiene durante el proceso de la digestión anaerobia, al igual que el biogás de vertedero, está saturado en agua por lo que el contenido depende de la temperatura y la presión a la que se encuentra. Los métodos de eliminación de agua están basados habitualmente en la separación física por condensación o en métodos químicos como la absorción o la adsorción. Además algunos de estos métodos pueden eliminar impurezas sólidas al mismo tiempo. Tabla5–Ventajasydesventajasdelastécnicasdeeliminacióndelagua[3]. MÉTODOVENTAJASDESVENTAJAS Métodosdecondensación Separadoresdepartículas Ciclones Trampasdehumedad Técnicassimples Eliminacióndehidrocarburos superioresyaceites Seusacomopretratamientoantes deotrastécnicas Apresiónatmosféricaelpunto derocíomínimode1ºC Necesariaaltapresiónpara conseguirPto.Rocío‐18ºC Adsorción Sílicagel Alúmina Carbónactivo AltaeliminaciónP.Rocío‐10/‐20ºC Bajocostedeoperación Regeneraciónesposible Mayorcostedeinversión Presión6‐10bar Polvoyaceitesdebeneliminarse previamente Absorción Glicol AltaeliminaciónP.Rocío‐5/‐15ºC Eliminacióndehidrocarburos superioresyaceites Notóxiconipeligroso Mayorcostedeinversión Altapresióny200ºCpara regeneración Caudalesaltosparaquesea rentable(>500m3/h) Absorción Saleshigroscópicas Altaeficienciadeeliminación Notóxiconipeligroso Noseregenera Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 18 Los métodos de secado se pueden clasificar en métodos físicos y métodos químicos (Tabla 5). Los primeros son bastante sencillos y se basan en la condensación del agua por refrigeración del gas o en una compresión y una posterior expansión seguidas por una tecnología que permita la separación de las partículas condensadas como demisters, ciclones o trampas de humedad. Los métodos químicos se basan en la adsorción del agua sobre alúmina, zeolitas u otros materiales y en la absorción en diferentes glicoles o mediante el uso de sales higroscópicas [3]. En el caso de los métodos químicos habitualmente se realizan a presiones moderadas para aumentar la capacidad de retención. 3.2. Eliminacióndelácidosulfhídrico. El H2S es de los primeros contaminantes que se eliminan del biogás debido a que es un compuesto muy corrosivo y a los daños que puede llegar a producir en las tuberías además de la reducción del rendimiento de las técnicas de eliminación de otros compuestos. Entre las diferentes técnicas y métodos que se utilizan se pueden diferenciar claramente dos grupos en función del momento en el que se realiza. Se puede eliminar o inhibir la formación de H2S durante el proceso de digestión, o eliminarse después de la digestión anaerobia [8]. EliminacióndeH2Sduranteladigestiónanaerobia. Actualmente para la eliminación del H2S en el digestor se utilizan dos técnicas, la dosificación de O2 (o aire) y la adición de cloruros de hierro. La primera está basada en la oxidación biológica del H2S por un grupo de microorganismos aerobios especializados obteniéndose azufre elemental que precipita al fondo del digestor de donde se elimina periódicamente (Ec.1). 22  2222 (Ec.1) La adición de los cloruros de hierro (FeCl2, FeCl3) se puede realizar directamente al digestor o al material a digerir en el momento de su introducción en el digestor. Estos reaccionan directamente con el H2S formando sulfuro de hierro (FeS) y azufre elemental (S) que precipitan debido a su baja solubilidad en agua (Ec.2 y Ec.3). 2 3  2S (Ec.2)     (Ec.3) EliminacióndelH2Sdespuésdeladigestiónanaerobia. Existe una gran cantidad de técnicas diferentes para la eliminación del H2S. Principalmente se basan en la adsorción y en la absorción, aunque también se utilizan otras como los filtros biológicos, que es similar al proceso descrito en el apartado anterior en la que es necesario la dosificación de O2 (o aire) pero con la diferencia que en este caso se realiza en un columna fuero del digestor. La adsorción química consiste en la adsorción seguida de una reacción química y se puede realizar sobre diferentes óxidos metálicos (Fe2O3, ZnO) o hidróxidos (Fe(OH)3). Estos compuestos suelen estar en la superficie de un material de elevada superficie específica que sirve de soporte [5]. Otra opción es la adsorción sobre carbón activo aunque está limitado a corrientes con bajas concentraciones [44]. Sin embargo, es Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 19 posible mejorar las propiedades superficiales impregnándolo con NaHCO3, CaCO3, NaOH, KOH, KI, K2CO3, KMnO4, ZnO o H2SO4 que actúan como catalizadores de la reacción de oxidación del H2S (Ec.1) [1,5]. Las técnicas que se basan en la absorción física utilizan agua o disolventes orgánicos capaces de disolver el H2S. La adición de determinados compuestos químicos (NaOH, FeCl2, Fe(OH)3) al agua puede suponer el aumento de la capacidad y eficacia de eliminación, en este caso se produce una absorción química en la que se forman sales poco solubles que precipitan [3]. En la Tabla 6 se resumen las principales ventajas y desventajas de las técnicas de eliminación de H2S citadas, que se describen más detalladamente en el Anexo 6. Tabla6–Ventajasydesventajasdelastécnicasdeeliminacióndelácidosulfhídrico[1,3,5, 8,10,44‐46]. MÉTODOVENTAJASDESVENTAJAS Dosificacióndeaire/O2(en eldigestoranaerobio) Bajoscostesinversiónyoperación Bajoconsumoelectricidadycalor Norequierereactivosquímicosni equipamientoextra. Operaciónymantenimientosimple ConcentracióndeH2Stodavía alta(50‐300ppmv) ElO2/N2enelbiogássupone másdifícilpurificaciónola necesidaddelimpiezaadicional Peligromezclaexplosivapor sobredosificacióndeaire AdicióndeFeCl3/FeCl2(en eldigestoranaerobio) Bajainversión:tanqueybomba Bajoconsumoelectricidadycalor Operaciónymantenimientosimple Noadicióndeairealbiogás EficazbiogásaltaconcentraciónH2S Bajaeficiencia(100‐150ppmv) Operacióncostosa(saleshierro) CambiosdepHytemperatura nosonbuenosparaladigestión Dosificacióncorrectaesdifícil Adsorciónconreacción química Fe2O3 Fe(OH)3 Altaeficienciadeeliminación>99% Tambiéneliminalosmercaptanos Bajocosteinversión Técnicasimple Sensiblealagua Operacióncostosa(óxidosFe) RegeneraciónexotérmicaconO2 (peligroigniciónsoportes) Reducciónáreatrascadaciclo Liberacióncompuestostóxicos Adsorciónencarbónactivo (impregnado) Altaeficiencia:H2S<3ppmv Altavelocidaddepurificación Operaciónabajastemperaturas Técnicacompacta Altacapacidadderetención Inversiónyoperacióncostosas SeproducenpérdidasdeCH4 H2OyO2paraeliminaciónH2S Regeneracióna450ºCo recambiodeladsorbente FiltrosbiológicosAltaeficienciadeeliminación>97% Bajocosteoperación Norequierereactivosquímicos Requierelimpiezaextrapara cumplirrequisitosinyección ElO2/N2enelbiogássupone másdifícilpurificaciónola necesidaddelimpiezaadicional AbsorciónconaguaAltapureza:H2S<15ppmv Operaciónbaratasihayagua disponible(noseregenera) TambiénseeliminaCO2 Operacióncostosa(altapresión ybajatemperatura) Técnicacompleja Posiblesatascosenlacolumna Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 20 Absorciónquímica NaOH FeCl3 Bajoconsumoelectricidad BajaspérdidasdeCH4 Menortamañoybombeo (comparadoconabsorciónconagua) Inversiónyoperacióncostosas Técnicamásdifícil(comparado conabsorciónconagua) Reactivosnoregenerables Absorciónquímica Fe(OH)3 Fe‐EDTA Altaeficienciaeliminación:95‐100% Bajocosteoperación Regeneraciónposible BajaspérdidasdeCH4 Técnicacompleja RegeneraciónconO2 ElO2/N2enelbiogássupone másdifícilpurificaciónola necesidaddelimpiezaadicional Membranas Gas‐Líquido(NaOH) Altaeficienciadeeliminación>98% TambiénseeliminaCO2 Operaciónymantenimiento costosos Técnicacompleja 3.3. Eliminacióndelossiloxanos. En la actualidad las técnicas disponibles comercialmente para la eliminación de los siloxanos se basan en la adsorción, la absorción y la criogenia. Para la adsorción se puede utilizar carbón activo aunque no se puede regenerar completamente y lo habitual suele ser sustituirlo. Otras opciones son el uso de alúmina o de sílica gel, este último material tiene mayor capacidad de adsorción que el carbón activo y además puede regenerarse a unos 250ºC aunque también es sensible a la humedad (Tabla 7) [3]. Los métodos basados en la absorción química requieren el uso de ácidos fuertes (H2SO4 o HNO3) a temperaturas moderadas y la absorción física se realiza con agua y otros disolventes orgánicos aunque en el caso del agua no se consiguen altas eficiencias de eliminación [47]. La criogenia es la técnica más efectiva para la eliminación de los siloxanos aunque para conseguir eficiencias superiores al 99% es necesario enfriar el biogás hasta -70ºC [3] (descripción más detallada ver Anexo 6). Tabla7–Ventajasydesventajasdelastécnicasdeeliminacióndelossiloxanos[1,3,47]. MÉTODOVENTAJASDESVENTAJAS AdsorciónencarbónactivoAltaeficienciadeeliminación(95%) Regeneraciónposible Regeneracióna250ºCynoes completa Requiereelevadapresiónpara aumentarcapacidadadsorción Humedaddisminuyeeficiencia Adsorciónensilicagel Altaeficienciadeeliminación<95% Altacapacidaddeadsorción(50% másqueconcarbónactivo) Regeneraciónposible(95%a250ºC) Requiereelevadapresiónpara aumentarcapacidadadsorción Humedaddisminuyeeficiencia AbsorciónconaguaTécnicausadaparaotros contaminantes(H2S,CO2) Bajaeficiencia Absorcióndisolventesorg.Altaeficienciadeeliminación>97% Noeliminantodoslossiloxanos Absorciónquímicaen ácidosfuertes Altaeficienciadeeliminación<95% Corrosión Reactivospeligrosos Temperaturasmoderadas(60ºC) Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 21 Absorciónquímicaen basesfuertes ‐ Corrosión PrecipitacióndeCO32‐ CriogeniaAltaeficienciadeeliminación:>99% a‐70ºC Eliminacióndevarioscompuestos Inversiónyoperaciónmuy costosos Altapresiónybajatemperatura Membranas(PDMS)Eficiencia>80% Eliminacióndelahumedad Inversiónyoperacióncostosos Requierepresionesmoderadas Biológicos‐ Bajaeficienciaysolamenteen determinadoscompuestos Elevadotiempoderesidencia Equiposgrandes 3.4. Eliminacióndeldióxidodecarbono. La etapa de eliminación del CO2 se realiza solamente cuando el objetivo es la obtención de biometano. Además es la etapa más importante en cuanto a los costes de inversión y operación se refiere de todas las etapas de limpieza y purificación del biogás. Por este motivo el resto de sistemas y equipos de eliminación de los otros contaminantes se escogen en función de la técnica escogida para la eliminación del CO2. Como se ha visto existen diversas opciones disponibles comercialmente, entre las que destacan la PSA, la absorción con agua y la absorción química con aminas. Sin embargo, no son las únicas que se están utilizando a escala industrial para la purificación del biogás, también hay otras como la absorción física con Genosorb®, el uso de diferentes tipos de membranas, la criogenia y procesos que combinan dos técnicas de purificación. 3.4.1. Absorciónconagua. La técnica de la absorción para la purificación del biogás se basa en que el CO2 tiene mayor solubilidad que el CH4 en los líquidos utilizados como absorbentes. La operación se realiza en una torre de lavado rellena de un material inerte de alta superficie específica para aumentar el área de contacto gas-líquido. El gas se introduce por la parte inferior de la torre de lavado y el líquido por la superior consiguiendo un flujo a contracorriente. Conforme el biogás asciende por la torre de lavado disminuye la concentración de CO2, aumentando la del CH4. Durante la absorción del CO2 también se absorbe el H2S, el NH3 y en menor medida el CH4. La solubilidad del CO2 en agua aumenta al aumentar la presión y al disminuir la temperatura, mientras que la del CH4 apenas varía (Fig.4). A baja temperatura la capacidad de absorción del agua es mayor pero los costes asociados al enfriamiento del agua también son mayores por lo que es necesario evaluar cada caso concreto puesto que se tiene que llegar a un compromiso desde el punto de vista económico entre la temperatura, la presión, la cantidad de agua recirculada y su velocidad [48]. Puesto que el CH4 es parcialmente soluble en el agua presurizada es necesario recuperarlo. Para ello se despresuriza el agua parcialmente en un tanque flash (hasta 2-4 bar), y la mezcla rica en CH4 que se desorbe se recircula a la torre de lavado [49]. Llegados a este punto se puede optar por la regeneración del agua desorbiendo el CO2 disuelto en ella o utilizar agua fresca. Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 22  Figura 4. Solubilidad del CO2 y el CH4 en agua en función de la temperatura [5]. La regeneración se realiza en una torre de desorción similar a la de absorción que también tiene en su interior un relleno de elevada superficie específica para aumentar el área de contacto gas-líquido. El agua se pone en contacto con un flujo a contracorriente de aire, vapor o un gas inerte para favorecer la desorción. 3.4.2. Absorciónconpolietilenglicol. En lugar de agua se puede utilizar un disolvente orgánico como el polietilenglicol para la absorción del CO2. En este disolvente, al igual que ocurría con el agua, el CO2 y el H2S son más solubles que el CH4. En cuanto al proceso, se realiza igual que en el lavado con agua con regeneración. La diferencia principal es que el polietilenglicol tiene mayor capacidad de absorción que el agua. Por tanto, los equipos necesarios serán más pequeños y se reducirá el consumo energético de las bombas para un mismo caudal de biogás [10]. En el proceso también se absorbe la humedad, el NH3 y los hidrocarburos halogenados. La gran solubilidad que tienen el agua y el H2S en el polietilenglicol tiene el lado bueno que los elimina casi totalmente del biogás, pero el inconveniente es que esto se traduce en un mayor consumo energético para conseguir desorberlos. Para regenerar el polietilenglicol son necesarias temperaturas del orden de los 50-80ºC, por tanto, es preferible eliminar estos compuestos antes del proceso de absorción para reducir los costes derivados de la regeneración [10]. El CO2 se desorbe con mayor facilidad. Selexol® (UOP LLC) y Genosorb® 1753 (Clariant) son los nombres con los que se comercializa este absorbente, aunque su composición química no es completamente polietilenglicol, sino que también incluye otros compuestos químicos como el dimetil éter [48, 49]. 3.4.3. Absorciónquímicaconaminoalcoholes. Las absorción química se puede realizar con distintas disoluciones de aminoalcoholes como la monoetanolamina (MEA), la dimetiletanolamina (DMEA), la dietanolamina Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 23 (DEA) o la diglicolamina (DGA) entre otras para la eliminación del CO2. Las reacciones que se producen durante la absorción y la desorción del CO2 son: Absorción del CO2: 22233 (Ec.4) Desorción del CO2: 3322  2 (Ec.5) Estos aminoalcoholes no solo tienen una gran selectividad hacia la absorción del CO2, sino que pueden disolver cantidades significativamente mayores por unidad de volumen en comparación con el agua, además algunos también absorben el H2S. Además, la absorción con aminas también es efectiva a presiones inferiores si lo comparamos con el agua o con el polietilenglicol lo que se traduce en un menor consumo energético de bombeo y compresión. Sin embargo, la regeneración requiere elevadas temperaturas (100 - 160ºC) [4]. Además es recomendable la eliminación de la humedad y el H2S en una etapa previa. 3.4.4. Adsorción(PSA). Cuando se opta por la técnica de la adsorción para la eliminación del CO2 se realiza con la tecnología PSA (Pressure Swing Adsorption), que consiste en alternar la adsorción a presiones moderadas con la desorción a presión atmosférica o con vacío (VSA, Vacuum Swing Adsorption). El equipo necesario está compuesto por una o varias columnas de absorción dependiendo de si se quiere funcionar en discontinuo o en continuo. Las columnas se rellenan con un tamiz molecular con gran capacidad y selectividad de adsorción hacia el CO2. Los materiales adsorbentes que se utilizan habitualmente son el carbón activo, el silica gel, la alúmina o zeolitas. Estos materiales se caracterizan por tener una alta superficie específica. Figura 5. Esquema proceso VSA [3]. Con la PSA se consigue adsorber el CO2, el O2 y el N2. El adsorbente requiere un biogás sin humedad porque puede condensar en el sólido y reducir la superficie efectiva por lo que se elimina en una etapa previa. Los adsorbentes también adsorben el H2S y los Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 24 siloxanos, pero lo hacen de forma irreversible por lo que también es necesario eliminarlos en una etapa previa. Habitualmente se realiza en una columna adicional de adsorción en carbón activo y cuando este se satura se sustituye el adsorbente [10]. Para realizar el proceso en continuo y así reducir el consumo energético de compresión se necesitan normalmente tres o cuatro columnas de modo que cada una se encuentre en una de las cuatro fases del proceso: adsorción, despresurización, desorción y presurización (Fig.5). La adsorción del CO2 es exotérmica, aspecto que debe tenerse en cuenta puesto que al aumentar la temperatura se reduce la capacidad de adsorción [50]. Por este motivo el biogás debe enfriarse antes de su entrada en la unidad de PSA. La desorción de los gases adsorbidos tiene lugar en dos etapas, primero durante la descompresión se libera una mezcla de gases con una concentración significativa de CH4 por lo que se recircula al comienzo de la unidad de PSA y en la segunda etapa donde se reduce más la presión se desorbe principalmente el CO2 con pequeñas concentraciones de CH4. 3.4.5. Membranas. En la separación con membranas se puede distinguir entre dos técnicas. Por un lado está la separación seca, o gas-gas, que se realiza a alta presión y se tienen gases a ambos lados de la membrana, y la otra técnica es la separación húmeda, o gas-líquido, que se realiza a presiones más bajas donde se tiene en un lado de la membrana la mezcla gaseosa a separar y en el otro un líquido absorbente. Este último tipo son membranas microporosas hidrófobas que se han desarrollado recientemente. Las moléculas gaseosas difunden por la membrana y son absorbidas por el líquido que circula a contracorriente, formado por una disolución de aminoalcoholes similar a la utilizada en la absorción química de CO2 descrita anteriormente u otras disoluciones con gran capacidad de absorción [3,8]. Las membranas que se utilizan para la separación de gases se pueden clasificar según el material del que están hechas entre poliméricas, inorgánicas y mixtas (o híbridas). Las membranas para separar mezclas de CH4/CO2 disponibles comercialmente son poliméricas debido a que son más fáciles de fabricar. Las membranas inorgánicas son más resistentes y muestran buenos rendimientos a escala de laboratorio, porque pueden operar a mayores presiones, pero su fabricación es muy cara y no pueden competir con las poliméricas [51]. Existen membranas de varios polímeros diferentes pero los más utilizados para la separación de mezclas CH4/CO2 son el acetato de celulosa (CA), las poliimidas (PI), las polisulfonas (PSF) y los perfluoropolímeros [51,52]. En cuanto a la configuración de las membranas existen instalaciones con una sola pero es más habitual usar dos membranas en serie y con recirculación de las corrientes que permean a través de las membranas porque la concentración de CH4 puede llegar a ser relativamente moderada (hasta un 15%) [53]. Sin embargo, esto no tiene porque ser un problema si existe una demanda de calor próxima, como por ejemplo el mantenimiento de la temperatura del digestor, porque se puede quemar mezclado con biogás sin purificar en un sistema de cogeneración [8]. 3.4.6. Criogenia. La separación por criogenia se basa en que los diferentes compuestos químicos tienen distintos puntos de ebullición. La temperatura de ebullición del CH4 es de -160ºC a Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 25 presión atmosférica y la del CO2 es de -78ºC. Esto significa que se puede separar el dióxido de carbono del metano en forma de líquido enfriando la mezcla gaseosa a alta presión. Además, si se sigue enfriando y se condensa el metano se consigue separar del nitrógeno, que tiene un punto de ebullición aún menor. Por este motivo, esta técnica puede ser interesante para la purificación del biogás de vertedero que puede tener concentraciones de nitrógeno relativamente grandes. El enfriamiento se realiza en varias etapas y estas varían en función de la composición de partida (ciclo Brayton inverso). Otro aspecto interesante de la separación criogénica es que se obtiene CO2 líquido de alta pureza que puede venderse [10]. Al igual que ocurre en otras técnicas de purificación, es recomendable eliminar el agua y el H2S antes para evitar la congelación y otros problemas de operación. En la Tabla 8 se resumen las ventajas y desventajas de las técnicas descritas, para una descripción más detallada de los procesos y nuevas técnicas ver Anexo 6. Tabla8–VentajasydesventajasdelastécnicasdeeliminacióndeCO2[3,5,8,10,22,45,48‐ 51,53‐57]. MÉTODOVENTAJASDESVENTAJAS AbsorciónconaguaAltapureza(>97%CH4) EliminacióndelH2S(si<300ppmv) Tecnologíamadura Operaciónsencilla Norequierereactivosquímicos CapacidadajustableconPyTª Regeneraciónposible BajaspérdidasdeCH4(<2%) Toleranteimpurezas Consumodegrancantidaddeagua Requiereaguadecalidad Atascosporcrecimientode bacteriasenlacolumna Posibleformacióndeespumas Pocoflexiblefrentealavariación enlacomposicióndelbiogás Absorciónfísica(con polietilenglicol) Selexol® Genosorb® Altapureza(>97%CH4) Eliminacióncompuestosorgánicos conazufre,H2S,NH3,HCNyH2O Regeneraciónposible BajaspérdidasdeCH4 Inversiónyoperacióncostosos Solventeescaro Operacióncompleja Regeneraciónincompleta(consumo demuchaenergíadesorciónH2S) RequiereeliminaciónpreviadelH2S ydelH2O Absorciónquímica(con aminas) MEA DMEA DEA DGA Altapureza(>99%CH4) Operaciónbarata(P.atmconMEA) Regeneraciónposible MuybajaspérdidasdeCH4(<0,1%) Bajoconsumoeléctrico Mayorcapacidadabsorciónpor unidaddevol.(vs.agua).Equipos máspequeños EliminacióndeH2Scasicompleta Inversióncostosa Corrosión Regeneraciónrequierecalor EnvenenamientoporO2yotros compuestosquímicos RequiereeliminaciónpreviaH2S Posibleformacióndeespumas Precipitacióndesales Solventesdesechadosrequieren tratamiento Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 32 lo que a su vez implica el aumento del consumo energético de la regeneración. En el caso de la absorción con agua, la acumulación de H2S produce una reducción del pH por lo que es necesario ir añadiendo agua limpia para mantener el pH. En cuanto a los aminoalcoholes, estos se deben reponer porque se pierden pequeñas cantidades por evaporación (Tabla 12). - Consumo de agua El consumo de agua es otro aspecto importante. En la absorción con agua son necesarias grandes cantidades (proporcional a la capacidad de la instalación) si no se recircula, por lo que para poder optar por esta técnica se debe tener disponibles grandes cantidades de agua con cierta calidad. Sin embargo, si se recircula el agua el consumo de una instalación media consumo unos pocos metros cúbicos al día. Una ubicación habitual de este tipo de instalaciones es junto a las EDAR. La absorción química también requiere agua puesto que los aminoalcoholes están disueltos en agua a un 30% aproximadamente pero el consumo para una instalación media no llega a 1 m3/día [58]. También consumen agua las membranas húmedas que tienen como absorbente una disolución diluida de NaOH. El consumo de agua de las demás técnicas no es significativo, y suele estar relacionado con la refrigeración de los compresores mientras que para el proceso no requieren agua (Tabla 12). - Temperatura de operación La temperatura de operación también es un factor importante porque la capacidad de absorción y adsorción depende de ella. El biogás se produce en los digestores anaerobios a temperaturas superiores a 25ºC en los digestores mesofílicos, y a más de 40ºC en los termofílicos. Las mayores capacidades de retención del agua y del carbón activo se obtienen a bajas temperaturas por lo que se debe refrigerar el biogás para aumentar la capacidad, y de este modo reducir la frecuencia de la regeneración. Aumentando la presión también se consigue aumentar las capacidades de los absorbentes y adsorbentes, pero durante la compresión aumenta más la temperatura por lo que el enfriamiento se debe realizar después de la compresión. La técnica de absorción en agua suele realizarse con temperaturas del agua comprendidas entre los 10 y 15ºC, similares a la PSA. La absorción física, sin embargo, puede operar a temperaturas superiores a los 20ºC. Las membranas operan a la temperatura ambiente y cuando se utiliza la criogenia para la separación de los gases se requieren altas presiones y muy bajas temperaturas para lograr licuar los distintos componentes (Tabla 12). En el caso de la absorción química la temperatura necesaria para la regeneración del absorbente es de 160ºC lo que implica un consumo de calor importante, mientras que los absorbentes físicos se regeneran con temperaturas del orden de 70-80ºC. - Presión de operación Los procesos de absorción física con agua y con Genosorb®, al igual que la PSA se realizan a presiones similares (4-10 bar). Sin embargo, la absorción química con MEA se lleva a cabo con presiones ligeramente superiores a la atmosférica lo que supone un menor consumo eléctrico. A diferencia de la absorción química y la absorción con Genosorb®, en la PSA y la absorción con agua la regeneración se realiza por descompresión. Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 33 La presión de operación es a la que se obtiene el biometano producto. Este parámetro es de interés desde el punto de vista que en función del uso final (combustible para vehículos o inyección a la red) se requerirá una presión u otra. De modo que en el momento de evaluar los costes de la purificación y acondicionamiento de las propiedades del gas se debe tener en cuenta la presión final que se quiere alcanzar (Tabla 12). Tabla12–Parámetrosfuncionamientodelastécnicasdepurificación[4,26,59‐61]. TÉCNICA Consumo compuestos químicos Consumo deagua Temperatura deoperación (ºC) Presiónde operación (bar) Temp. regener. (ºC) AbsorciónconaguaNOSI5‐254‐10‐ Absorciónfísica orgánica: Genosorb Selexol  SI SI NO NO 20‐40 0‐40  4‐7 >20  70–80 55‐80 Absorciónquímica: MEA DEA MDEA  SI SI SI SI(Bajo) SI(Bajo) SI(Bajo) 10‐15 20‐55 50‐70  1,05‐1,5 8‐70 >10  160 160 120 PSASINO10‐204‐8‐ Membrana: Gas‐Líquido Gas‐Gas  SI NO SI NO Ambiente Ambiente  Presiónatm. 6‐30  ‐ ‐ CriogeniaNONO‐80/‐110>60‐ - Pureza alcanzable Si bien es cierto que las membranas años atrás no eran capaces de proporcionar grandes purezas de CH4 a precios competitivos, en los últimos años ha habido un claro avance en este aspecto. Actualmente con todas las técnicas es posible alcanzar purezas de CH4 suficientes para la inyección a la red, aunque la pureza que se obtiene con la absorción química (>99%) destaca sobre el resto debido a la gran selectividad de los aminoalcoholes para la absorción del CH4. - Consumo energético Cuando se comparan los consumos energéticos de las técnicas se observa que todas muestran una gran variación entre los valores mínimo y máximo. Esto se debe a las diferencias en los diseños de los procesos entre las distintas empresas y también a las diferentes capacidades de procesado de las instalaciones. Las técnicas de absorción física en disolventes orgánicos y la absorción química tienen habitualmente mayores consumos energéticos debido al calor que se necesita para regenerar los absorbentes, mientras que son las técnicas con menor consumo eléctrico. En el caso de la absorción química, los consumos eléctricos son menores de 0,20 kWh/m3 de biogás pero los consumos de calor pueden llegar a ser de 0,6-0,8 kWh/m3 de biogás [56]. Sin embargo, se puede recuperar parte del calor cuando se enfría el absorbente antes de recircularlo a la columna, por lo que se reduce el consumo energético global. La empresa Purac utiliza la tecnología LP Cooab con la que dicen Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 34 conseguir consumos energéticos de 0,26 kWh/m3 de biogás (0,11 de electricidad + 0,15 de calor) [62]. El consumo energético de dos de las técnicas más utilizadas, la absorción con agua y la PSA, son similares entre sí y los datos disponibles en la bibliografía son bastante homogéneos. En relación a los consumos energéticos de las membranas y de la criogenia, no existen todavía muchos datos y la mayor parte de los que se dispone son de plantas piloto o de demostración. Sin embargo, no difieren mucho de las otras técnicas (Tabla 13). Tabla13–Datosdeeficienciadelastécnicasdepurificacióndelbiogás[4,58,59,62‐65]. TÉCNICA PUREZA ALCANZABLE (%) DISPONIBILIDAD (%) PÉRDIDASDE METANO(CH4) (%) CONSUMO ENERGÉTICO (kWh/m3biogás) Absorciónconagua97‐9995–96 0,5‐30,20–0,40 Absorciónfísica orgánica>9696–98 1‐40,23–0,51 Absorciónquímica(MEA)>9996<0,50,26–0,60 PSA>96941–50,20–0,35 Membrana>9595–96 >50,20–0,40 Criogenia>99‐ <10,18–0,33 - Pérdidas de metano Las pérdidas de CH4 durante la purificación del biogás son habituales debido a que las técnicas se basan en procesos de absorción, adsorción, condensación o permeación en los que se tienen pequeñas concentraciones de CH4 junto al CO2. La cantidad de CH4 que se pierde por esta razón varía en función de la selectividad de los materiales absorbentes, adsorbentes y las membranas que se utilizan. En el caso de la criogenia las pérdidas son en función de la solubilidad del CH4 en el CO2 condensado por lo que la separación total no es posible (Tabla 13). La criogenia y la absorción química son las técnicas con menores pérdidas de CH4, en esta última la razón es la alta selectividad de los aminoalcoholes para la absorción del CO2 con lo que se consiguen al mismo tiempo una gran pureza de la corriente de biometano y de la corriente que se desorbe durante la regeneración (rica en CO2). En las plantas que utilizan la absorción con agua también se puede llegar a tener pérdidas menores al 1% en las más recientes aunque también se registran valores por encima del 3% en algunos casos [64]. Con la absorción física en disolventes orgánicos las pérdidas son similares a la absorción con agua. La PSA, a pesar de ser una técnica muy extendida, puede llegar a tener mayores pérdidas de CH4 que otras técnicas y en ocasiones se producen por el mal funcionamiento de las válvulas que regulan el flujo alternando la adsorción y la desorción en las columnas mediante la variación de la presión. Pero la tecnología que tiene mayores pérdidas de CH4 son las membranas. Debido a que las selectividades de los materiales utilizados no son muy altas existe una permeación considerable de CH4 a través de las mismas. Además, las pérdidas aumentan cuanto mayor queramos que sea la concentración de CH4 en el retenido [8]. Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 35 - Disponibilidad Finalmente si nos centramos en la disponibilidad (horas de funcionamiento al año) de cada técnica no hay grandes diferencias entre ellas en cuanto al tiempo que deben estar paradas para la realización de las tareas de mantenimiento según los datos de los fabricantes. 4.2.3. Costesdeinversiónyoperación. Al margen de los parámetros de funcionamiento y la eficiencia del proceso, al elegir una técnica frente a otra los costes son el aspecto donde se centra la atención. Los costes que conllevan las plantas de purificación de biogás se dividen en costes de inversión y costes de operación. - Costes de inversión Los costes de inversión vienen determinados por las dimensiones y el número de equipos necesarios para la limpieza y purificación del biogás. También aumenta la inversión la necesidad de grandes superficies, los equipos auxiliares necesarios para el tratamiento de las corrientes de desechos y la gestión de residuos peligrosos en su caso. Otros aspectos que suponen un coste añadido son los equipos de control del proceso y los sistemas de seguridad.  Figura 7. Coste de inversión de las técnicas de purificación [59]. Los costes de inversión de las instalaciones de absorción y adsorción son similares entre sí. Como se observa en la Fig.7 el coste de inversión para la PSA es mayor al de las técnicas de absorción y además se ve como la economía de escala es parecida entre las 3 técnicas comparadas, por lo que es la más cara de las 3 para todos los tamaños. Si comparamos la absorción con agua con la absorción química, la segunda supone un menor coste de inversión para capacidades de 500 m3/h mientras que para 1500 m3/h la inversión es ligeramente superior. En cuanto a los costes específicos de inversión de las técnicas disponibles comercialmente se observa que para instalaciones relativamente grandes (1500 m3/h) los 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 500 750 1500 Costeinversión(€) Capacidaddepurificación(m3biogás/h) PSA Absorciónconagua Absorciónquímica Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 36 costes de inversión son similares entre todas las tecnologías con valores cercanos a los 2000 € por m3/h de capacidad o ligeramente inferiores. Para el caso de instalaciones medianas (500-750 m3/h), las instalaciones con membranas tienen unos costes de inversión menores al resto de opciones y las que utilizan la absorción con Genosorb® tienen unos costes superiores al de las otras técnicas basadas en la absorción (Fig.8). En los casos de las plantas de purificación con capacidades inferiores a los 250 m3/h los costes de inversión aumentan mucho, llegando a superar los 5000 €/m3/h de capacidad [58].  Figura 8. Coste específico de inversión de las técnicas de purificación [59, 61]. El coste de inversión suele ser mayor para las instalaciones de criogenia en comparación con las otras técnicas debido a que los equipos deben ser resistentes a altas presiones y bajas temperaturas, además del coste de los compresores y en los sistemas de seguridad. - Costes de purificación Los costes de operación dependen del consumo energético y del consumo en reactivos y compuestos químicos. También hay que tener en cuenta el gasto en el personal necesario y en la frecuencia con la que es necesario realizar el mantenimiento de los equipos, lo que implica que la instalación esté parada por un tiempo. Los costes de operación son mayores en la PSA y la absorción química. Esto es debido al coste del adsorbente que debe cambiarse con regularidad en el primero y al consumo energético junto al de compuestos químicos en el segundo. Los procesos como la absorción con agua, la criogenia y las membranas tienen unos costes de operación ligeramente inferiores porque no consumen compuestos químicos. Los costes totales de la purificación del biogás para la obtención de biometano se calculan sumando el coste de la inversión, los costes anuales de la operación y el mantenimiento, y el coste del capital para los años de vida útil que se estime de los equipos. El coste de la obtención de biometano con la PSA varía entre 1,2 y 2,3 c€/kWh biometano. Reduciéndose el coste conforme aumenta la capacidad de procesado de la instalación porque disminuye el coste específico de la inversión como se ha visto anteriormente. En 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 500 750 1500 Costeespecíficoinversión(€/m3/h) Capacidaddepurificación(m3biogás/h) PSA Abs.conagua Abs.química Abs.física(Genosorb) Membranas Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 37 relación a la pureza del biogás bruto, como es lógico, cuando la concentración inicial de CH4 es mayor se reduce el coste específico de la operación por lo que el coste total de la purificación es significativamente inferior (Fig.9).  Figura 9. Coste específico de la purificación del biogás con PSA. Comparación de diferentes concentraciones de CH4 en el biogás bruto y con un proveedor [4, 59]. El coste de la purificación del biogás mediante la absorción con agua oscila entre 0,9 y 2,5 c€/kWh biometano. Los valores que se muestran en la Fig. 10 dejan claro que la economía de escala es más acusada que en el caso de la PSA. Por tanto, es una opción más interesante para grandes instalaciones.  Figura 10. Coste específico de la purificación del biogás con absorción con agua. Comparación de diferentes concentraciones de CH4 en el biogás bruto y con dos proveedores [4, 59]. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 250 500 750 1000 1500 2000 Coste(c€/kWhdegasproducto) Capacidaddepurificación(m3biogás/h) Costespurificación:PSA Carbotech 65%CH4 55%CH4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 250 500 750 1000 1500 2000 Coste(c€/kWhdegasproducto) Capacidaddepurificación(m3biogás/h) Costespurificación:absorciónconagua Malmberg Flotech 65%CH4 55%CH4 Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 38 Los costes de la absorción química para instalaciones de 250 m3 biogás/h son más bajos que con la PSA y la absorción con agua, pero para instalaciones de más de 1000 m3 biogás/h es más caro que con la absorción con agua y similar a la PSA. Por tanto, esta tecnología parece más adecuada para instalaciones pequeñas y medianas desde el punto de vista del económico (Fig.11).  Figura 11. Coste específico de la de purificación del biogás con absorción química. Comparación de diferentes concentraciones de CH4 en el biogás bruto y un proveedor [4, 59]. Del resto de tecnologías, que están menos extendidas, no se han publicado tantos datos y estudios económicos como para las tres anteriores. La absorción física en disolventes orgánicos tiene unos costes similares o incluso superiores a la absorción química. En cuanto a las membranas hay muchas posibilidades a la hora de configurar la separación con una o dos membranas o realizar la separación a más o menos presión, pero los costes publicados oscilan entre 1,2 y 4,5 c€/kWh biometano [55, 66, 67]. 4.2.4. Comparaciónconelgasnatural A continuación se va a realizar la comparación de los costes de obtención de biometano con el coste del gas natural. El coste del biometano incluye el relativo a la producción del biogás y el de la purificación. En la Fig. 12 se representa el coste de producción de biogás en función de la capacidad de producción de la planta. Como se observa, para capacidades superiores a los 200 m3/h no se aprecia una disminución del coste de producción. En cuanto al coste del gas natural, este varía en función del consumo anual del cliente. Los costes medios para grandes consumidores oscila entre 2,1 y 5 c€/kWh en Europa y para el consumo doméstico entre 2,8 y 6,5 c€/kWh, siendo estos precios libres de impuestos [68]. En la Tabla 14 se han calculado los costes de obtención de biometano los cuales oscilan entre 6,3 y 7,6 c€/kWh. Dichos valores son similares a los encontrados en la bibliografía los cuales indican costes entre 6 y 9 c€/kWh [69] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 250 500 750 1000 1500 2000 Coste(c€/kWhdegasproducto) Capacidaddepurificación(m3biogás/h) Costespurificación:absorciónquímica MTEnergie 65%CH4 55%CH4 Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 39  Figura 12. Coste de producción de biogás mediante digestión anaerobia Fuente: elaboración propia [70]. Tabla14–Costetotalobtenciónbiometanoparadiferentescapacidades.Fuente: elaboraciónpropia[4,59,70] 250 m3/h 500 m3/h 750 m3/h 1000 m3/h 1500 m3/h 2000 m3/h Costeproducción biogás5,155,115,085,075,065,05 COSTEPURIFICACIÓN Absorciónconagua (Total) 2,2‐2,5 (7,3‐7,6) 1,3‐1,8 (6,4‐6,9) 1,2‐1,4 (6,3‐6,5) 1,2‐1,5 (6,2‐6,6) 0,9‐1,2 (6,3‐6,5) 1,2 (6,3) Absorciónquímica (Total) 2,0 (7,15) 1,3‐1,6 (6,4‐6,7) 1,2‐1,5 (6,3‐6,6) 1,35 (6,4) 1,1‐1,3 (6,2‐6,4) 1,2 (6,3) PSA (Total) 2,26 (7,4) 1,6‐1,9 (6,7‐7,0) 1,4‐1,6 (6,5‐6,7) 1,31 (6,4) 1,1‐1,3 (6,2‐6,4) 1,2 (6,3) 5,05 5,1 5,15 5,2 5,25 5,3 0 500 1000 1500 Costeproducciónbiogás(c€/kWh) Producciónbiogás(m3/h) Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 40 5. Conclusiones. La limpieza y purificación del biogás para la obtención de biometano es cada vez más común y se espera que el mercado siga expandiéndose en los próximos años. El biometano es apto para utilizarse como combustible en vehículos de gas natural o para distribuirse por la red de gas natural con el objetivo de utilizarlo en cualquier aplicación que esté conectada a la red. El desarrollo de las tecnologías de purificación ha sido significativo en los últimos 5-10 años, en los que se ha pasado del uso de 2 técnicas de purificación (absorción con agua y PSA) en la mayoría de las instalaciones a que en este momento compitan 5 (absorción con agua, absorción con Genosorb®, absorción con aminas, PSA, membranas), y se espera que en unos pocos años también se haga un hueco la criogenia puesto que es la mejor opción si se quiere obtener biometano líquido, aunque todavía se tienen que resolver los problemas actuales. Tras el análisis de las nuevas instalaciones de purificación que se han construido, no se observa una relación directa entre el origen del biogás y la técnica de purificación escogida. El único dato destacable es la mayor utilización de la absorción con agua cuando el biogás procede de la digestión de lodos de EDAR. Por otro lado, el biogás de vertedero es la opción menos habitual para la purificación debido a que es el biogás de menor calidad por los contaminantes que tiene y por la presencia de N2 cuya eliminación resulta costosa. Por ello, el biogás de vertedero habitualmente se utiliza para la producción de electricidad o en sistemas de cogeneración puesto que no se requieren purezas tan altas del biogás. Para instalaciones grandes (>1000 Nm3 biogás/h) la tendencia actual es la selección de las técnicas mejor conocidas como la absorción con agua, la absorción química y la PSA. La correcta selección de las etapas de limpieza y purificación del biogás se basa en la técnica de eliminación de CO2 escogida, así como en conocer la composición química del biogás a limpiar (conocer la concentración de los contaminantes presentes). La evaluación de las incompatibilidades entre procesos sirve para asegurar que se cumple con las especificaciones de calidad con el mínimo de etapas necesarias. Los costes específicos de inversión para todas las técnicas son similares, situándose en torno a los 2000€/Nm3/h para las instalaciones con capacidades de producción mayores de 1000 Nm3/h. En el caso de las instalaciones más pequeñas el coste específico aumenta considerablemente por lo que es necesario considerar la economía de escala durante la planificación de las nuevas instalaciones. El consumo energético de las instalaciones también es bastante similar entre las diferentes opciones, situándose en torno a 0,20-0,30 kWh/Nm3 de biogás. La excepción es la absorción química con aminas cuyo consumo eléctrico se sitúa en la mitad respecto a otras técnicas pero sin embargo requiere un aporte de calor de alrededor de 0,55 kWh/Nm3 de biogás para la desorción del CO2. Los costes específicos de la purificación oscilan entre 0,9 y 2,5 c€/kWh de gas producto en función de la capacidad de purificación, siendo aún mayores para las instalaciones pequeñas (< 250 Nm3/h). En función del uso final del biometano, la presurización del biogás que se precisa en determinadas técnicas puede ser una ventaja puesto que se reduce el consumo posterior de compresión. También soy importantes aspectos como la simplicidad del proceso o la Evaluación de las tecnologías de purificación del biogás. 41 flexibilidad respecto al cambio de la composición del biogás a purificar, es en estos dos aspectos donde la absorción con agua marca la diferencia. Las membranas también reúnen estas características, que unido al menor coste específico de inversión para instalaciones pequeñas-medias se espera que se haga un hueco en el mercado en los próximos años. En cuanto a los costes de obtención de biometano desde un punto de vista de todo el proceso todavía es mayor al coste del gas natural. Sin embargo, el precio de este va en aumento en los últimos años por lo que en un futuro próximo el biometano será una opción más interesante incluso que en la actualidad.