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VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA EN PROCESOS DE
VALORACION DE BIOGAS
M. B. Rodriguez a*, B. V. Morero
b y E. Campanella
a, b
a Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas, Universidad Nacional del Litoral
Ruta Nacional Nº 168 Km 472.4, Santa Fe, Argentina, 3000
E-mail: mbelen_22@hotmail.com
b Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química, UNL - CONICET
Güemes 3450, Santa Fe, Argentina, 3000
Resumen. El biogás es un combustible renovable producido a partir de la
digestión anaeróbica de residuos orgánicos. Los principales componentes
del biogás son metano, dióxido de carbono, agua, ácido sulfhídrico y
dependiendo del origen cientos de compuestos trazas. Como la presencia de
compuestos diferentes al metano representa un problema para el uso del
biogás, se lo purifica. La etapa más importante de la purificación del biogás
es su valoración al eliminar el dióxido de carbono. Este trabajo analiza la
valoración por el proceso de absorción-desorción con tres solventes
distintos: agua, solvente químico (Diglicolamina) y solvente físico (Dimetil
Eter de Polietilen Glycol) utilizando el Análisis de Ciclo de Vida. Se
incluyen 11 categorías de impacto con el cambio climático como la
principal. Los resultados indican que el proceso con solvente químico tiene
mayor impacto en casi todas las categorías, el proceso con solvente físico
tiene gran impacto en algunas categorías, y el proceso con agua es el más
amigable con el ambiente. El proceso con solvente químico debe su baja
performance ambiental a su mayor consumo energético originado por la
necesidad de regenerar el solvente con vapor en la columna de desorción y
por la energía requerida para producir la amina.
* A quien debe enviarse toda la correspondencia
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
Palabras clave: purificación del biogás, dióxido de carbono, Análisis de Ciclo de
Vida.
1. Introducción
La generación de energía en Argentina se apoya en el uso de los combustibles
fósiles, recurso no renovable y agotable en un futuro cercano y altamente contaminante
del ambiente. La dependencia en los combustibles fósiles, que lleva a una matriz
energética no sustentable, deriva en la necesidad de analizar e implementar nuevas
opciones de fuentes de energía renovable. El país tiene suficiente potencial para que las
energías alternativas jueguen un fuerte rol en la matriz. Existen tecnologías que utilizan
diferentes fuentes para producir energía de una forma más “amigable” con el ambiente.
Entre ellas, se encuentra la interesante opción de la biomasa para el aprovechamiento
del biogás. Este es un combustible renovable y se produce a partir de la digestión
anaeróbica de residuos orgánicos que pueden provenir de fuentes industriales,
municipales y/o agrícolas. De esta manera, se contribuye a la reutlización de los
desechos sólidos, aprovechándolos como un recurso y no como un residuo. Además,
ayuda a disminuir los problemas de contaminación y de proliferación de enfermedades
relacionada con los mismos.
El biogás está compuesto principalmente por metano, dióxido de carbono, agua,
ácido sulfhídrico, y dependiendo del origen del residuo cientos de compuestos trazas.
Estos compuestos diferentes al metano disminuyen la eficiencia del uso posterior que se
le puede dar al biogás. Para generar un producto más eficiente, evitar la corrosión en
los equipos de procesamiento, y posibles emisiones contaminantes a la atmósfera el
biogás se purifica. La etapa más importante de la purificación es su valoración con la
separación del dióxido de carbono. Existen diferentes procesos de purificación de
biogás y generalmente para la valoración se utiliza el proceso absorción-desorción
(Petersson y Wellinger, 2009).
Cuando se quiere elegir un proceso no solo se deben tener en cuestiones técnicas y
económicas, la elección incluye también variables ambientales y sociales. Por ello se
debe usar una herramienta como el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), técnica bien
conocida para la inclusión de variables ambientales (ISO, 1997). El ACV se basa, como
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su nombre lo indica, en el ciclo completo de vida que tiene un producto, empezando por
la extracción y adquisición de la materia prima, pasando por la producción de materia y
energía, siguiendo por la fabricación hasta el uso, tratamiento, reciclado y disposición
final, considerando todos los aspectos negativos y positivos que cada etapa tenga sobre
el ambiente. Para el caso del biogás, Patterson et al. (2011) han analizado con la ayuda
del ACV la conveniencia de centralizar o descentralizar la ubicación de los digestores
anaeróbicos. En otra publicación (Borjenson y Ahlgren, 2012), también con la ayuda de
ACV, han discutido la producción de biogás en el contexto de su uso como combustible,
para producir energía eléctrica o para alimentar a la red de gas natural. Por otra parte,
Starr et al. (2011) han comparado usando ACV tecnologías para la purificación más
clásicas con nuevas tecnologías.
Este trabajo se centra en la etapa de purificación de biogás utilizando el ACV, para
comparar el proceso de valoración de biogás por absorción-desorción con tres solventes
distintos: agua, solvente químico (diglicolamina, DGA), y solvente físico (Dimetil Eter
de Polietilen Glycol, DEPG), con el fin de analizar que solvente es el más apropiado
desde el punto de vista ambiental.
2. Metodología
Para este estudio se llevo a cabo un ACV que se realiza según la Norma ISO 14040
implementada en el programa OpenLCA. El ACV tiene cuatro pasos principales:
definición de objetivo y alcance, análisis del inventario, evaluación del impacto
ambiental e interpretación de los resultados.
2.1. Objetivo y alcance
El objetivo de este trabajo es incluir en la comparación de los procesos de valoración
de biogás, además de las cuestiones técnicas y económicas, los impactos ambientales y
sociales para poder llegar al solvente que genere la menor proporción de efectos
negativos posibles sobre el medio.
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Fig. 1. Límites del sistema del proceso de valoración con agua
Límites del sistema. Para la comparación de los tres solventes en estudio, los límites
del análisis se reducen a la captura del dióxido de carbono del biogás y no incluye ni la
generación del biogás ni tratamientos anteriores y posteriores de eliminación de
contaminantes. Debido a que lo que interesa en el presente trabajo es poder definir y
decidir cuál es el solvente menos perjudicial para el ambiente.
Esquemáticamente, en las Fig. 1, 2 y 3 se presentan los límites en el proceso de
valorización con agua, DGA y DEPG, respectivamente.
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Fig. 2. Límites del sistema del proceso de valoración con amina (DGA).
Figura 3. Límites del sistema del proceso de valoración con DEPG
Unidad funcional. Para efectuar el ACV es necesario definir la unidad funcional a
utilizar. Esta sirve como referencia para relacionar las entradas y salidas del sistema, y
de este modo asegurar que los resultados sean comparables. En este estudio, la unidad
funcional utilizada es la remoción de 1 kg de CO2 de la corriente de biogás crudo, es
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decir, del biogás proveniente de la biodigestión (como aparece en la figura 1). La
corriente de ingreso del biogás tiene una composición teórica de 58,4% CH4, 37,3%
CO2, 1% N2, 0,1% H2S, 3,2% H2O y un caudal de 250 m3/h.
La calidad de la biometano producido puede diferir entre las tecnologías, pero en
general se puede suponer que su composición es apto para sustituir el gas natural
(Persson et al., 2006). Por lo tanto, se decidió que la concentración final de metano no
se adopte como la unidad funcional.
2.2. Análisis del inventario
Los datos de inventario se recompilaron de distintas forma dependiendo del flujo o
del proceso y se presentan en la Tabla 1. Cabe aclarar que, en cuanto al caudal de
entrada de cada solvente (agua, DGA y DEPG), se refiere a la reposición que se debe
hacer debido a las pérdidas que se generan en cada caso, no es el total que recircula por
el proceso.
Tabla 1. Inventario de entradas y salidas.
Flujo Unidades Proceso con solvente
Agua Aminas DEPG
Entradas
Biogás m3/h 250,000 250,000 250,000 Electricidad MJ 211,464 1115,309 518,652
Agua de enfriamiento m3/h 21,003 12,413 20,743 Aminas kg/h
1,318
Agua de red kg/h 3,953 1,276
DEPG kg/h
2,679
Salidas
Efluentes al aire
H2S kg/h 0,345 0,366 0,363
CO2 kg/h 166,287 185,695 178,272
CH4 kg/h 3,008 0,342 2,936
DGA kg/h
1,80E-13
H2O kg/h 2,510 3,464 6,159
N2 kg/h 0,022 0,003 0,005
DEPG kg/h
0,044
Efluentes líquidos
H2S kg/h 2,13E-05 3,41E-06
CO2 kg/h 3,19E-03 0,040
CH4 kg/h 2,36E-06
DGA kg/h
1,315
H2O kg/h 3,02 1,276
N2 kg/h 8,12E-09
DEPG kg/h
6,361
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Para el caso del proceso de valoración absorción-desorción se obtuvieron los datos
simulando mediante el programa ProMax para cada solvente en estudio. A modo
representativo, se presenta en la Fig. 4 el esquema de flujo de proceso para el caso
donde se utiliza agua como solvente. A partir de ello se pudo determinar la cantidad de
insumos necesarios para cada proceso como así también la energía consumida. El
proceso con agua básicamente consiste en que el biogás crudo y comprimido alimente
desde el fondo a una columna rellena en contracorriente con agua que es rociada desde
el tope de la columna. El CO2 se absorbe en el agua y sale por el fondo de la torre.
Como también se absorbe metano, se coloca un flash para recuperarlo e ingresarlo
nuevamente a la columna de absorción. La corriente de líquido ingresa a una columna
de regeneración para capturar el CO2 y recircular el agua hacia la columna de absoción.
Los procesos de absorción-desorción con los tres solventes son semejantes (Fig. 1, 2 y
3), dependiendo de la sustancia absorbente (agua, amina o DEPG) que se utilice el
proceso tendrá sus particularidades. Una diferencia significante es que el proceso con
amina (Fig. 2) requiere una corriente de vapor en la columna de desorción para romper
los enlaces químicos formados durante la absorción. Por el contrario, en los procesos
con agua y DEPG no es necesaria la corriente de vapor ya que la absorción es física.
Fig. 4. Esquema del proceso de valoración con agua arrojado por el programa Promax.
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Para los flujos de energía eléctrica y agua, se utilizaron datos locales para sus
respectivas generaciones con el fin de realizar un análisis aplicable a la valoración del
biogás en Argentina. En el flujo de energía, los datos fueron obtenidos de la matriz
energética del país, que se encuentra disponible en la página web de la Secretaría de
Energía de la Nación. Para el flujo de agua, se tuvieron en cuenta los datos del proceso
de potabilización de agua proporcionado por Aguas Santafesinas S.A. de la ciudad de
Santa Fe.
En lo que respecta a la producción de los solventes DGA y DEPG, se obtuvieron
datos de la literatura (Sutter, 2007).
2.3. Evaluación de impacto ambiental
El ACV se realiza en el programa computacional OpenLCA utilizando los datos del
inventario (Tabla 1) y los disponibles en la base del programa.
En el ACV se utilizó la metodología de evaluación de impacto CML 2001. Como
esta etapa tiene el propósito de evaluar cuán significativos son los impactos
ambientales, se seleccionaron las 11 categorías que se describen a continuación:
Potencial de acidificación. La acidificación de los suelos y aguas se produce
principalmente por la transformación de los contaminantes atmosféricos en ácidos,
produciendo una disminución en el valor pH del agua de lluvia y niebla. El óxido de
nitrógeno y dióxido de azufre, y sus respectivos ácidos, producen contribuciones
pertinentes.
Cambio climático, 100 años (GWP). Esta categoría de impacto se cuantifica
utilizando el índice de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés), que es una
medida relativa de cuánto calor puede ser atrapado por un determinado gas de efecto
invernadero en comparación con un gas de referencia, por lo general CO2. Se puede
adoptar en distintos plazos, en el presente trabajo se consideró un período a largo plazo
(100 años).
Potencial de eutrofización. Un alto contenido de nitrógeno y fósforo puede producir
un incremento de la producción de biomasa en los ecosistemas acuáticos, lo que
provoca un mayor consumo del oxígeno y consecuentemente trasformar las condiciones
aeróbicas del cuerpo de agua a anaeróbicas.
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Toxicidad humana, 100 años (HTP). En esta categoría se incluyen solamente los
efectos sobre el hombre provocados por las sustancias tóxicas en el ambiente. Al
emitirse un contaminante, este no permanece en el punto de origen sino que se desplaza
debido al movimiento mismo del medio donde este (aire, suelo, agua superficial,
subterránea) y puede alcanzar largas distancias, es decir que el problema no es puntual.
Ecotoxicidad acuática en agua dulce, 100 años. Igual que para la categoría de
toxicidad humana pero incluye solamente los efectos sobre el ecosistema acuático de
agua dulce.
Ecotoxicidad de los sedimentos en agua dulce, 100 años. Igual que la anterior pero
en este caso encierra solamente los efectos sobre los sedimentos del ecosistema acuático
dulce.
Ecotoxicidad terrestre, 100 años. De igual forma que las toxicidades anteriores,
nomás que engloba los efectos ocasionados sobre el ecosistema terrestre.
Malos olores. Las molestias locales ocasionadas por las pérdidas de compuestos a la
atmósfera.
Agotamiento de los recursos abióticos. La disminución de la disponibilidad de los
recursos naturales. Para su cuantificación se tiene en cuenta el volumen de la reserva
disponible y el tiempo que se dispondrá de ella.
Oxidación fotoquímica (el smog de verano). Mediante la radiación solar, los óxidos
reaccionan con los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) produciendo ozono
troposférico, fenómeno producido principalmente durante los meses de verano. Estos
oxidantes foto-químicos pueden inferir sobre la salud humana, los ecosistemas y la
agricultura.
Agotamiento del ozono estratosférico, 40 años. La disminución de la capa de ozono
provoca un aumento en la cantidad de radiación ultravioleta que incide sobre la tierra,
generando consecuencias tales como aumento en las enfermedades, degradación de los
materiales, deterioro de los ecosistemas, entre otras.
3. Resultados
Los resultados obtenidos por el OpenLCA se muestran en la Fig. 5 donde se puede
observar el impacto generado, por el proceso con agua, amina o DEPG como solvente.
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En cada categoría, el programa le asigna el 100 % al proceso con la mayor contribución,
es decir, al que acentúa más el aumento o formación del impacto. De esta forma, se
observa que el proceso con amina es el que genera los mayores impactos sobre el
ambiente, ya que en siete de las once categorías presenta el porcentaje total. En las
categorías de cambio climático, toxicidad humana y oxidación fotoquímica, el proceso
con DEPG tiene el mayor impacto. Mientras que el proceso con agua solo presenta el
impacto más alto en la categoría de malos olores, categoría en la que el comportamiento
de los tres procesos es muy parecido. Esta última similitud entre los tres solventes se
puede deber principalmente a que el biogás contiene ácido sulfhídrico, por lo que sería
conveniente eliminarlo en un paso previo a la purificación.
Analizando en forma global los resultados de la Fig. 5 se concluye que el proceso
con agua es el que genera los menores impactos sobre el ambiente, mientras que el
proceso con amina es el de mayor impacto. Ese resultado puede atribuirse a que el
Fig. 5. Comparación de los impactos de los procesos de purificación de biogás.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
CML 2001 Categorías
Purificación con agua
Purificación con DEPG
Purificación con amina
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proceso con solvente químico (amina) debe su baja performance al mayor consumo
energético originado por la necesidad de regenerar el solvente con vapor en la columna
de desorción del proceso de valoración, a lo que se suma la energía requerida para
producir la amina como materia prima. En los procesos con agua y DEPG como
solventes no se utiliza una corriente de vapor para la regeneración del solvente lo que
lleva a un menor requerimiento energético.
Los resultados muestran que la valoración de biogás con agua es la mejor opción
entre los tres procesos de valoración comparados. La misma conclusión fue alcanzada
por Starr et al. (2011) en un estudio de ACV que evaluó un proceso de lavado con agua
a alta presión, un proceso de absorción con reacción química en soluciones alcalinas y
un proceso de adsorción con cenizas provenientes de la incineración de residuos
domiciliarios.
4. Conclusiones
El Análisis de Ciclo de Vida de los tres procesos de valoración señala con precisión
al proceso más amigable con el ambiente, la absorción-desorción con agua como
solvente; y además nos indica que variables de los procesos necesitan revisarse para
mejorar la valoración del biogás.
Reconocimientos
Este trabajo ha sido apoyado económicamente por el CONICET, la Universidad
Nacional del Litoral y la provincia de Santa Fe.
Referencias
Börjesson M., Ahlgren E. O. (2012). Cost-effective biogas utilization – A modeling assessment of gas
infrastructural options in a regional energy systems. Energy, 48, 212.
ISO (International Standardization Organization) (1997). ISO 14040 Environmental Management - Life
Cycle Assessment - Principles and Framework. The International Organization for Standardization.
Patterson T., Esteves S., Dinsdale R., Guwy A. (2011). Life cycle assessment of biogas infrastructure
options on a regional scale. Bioresource Technology, 102(15), 7313–7323.
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Persson, M., Jönsson, O., Wellinger, A. (2006). Biogas Upgrading to Vehicle Fuel Standards and Grid
Injection IEA Bioenergy Task 37 - Energy from Biogas and Landfill Gas.
Petersson, A., Wellinger, A. (2009) Biogas upgrading ttechnologies - developments and innovations IEA
Bioenergy Task 37 - Energy from Biogas and Landfill Gas.
Starr K., Gabarrell X., Villalba G., Talens L, Lombardi L. (2011). Life cycle assessment of biogas
upgrading technologies. Waste Management, 32, 991–999.
Sutter J. (2007). Life cycle inventories petro chemical solvents. Life cycle Inventories of Chemicals Final
Report Ecoinvent Data.
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