El uso del biogás como combustible renovable en motores de cogeneración

Nuestra industria energética se enfrenta al reto de suministrar energía que sea tanto fiable como respetuosa con el medioambiente de manera que se pueda combatir el cambio climático. Conseguir estos objetivos necesita tanto una gestión económica de la energía existente como un mayor uso de energías renovables.

Dentro de esas energías renovables podemos incluir el uso del biogás como combustible renovable. El biogás se produce en la naturaleza tras la descomposición de materia orgánica bajo unas condiciones anaeróbicas, esto es, en pantanos, en las orillas de lagos y ríos y en el tracto digestivo de determinados animales, por lo que la generación de este combustible se produce de manera natural. 

Evidentemente, este biogás que se produce en la naturaleza no puede ser utilizado directamente como combustible. Sin embargo, el uso de digestores en los que se produce la descomposición de materia orgánica de forma controlada permite almacenar el biogás generado para su utilización como tal. En algunos casos, y en función del uso al que esté destinado el biogás, puede ser necesario un tratamiento de limpieza y acondicionamiento.

Como hemos comentado anteriormente, el biogás se forma bajo condiciones anaeróbicas en un proceso que atraviesa distintas fases. Prácticamente la totalidad de la materia orgánica se puede descomponer mediante la fermentación. Los microorganismos involucrados en este proceso se adecuan al sustrato. Como la fermentación se produce en un ambiente húmedo, el biosustrato debe tener un contenido de aproximadamente un 50% de agua. 

Durante el proceso de fermentación, las sustancias disueltas se descomponen en forma de ácidos orgánicos, alcohol, hidrógeno, amoniaco, ácido sulfhídrico y dióxido de carbono. Posteriormente, las bacterias convierten las sustancias en ácido acético y ácido fórmico y, en el proceso de metanogénesis, las bacterias se adhieren al ácido y forman el metano (4 HCOO H =>CH4 + 3CO2 + 2H2O), reduciéndose al mismo tiempo la cantidad de CO2 mediante el hidrógeno para formar también así el metano (CO2 + 4H2 => CH4 + 2H2O).

Con mucha frecuencia se utiliza el estiércol como sustrato para la producción del biogás. Estos llamados cofermentos se pueden añadir para incrementar la producción gas y además permiten que la producción de este se homogenice. Las características del biogás que se produce variarán según las materias orgánicas que se incorporen al digestor.

La composición y calidad del biogás dependen intrínsecamente del tipo de materia prima utilizada y del proceso de control que se lleva a cabo. Los componentes nocivos, tales como el sulfuro, el amoniaco y, en casos muy aislados, el silicio y sus componentes impiden el uso del biogás, ya que estos podrían provocar daños graves como son el desgaste y la corrosión en motores de combustión interna, en caso de que sobrepasen los límites preestablecidos. Para acondicionar el biogás se incorporan diferentes sistemas de limpieza y tratamientos que reducen los valores de los componentes nocivos hasta niveles aceptables que disminuyen la posibilidad de que dañen a los motores de combustión interna.

Cuando el biogás se utiliza como combustible en los motores de combustión interna, cabe la posibilidad de generar energía eléctrica y adicionalmente aprovechar el calor residual, de refrigeración y de los gases de escape. En el caso de la utilización del calor de los gases de escape, la temperatura de estos a la salida del sistema de intercambiado de calor no debe estar por debajo de los 150 a 180°C, ya que esto daría como resultado la aparición de condensados ácidos en los intercambiadores y en el sistema de conductos de gases de escape.

Según el IDAE, en España hay 146 instalaciones de biogás con una producción energética de 2,74 TWh. Estas 146 instalaciones se reparten en vertederos, estaciones de depuración de aguas residuales y a distintos sectores como son el sector del papel, el químico, el alimentario y otros. A pesar de que aún existe una gran diferencia si nos comparamos con los países de nuestro entorno, en el resto de Europa hay cerca de 19.000, nuestro país cuenta con un gran potencial en sectores como el agropecuario, el agroalimentario y en la gestión de residuos.

Ya a finales de la década de los ochenra, Caterpillar Energy Solutions, en aquel momento Deutz Iberia, empezó a suministrar e instalar en España motogeneradores que usaban el biogás como combustible y desde entonces cuenta con más de un centenar de motores instalados en España y Portugal, la mayoría en vertederos, estaciones de depuración de aguas residuales y plantas de tratamiento de residuos (municipales, ganaderos, agrícolas, alimentario, etc.).

Bien es cierto que los motores que usan biogás como combustible presentan una serie de escollos, pero estos son fácilmente salvables gracias al uso correcto de materiales y de soluciones y tratamientos específicos. Quizás, la corrosión sea uno de los problemas más habituales que se pueden encontrar en este tipo de motores. Esta corrosión se produce principalmente por el alto contenido de humedad del biogás, pero no es el único desencadenante de la corrosión, ya que durante el proceso de combustión, el H2S se oxida en dióxido de azufre y esto también causa corrosión en partes y piezas metálicas del motor en contacto con el gas. Es por ello que los motores que emplean biogás como combustible tienen que fabricarse con materiales más resistentes a la corrosión y se debe hacer uso de soluciones como la enfriadora de biogás mediante la cual se enfría el biogás de tal manera que se puede separar el agua condensada y paliar así el exceso de humedad. 

Además, la contaminación del aceite lubricante con el dióxido de azufre suele ser otro de los problemas más frecuentes ya que se acortan significativamente los intervalos de cambio de aceite necesarios. Para evitar este problema se puede recurrir a los tratamientos de biogás como los filtros de carbón activo.

Caterpillar Energy Solutions ofrece una amplia gama de motogeneradores en un rango de 400 a 4.500 kWe, los cuales pueden adaptarse a las fluctuaciones en la composición química del biogás. Especialmente para los requisitos del biogás, la empresa ha desarrollado la tecnología que permite hacer el mejor aprovechamiento del biogás, lo que garantiza un uso más eficiente de los recursos y, por tanto, una mayor economía. Otro factor decisivo es la mayor vida útil de los componentes. Esto se consigue mediante la utilización de materiales específicos y la aplicación de tratamientos de las superficies interiores de los conductos de mezcla y, en especial, de los enfriadores.

Además, las aplicaciones de gas MWM funcionan con una presión de entrada de gas muy baja y mantienen una alta eficiencia incluso en las condiciones más duras. Sus avanzados sistemas no requieren el uso de compresores de entrada de gas que consumen energía eléctrica, por lo que ofrecen una mayor eficiencia, una construcción más sencilla y una reducción de los costes de inversión.

Caterpillar Energy Solutions lleva décadas apostando por la fabricación de motores optimizados para funcionar con todos los tipos de biogás, ya que es un combustible fiable y que permite el máximo aprovechamiento de los residuos generando electricidad y calor de manera ecológica y limpia. Gracias a los muchos años de experiencia y a las innumerables referencias (en todo el mundo hay más de 3.000 grupos motogeneradores instalados en proyectos de biogás, con una potencia total de más de 2.400 MWe), MWM tiene un profundo conocimientos sobre los más diversos tipos de requisitos para los proyectos de biogás.

 

Datos técnicos de los motogeneradores MWM a 50 Hz para funcionamiento con biogás (NOx ≤ 500 mg/Nm3 al 5% O2):