Biogás limpio, medible universalmente
Investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) han desarrollado un nuevo método de análisis que detecta incluso las cantidades más pequeñas de impurezas críticas en el biogás. Incluso las pequeñas plantas de biogás pueden utilizar el método sin grandes inversiones, lo que favorece la transición energética.
El mercado del biogás está creciendo: según la Oficina Federal de la Energía, Suiza inyectó 471 gigavatios hora de esta fuente de energía en la red de gas natural el año pasado, aproximadamente el doble que hace diez años. Esto también aumenta la necesidad de poder medir con rapidez y fiabilidad las impurezas del biogás, ya que el gas verde está sujeto a estrictos criterios de calidad.
Los investigadores del Centro de Ciencias Energéticas y Medioambientales del PSI tienen ahora una solución a este problema. Por primera vez, han desarrollado un método analítico que detecta simultáneamente las dos impurezas más críticas del biogás: compuestos de azufre y siloxanos. Presentan su método en la revista Progress in Energy.
Producción nacional
Más de 160 plantas de biogás en Suiza producen la valiosa mezcla gaseosa a partir de residuos, purines y estiércol; además, hay cientos de plantas de tratamiento de aguas residuales que fermentan los lodos de depuradora en torres de digestión para producir gas de depuradora con una composición similar, una subespecie del biogás.
El gas verde se compone de entre un 50% y un 75% de metano y al menos una cuarta parte de dióxido de carbono. Al separar el dióxido de carbono se produce biometano, que puede introducirse en la red de gas natural. Sin embargo, el biogás -y, por tanto, también el biometano- puede contener muchas impurezas en apenas millonésimas partes. "A pesar de su ínfima concentración, causan enormes problemas", afirma Ayush Agarwal, que analizó el biogás en su tesis doctoral en el PSI y es el primer autor del estudio.
Los compuestos orgánicos de azufre, por ejemplo, son temidas sustancias interferentes: Se forman cuando las bacterias descomponen proteínas que contienen átomos de azufre. Los siloxanos, en cambio, son compuestos que contienen silicio y que hacen que los geles de ducha, por ejemplo, tengan un tacto agradable sobre la piel. Los siloxanos también se tiran por el desagüe con el gel de ducha y acaban en la depuradora y, en última instancia, en el biogás.
Veneno puro para las pilas de combustible
Si el biometano se quema para generar energía, por ejemplo en calderas de gas, los siloxanos reaccionan de forma extremadamente indeseable: Forman dióxido de silicio, un componente de la arena y uno de los compuestos más estables del planeta. "Por ejemplo, los sistemas de combustión necesitan más energía para calentar la misma cantidad de agua", explica Agarwal. Es como una tetera obstruida por la cal.
Los siloxanos y los compuestos orgánicos de azufre también han impedido hasta ahora el uso del biometano en una pila de combustible. Las pilas de combustible producen electricidad a partir de gases ricos en energía, pero los compuestos de azufre son puro veneno para ellas. Por tanto, actualmente no es posible hacer funcionar pilas de combustible con biometano. Las impurezas también interfieren en la transformación del biogás en biometano que pueda verterse a la red. En resumen: "Incluso en trazas, los siloxanos y los compuestos orgánicos de azufre son perjudiciales".
Medidas para mejorar
En Suiza, como en el resto de Europa, se aplican límites estrictos a los compuestos de azufre y siloxanos en el biogás, un requisito previo para verter biometano a la red pública de gas y para operar plantas de biogás como proveedoras de combustible.
Las plantas de biogás más grandes disponen de sistemas de purificación para eliminar las sustancias indeseables del gas. Los operadores utilizan equipos analíticos para medir la composición del biogás y comprobar así el funcionamiento de los sistemas de purificación. Una buena analítica es, por tanto, un requisito previo para que todo el sistema de biogás funcione: "Sólo se puede mejorar algo si se puede medir bien", resume Agarwal.
Como parte de su tesis doctoral en el Centro de Ciencias Energéticas y Medioambientales del PSI, el científico desarrolló un método analítico robusto que detecta simultáneamente siloxanos y compuestos orgánicos de azufre, hasta trazas de quince milmillonésimas, lo que significa que hay exactamente quince moléculas de la impureza por cada mil millones de moléculas, una cantidad realmente ínfima.
Impulso para la transición energética
Los investigadores del PSI también han desarrollado una solución práctica para las pequeñas plantas de biogás que no disponen de analizadores in situ. Las muestras de biogás pueden tomarse con un dispositivo móvil que disuelve los gases en un líquido. Está demostrado que incluso pequeñas cantidades de impurezas permanecen en el líquido durante al menos 28 días, tiempo suficiente para enviar las muestras a un laboratorio de análisis para su medición.
La aplicabilidad universal del método de análisis permite utilizarlo ampliamente en todo el país y fomentar así el uso del biogás. "Este es un buen ejemplo de cómo realizamos investigación aplicada en el PSI que aporta soluciones concretas a los retos actuales", afirma Christian Ludwig, también investigador del Centro de Ciencias Energéticas y Medioambientales y coautor del estudio.
Cómo funciona el método
Un dispositivo de cromatografía de gases separa primero los componentes del biogás. A continuación, se analizan uno a uno mediante un método denominado "espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo". En este proceso, los componentes de la muestra se vaporizan, se descomponen en sus componentes atómicos y se convierten en partículas cargadas. A continuación, el espectrómetro de masas registra los isótopos de los distintos elementos y los cuantifica.
El truco está en que el aparato sólo registra elementos muy específicos, previamente seleccionados, e ignora todos los demás. Esto permite detectar el azufre y el silicio, incluso en cantidades muy pequeñas, junto con otros compuestos del biogás. "Que sepamos, es el primer método de este tipo que puede determinar simultáneamente compuestos de azufre y silicio", afirma Agarwal.
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