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Grupo de investigación en Fluidos y Energía GIFE. Corporación Centro de Desarrollo Tecnológico del Gas km 2 vía El Refugio. Piedecuesta. Santander. Colombia. BIOMETANO: ALTERNATIVA SOSTENIBLE DEL GAS NATURAL Resumen: Los residuos orgánicos, también llamados biomasa residual, son un problema ambiental que requiere especial atención, debido a que su incorrecta disposición genera gases de efecto invernadero y un bajo nivel de aprovechamiento de su potencial energético, pero esto tiene solución debido al desarrollo de tecnologías para la producción de biocombustibles. Otro problema ambiental que ha encendido las alamas en las últimas décadas es la utilización indiscriminada de combustibles fósiles que emiten contaminantes a la atmosfera contribuyendo al calentamiento global. El combustible fósil de menor impacto ambiental es el gas natural, pero de acuerdo a la UPME se proyecta una paulatina disminución de las reservas y un aumento de su consumo por parte de la población colombiana, lo que anuncia una posible crisis de abastecimiento. Dados los anteriores panoramas, el biometano resulta ser una alternativa sostenible que en un momento determinado lograría contrarrestar las deficiencias de abastecimiento de gas natural en el país. Biogás, Biometano, Biomasa, Digestión anaerobia, Residuos orgánicos. Biometano: Alternativa Sostenible Del Gas Natural 60 Met&Flu

BIOMETANO: ALTERNATIVA SOSTENIBLE DEL GAS ... BIOGÁS A BIOMETANO El biometano es la forma mejorada del biogás, el cual puede ser intercambiable con el gas natural convencional, es

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Grupo de investigación en Fluidos y Energía GIFE.Corporación Centro de Desarrollo Tecnológico del Gaskm 2 vía El Refugio. Piedecuesta. Santander. Colombia.

BIOMETANO: ALTERNATIVA SOSTENIBLEDEL GAS NATURAL

Resumen: Los residuos orgánicos, también llamados biomasa residual, son un problemaambiental que requiere especial atención, debido a que su incorrecta disposición genera gasesde efecto invernadero y un bajo nivel de aprovechamiento de su potencial energético, pero estotiene solución debido al desarrollo de tecnologías para la producción de biocombustibles. Otroproblema ambiental que ha encendido las alamas en las últimas décadas es la utilizaciónindiscriminada de combustibles fósiles que emiten contaminantes a la atmosferacontribuyendo al calentamiento global. El combustible fósil de menor impacto ambiental es elgas natural, pero de acuerdo a la UPME se proyecta una paulatina disminución de las reservasy un aumento de su consumo por parte de la población colombiana, lo que anuncia una posiblecrisis de abastecimiento. Dados los anteriores panoramas, el biometano resulta ser unaalternativa sostenible que en un momento determinado lograría contrarrestar las deficienciasde abastecimiento de gas natural en el país.

Biogás, Biometano, Biomasa, Digestión anaerobia, Residuos orgánicos.

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Abstract: Organic waste, also called residual biomass, is an environmental problem thatrequire attention because the emission of greenhouse gases due to an incorrect disposition andbecause the low exploitation of their energetic power. However, those situations is solving bythe development of technology for biofuel production. Another environmental problem is theindiscriminate use of fossil fuels that emits pollutants to atmosphere increasing globalwarming. Natural gas is a fossil fuel that has a low environmental impact, but, according toUPME, natural gas reserves are going to decrease and the population consumption are goingto increase through time, so it announce an supplying crisis. Due to those scenes, biomethaneis a sustainable choice, which, in a moment, will probably achieve counter the deficiencysupplying of natural gas in the country.

Key words: Biogas, Biomethane, Biomass, Anaerobic Digestion, Organic waste.

Conocimientos Fluidos

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INTRODUCCIÓN.

Actualmente, el biogás es considerado unbiocombustible de primera generación, como elbiodiesel y el bioetanol, debido a la madurez de sutecnología de producción e implementación [1];sin embargo, difiere de ellos con respecto a lamateria prima que emplea para su proceso, ya quelos biocombustibles de primera generación seabastecen de cultivos propios para este fin,compitiendo con las necesidades de alimentaciónde las comunidades y afectando la biodiversidad.Por el contrario, el biogás se obtieneprincipalmente de materia orgánica residual, que loha convertido en un foco de atención, no solo paraatender las necesidades de la canasta energética,sino como alternativa para la disposición de granparte de los residuos sólidos orgánicos.

El biometano es un combustible renovablegaseoso, compuesto principalmente por metano ydióxido de carbono, en una proporción dealrededor de 65 % a 35 %, [1]; proviene de larefinación del biogás obtenido ya sea portecnologías térmicas o biológicas, cuya materiaprima es la materia orgánica (biomasa). Unacomposición aproximada del biogás se muestra enla Tabla 1; a pesar de que la mayoría de estos

compuestos son considerados impurezas paraefectos de la transformación del biogás enbiometano [2], el biogás se emplea comúnmentepara la generación de calor, que puede ser útilpor ejemplo, en áreas rurales con poco acceso auna fuente de energía fósil. En cambio elbiometano, puede llegar a ser intercambiable conel gas natural (teniendo un apropiadotratamiento), siendo utilizado para los mismosfines, principalmente, para el servicio domésticoy como combustible vehicular.

El presente artículo, muestra un panoramageneral del biogás, las tecnologías necesarias parasu obtención y refinación, y la situación actual deColombia frente a este tipo de biocombustible,con el propósito de identificar de manerageneral, las oportunidades o mejor dicho, elpotencial que tiene el país para transformar susresiduos en formas alternativas de energía,amigables con el ambiente.

PANORAMA MUNDIAL

Muchos países han implementado estatecnología para la transformación de residuosorgánicos, principalmente en Europa, donde losrecursos fósiles no son tan abundantes y la

Compuesto Cantidad aproximadaMetano 40 % - 75 %

Dióxido de Carbono 15 % - 60 %Vapor de agua 5 % - 10 %

Ácido Sulfhídrico 0,005 % - 2 %Siloxanos 0 % - 0,02 %

Hidrocarburos halogenados (COV*) < 0,6 %Amoniaco < 1 %Oxígeno 0 % - 1 %

Monóxido de Carbono < 0,6 %Nitrógeno 0 % - 2 %

*Compuestos Orgánicos Volátiles

Composición del biogás. Adaptado de: [2]

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demanda energética es alta. El tamaño de lasplantas difiere de un lugar a otro dependiendo deltipo y la disponibilidad de la materia prima(residuos agrícolas, residuos industriales, estiércol,etc.) y de las necesidades energéticas de la región(generación de calor, electricidad, gas vehicular,etc.).

Suecia es el principal exponente de laimplementación de biocombustibles en la canastaenergética nacional, especialmente en la utilizaciónde biogás vehicular, reduciendo la dependencia alos combustibles fósiles y las emisiones de gases deefecto invernadero, utilizando el 50% de suproducción anual (1,7 TWh) para este fin [3].Alemania también se ha puesto en la tarea dereducir el consumo de combustibles fósiles ycuenta con plantas de producción de biogás quesuplen el 3 % del consumo nacional de energíaeléctrica anualmente. China e India cuentan con ungran número de plantas de producción de biogás apequeña escala, el cual utilizan para cocinar, parailuminarse y en algunos casos, para pequeñosmotores de combustión. Otros países que tambiénproducen biogás a partir de residuos agrícolas son:Francia, Holanda, Austria, e Italia [3].

En Estados Unidos el biogás producido provieneprincipalmente del tratamiento de aguas residualesy la mayor parte de plantas se encuentran ubicadasen el oriente del país, conformandoaproximadamente 2100 plantas en total, de lascuales, si se aprovechara todo su potencial,permitirían suplir las necesidades de alrededor de3,5 millones de hogares estadounidenses y reducirsustancialmente su cuota anual de gases de efectoinvernadero[4].

A pesar de que Brasil ha sido pionero en lautilización de biocombustibles líquidos como elbiodiesel o el bioetanol, es Argentina quien lleva ladelantera en cuanto a instalación y puesta enmarcha de plantas de biogás de mediana capacidad,abasteciendo a 25000 hogares aproximadamente

con energía a partir de la basura [5]. Sin embargo,otros países de Latinoamérica se han dado a latarea de poner en marcha pequeñas plantas debiogás para el consumo energético de algunaszonas rurales, como es el caso de Brasil, Cuba,Costa Rica y Colombia [6].

PANORAMA NACIONAL

Colombia poco a poco ha venido ganandoterreno en la producción de biocombustibleslíquidos de primera generación, y comienza aapostarle al desarrollo de proyectos queincentiven el aprovechamiento de los residuosorgánicos para la generación de energía, a travésde la producción de biogás. Actualmente, en elpaís operan algunas plantas de biogás como laque se encuentra en el Jardín Botánico deBogotá, la planta de tratamiento de aguasresiduales San Fernando y el relleno sanitario dela pradera en Medellín [7].

Además, en la web se encuentra un modelo conel cual se puede estimar el índice de generaciónde metano, teniendo en cuenta informaciónrelativa al clima, caracterización de residuos ydatos específicos sobre el biogás de sitiosrepresentativos de Colombia, permitiendo que elusuario tenga una aproximación de la generacióny recuperación de biogás para un rellenosanitario [8]. Este tipo de herramientascontribuyen a que haya un aumento en lasiniciativas de convertir en energía lo que seconsidera como basura, en especial en losrellenos sanitarios que, en muchos lugares delpaís, están a punto de colapsar

MÉTODOS DE OBTENCIÓN DEBIOGÁS

Como se mencionó anteriormente, el biometanose puede obtener mediante la refinación de losproductos gaseosos que resultan del tratamientotérmico y biológico de la biomasa. Dentro de las

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tecnologías térmicas se destaca la gasificación, conel cual se obtiene un producto gaseoso compuestoprincipalmente por hidrógeno (H2), dióxido decarbono (CO2), y metano (CH4) [9]; De manerasimilar, es posible obtener metano como unsubproducto del proceso de pirólisis, en el cual elproducto principal es un combustible líquidollamado biooil [10]. Por otro lado, la digestiónanaerobia (DA) constituye un proceso biológico,que emplea microorganismos para ladescomposición de la materia orgánica en ausenciade oxígeno y es el principal proceso para laobtención de biogás [11].

A pesar de la amplia investigación relacionada conlas tecnologías térmicas y los biocombustibles quese producen a partir de ellas, su implementacióncontinua siendo incipiente en comparación con ladigestión anaerobia, que constituye una tecnologíamadura y de masiva aplicación a nivelinternacional. De acuerdo a lo anterior y alpropósito del artículo, éste se enfocará en laproducción de biogás mediante DA.

La DA se alimenta principalmente de biomasacon un alto contenido de humedad, razón por lacual, se prefieren para esta tecnología los residuosalimenticios pos-consumo, el estiércol animal, lasaguas residuales, los residuos agroindustriales,entre otros [11]. La temperatura es uno de losparámetros de operación característicos delproceso, clasificándolo en condiciones psicrófilas(12 ºC a 16 ºC), mesófilas (35 ºC a 37 ºC) ytermófilas (55 ºC a 60 ºC) [12]. Por otro lado, elpH ejerce una importante influencia en elproceso, siendo favorable trabajar con pHaproximadamente neutro, entre 6,8 y 7,2 [13]. LaFigura 1 muestra de forma general las etapas y losproductos de la DA, dentro de los cuales seencuentra el biometano; además que evidencia laversatilidad del proceso en términos deaprovechamiento de todo los productos, ya seacomo insumos para la agricultura o comosuplementos energéticos.

Procesos de DA y sus productos

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DE BIOGÁS A BIOMETANO

El biometano es la forma mejorada del biogás, elcual puede ser intercambiable con el gas naturalconvencional, es decir, tiene los mismos usosfinales que el combustible fósil. Para que el biogásllegue a ser biometano, debe someterse a unproceso de refinación o purificación, en el cual seremuevan todos los componentes dañinos, eincluso, los microorganismos patógenos para suuso doméstico.

La refinación de biogás, consiste de forma generalen los tratamientos que permitan [2]:� Un proceso limpio, eliminando las trazas de

componentes que puedan dañar decualquier manera la red de gas natural.� Un proceso mejorado en el cual la cantidad

de CO2 se remueve para ajustar el podercalorífico y la densidad relativa, con el fin decumplir con los requisitos deintercambiabilidad (índice de Wobbe).

En la Tabla 2 se resumen las impurezas máscomunes del biogás, sus posibles consecuenciasen caso tal de no ser eliminadas y la(s)

tecnología(s) que se puede(n) implementar parasu remoción [2], y en la Figura 2 se resumen losusos potenciales tanto del biogás como delbiometano.

Como el biometano y el gas natural presentancaracterísticas energéticas similares, la Tabla 3permite visualizar una comparación general entreestos dos combustibles gaseosos.

DISCUSIÓN

En el siglo XXI el mundo se enfrenta a dosgrandes problemáticas: por un lado, ladisminución de reservas probadas decombustibles fósiles ha hecho que varios países,que dependían exclusivamente de estos, buscaranotras alternativas energéticas para abastecerse, ypor otro lado, el aumento del consumo por partede la población, ha provocado un aumento en losdesechos, que perjudican el ambiente debido a losprecarios programas para la correcta disposiciónde los residuos sólidos. Como se mencionópreviamente, países europeos como Alemania,Suecia, Italia, entre otros, han solucionado estosproblemas convirtiendo sus residuos orgánicos en

Usos potenciales del biogas y el biometano

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Impurezas del biogás, su posible impacto y tecnologías disponibles para su tratamiento

Impureza Posible impacto Tratamiento

Agua

· Corrosión de tanques de almacenamiento,compresores y motores debido a la reaccióncon H2S, NH3 y CO2 para la formación deácidos.

· Acumulación de agua en tuberías.· Condensación y/o congelación debido a altas

presiones.

· Separación física: Condensación· Separación química: Técnicas de absorción y

absorción mediante sustancias químicas.

Polvo

Obstrucción debido a la deposición(Transformación de gas en sólido) entanques de almacenamiento de gas ycompresores.

Las técnicas de secado incluso favorecen laremoción de polvo

H2S

· Corrosión en tanques de almacenamiento degas, en compresores y en motores.

· Concentraciones toxicas de H2S remanentesen el biogás.

· Formación de SO2 y SO3 debido a lacombustión, los cuales son más tóxicos que elH2S y pueden causar corrosión al contacto conel agua.

Remoción durante el proceso de digestión:· Dosificación de aire (oxigeno) al sistema de

biogás para oxidar el H2S en azufre elemental· Adición de cloruro de hierro en el digestor para

formar partículas precipitadas de FeS

Remoción después del proceso de digestión:· Adsorción usando oxido o hidróxido de hierro· Absorción con líquidos· Separación por membranas· Filtros biológicos· Adsorción mediante carbón activado

CO2 Disminuye el poder calorífico

· Absorción física y química de CO2· Adsorción por oscilación de presión· Adsorción por oscilación al vacío· Separación por membranas· Separación criogénica· Enriquecimiento biológico de metano

Siloxanos Formación de SiO2 y micro cristales decuarzo debido a la combustión

· Absorción con solventes orgánicos· Absorción en ácido fuerte· Absorción en base fuerte· Adsorción con Silicagel· Adsorción con Carbón Activado· Separación criogénico

Hidrocarburos Corrosión de motores debido a lacombustión Remoción mediante carbón activado

NH3 Corrosión cuando se disuelve en agua El método más práctico y menos costoso esmediante carbón activado.

O2 / AirePeligro de explosión debido a la mezcla dealtas concentraciones de oxígeno en elbiogás.

· Remoción mediante membranas· Adsorción por oscilación de presión a baja

temperaturaLos anteriores métodos son costosos, razónpor la cual, se recomienda prevenir cualquierintroducción de aire al digestor mediante unmonitoreo cuidadoso.

Cl- , F- Corrosión en motores de combustión.

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biogás, el cual, es utilizado directamente omejorado, para que el biometano resultante seainyectado a la red de gas natural o usado comocombustible vehicular.

Haciendo un balance general, en toda Américaaún no se cuenta con este uso masivo del biogás,ni con la cultura de disponer correctamente losresiduos (salvo en contadas regiones delcontinente), pero si se han comenzado adesarrollar proyectos a pequeña escala que permitaque poblaciones necesitadas de energía, se veanbeneficiadas con este proceso biológico deconversión de biomasa. Según un estudiorealizado por el National Renewable EnergyLaboratory (NREL) [14], en Estados Unidos, elpotencial de metano a partir de fuentes orgánicasy rellenos sanitarios, se estima en 7,9 millones detoneladas por año lo que podría reemplazar en un61 % el gas natural (5 % en energía eléctrica y 56% en el sector transporte); es más, si EstadosUnidos se diera a la tarea de incrementar el uso decombustibles bajos en carbono (biometano y/ogas natural), las emisiones de CO2 noincrementarían sustancialmente cada año, sino que

su aumento sería tan solo del 0,2 % anual en unaproyección al año 2040 realizada por EIA [15].

Si nos centramos en Colombia, la situación es lasiguiente: actualmente no hay una regulación quepermita el uso de biometano como sustituto delgas natural. De momento, solo existe regulaciónexpedida por la Comisión de Regulación deEnergía y Gas (CREG), que controlaprincipalmente el régimen de precios, laregulación de redes y la calidad del servicio y elproducto, para los gases combustibles de laprimera, segunda y tercer familia (gasesmanufacturados, gas natural y GLP,respectivamente, según clasificación de la NormaTécnica Colombiana NTC-3527) [16]. Estaconstituye la principal barrera para laintroducción del tercer biocombustible en lacanasta energética del país (después del biodiesely el bioetanol, que ya tienen su propio mercado).

Empresas como EPM S.A. (Empresas Públicasde Medellín) y Gas Natural en Bogotá, hanmanifestado su iniciativa para tratar ycomercializar biogás de rellenos sanitarios; ante

GAS NATURAL BIOMETANOCombustible de origen fósil

(no renovable)Combustible de origen renovable

Toma millones de años la descomposición de lamateria orgánica para la producción de gas

natural

La producción del biogás se realiza con materiaorgánica “fresca”, como los residuos agrícolas,

que se descomponen rápidamente.La producción de gas natural depende

únicamente de las reservas naturales, las cualesvarían de un país a otro.

Dada la materia prima necesaria para laobtención de biogás, este se producir en

cualquier parte del mundo.Interviene drásticamente en el ambiente,mediante la perforación de los suelos y la

destrucción de los hábitats.

Su producción no afecta el ambiente, nirepresenta un gran riesgo de polución o pérdida

de biodiversidad

La combustión del gas natural incrementa lasemisiones de CO2.

El Biometano también emite CO2 a la atmosfera,pero estas emisiones corresponden a las

mismas que tendría la materia orgánica endescomposición.

Ventajas del biometano frente al gas natural

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esto, la CREG expone que no se cuentan con losestándares internacionales necesarios para que elbiometano sea comercializado e inyectado a la redde gas natural, lo que significa un gran riesgo,tanto para la integridad de los sistemas detransporte y distribución, como para los equiposde los usuarios finales; incluso es un riesgo para lasalud, debido a la exposición de contaminantes ymicroorganismos patógenos, contenidos en elbiocombustible.

Pero entonces, ¿cómo logran algunos paíseseuropeos, como Alemania y Suecia, inyectarbiometano en la red de gas natural y en losvehículos? ¿Será realmente que faltan estándaresinternacionales? Quizá nuestra economía dependetanto de la industria petrolera que losbiocombustibles y el ambiente están en unsegundo plano. Además, el gobierno solo brindasubsidio para impulsar la comercialización del gasnatural; este es otro tema importante a tener encuenta cuando la regulación del biocombustiblegaseoso sea establecida.

Por otro lado, analizando el potencial del país enmaterias primas, Colombia por ser de naturalezaagrícola, tiene la ventaja de producir grandecantidades de residuos orgánicos provenientes dela agricultura. De acuerdo al Atlas del PotencialEnergético de la Biomasa Residual en Colombia[17], la cantidad de biomasa residual en el 2010 erade aproximadamente 177 millones de toneladas alaño, lo que corresponde a un potencial energéticode 450 mil TJ. Adicionalmente, los rellenossanitarios están colapsando debido a la grancantidad de residuos sólidos que se desechan sinningún tipo de separación, porquelamentablemente, en Colombia, aún no existe lacultura del reciclaje; de los 11 millones detoneladas anuales de residuos que se producen, 9millones de toneladas que podrían aprovecharse,se están convirtiendo literalmente en basura y enun problema ambiental [18].

Finalmente, es importante resaltar el hecho deque, si bien este es un proceso lento en el cualpoco a poco se va trabajando en la inclusión defuentes alternativas de energía, Colombia va porbuen camino. Sin embargo, falta mayor atenciónpor parte de los entes gubernamentales parapromover proyectos y/o investigaciones quepermitan avanzar de forma clara en laestipulación de parámetros de calidad del biogás;esto puede deberse al protagonismo que se le hadado al gas natural en las últimas décadas. Noobstante, queda la siguiente inquietud: si lasreservas actuales de gas natural en el país sugierenla necesidad de realizar inversiones para laimportación del mismo a partir de los próximosaños, ¿no sería bueno también invertir parte deese capital en promover el tratamiento masivo delos residuos orgánicos, y la depuración de biogásresultante, así como adaptar legislacioneseuropeas de acuerdo a las necesidades yrequerimientos del país en materia de calidad debiogás? De esta manera, sería posible aportar a lasolución tanto del problema de las basuras comoel del abastecimiento energético.

CONCLUSIONES

� El biometano resulta luego de unadepuración del biogás donde se retiran lasimpurezas, y presenta las mismascaracterísticas del gas natural. Además,tiene ventajas importantes como: ser deorigen renovable, posibilidad de serproducido en cualquier parte del mundo yla reducción de emisiones de gases deefecto invernadero, entre otros.

� Actualmente, Europa lleva la delantera enla utilización de biometano comocombustible (doméstico y vehicular),aunque en América, algunos paísesadelantan proyectos para elaprovechamiento del potencial energéticode los rellenos sanitarios.

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� En Colombia, el potencial energético de labiomasa residual asciende los 450 milTJ/año, cifra importante que permiteplantear la posibilidad de aprovechar losresiduos de la agricultura y de los rellenossanitarios, para la transformación de energíamediante la producción de biocombustiblesgaseosos.

� Hasta el momento no se cuenta con unaregulación que permita la inyección debiogás (o biometano) en la red nacional o lacomercialización para uso vehicular, ya quesegún la CREG no se cuenta con estándaresinternacionales y esto representa un altoriesgo para equipos y usuarios finales.

� Se hace necesaria la inversión tanto detiempo y recursos económicos por parte deentes gubernamentales, para impulsar laproducción de un tercer biocombustible,que facilite la utilización del mismo en zonasno interconectadas a la red o garantice elabastecimiento en los próximos años, dondelas reservas de gas natural comiencen aescasear.

� El biometano para Colombia representa unaalternativa sostenible para el futuro, ya queaportaría a la solución de problemasrelacionados con la disposición de losresiduos orgánicos y respaldar un posibledesabastecimiento de gas natural debido alagotamiento de las reservas actuales delcombustible fósil.

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