A lo largo de las últimas décadas, el hidrógeno ha sido identificado como un posible combustible limpio, aunque su adopción masiva se ha visto obstaculizada por la abundancia de petróleo y los bajos precios relativos de los combustibles fósiles, así como, en los últimos años, por el avance de los vehículos eléctricos con batería. Hoy en día, aunque los avances tecnológicos han permitido reducir los costes de producción y uso del hidrógeno, es esencial escalar estas tecnologías y definir una hoja de ruta para optimizar las inversiones necesarias. La transición energética actual apunta a una era de gases energéticos sostenibles, y se espera que el consumo de hidrógeno y metano renovables supere al del carbón y el petróleo en el siglo XXI. En este contexto, el hidrógeno renovable, o hidrógeno producido con bajas emisiones de CO2, emerge como una pieza clave en la descarbonización de la economía global.
El biohidrógeno es una tipología específica de hidrógeno renovable que se define como el hidrógeno producido mediante procesos biológicos o a partir de biomasa como materia prima. La biomasa, uno de los recursos renovables más abundantes en todos los continentes, está siendo objeto de creciente investigación respecto a sus usos alternativos y su valorización. Este interés se centra también en la conversión de corrientes residuales en energía, por el potencial de transformar grandes cantidades de residuos agrícolas, forestales, industriales y municipales en biohidrógeno y otros gases renovables, beneficiando así el desarrollo sostenible. La utilización eficiente de materias primas renovables derivadas de biomasa y residuos como fuente de combustible presenta claramente una oportunidad significativa para lograr un planeta más sostenible.
«Biohidrógeno. Tipología específica de hidrógeno renovable que se define como el hidrógeno producido mediante procesos biológicos o a partir de biomasa como materia prima.»
El biohidrógeno tiene características que lo convierten en un elemento renovable capaz de proporcionar energía segura, competitiva económicamente y 100% libre de emisiones de dióxido de carbono, en su producción y en su uso. A pesar de ello, la penetración de este hidrógeno bajo en carbono sigue siendo limitada. Es crucial entender las razones de esta situación, las tendencias emergentes y la ruta tecnológica que permitirá su consolidación como vector energético.
Producción de biohidrógeno
La producción de biohidrógeno ha ganado atención mundial debido a su potencial para convertirse en una fuente inagotable, de bajo coste y renovable de energía limpia. Las materias primas para su producción incluyen productos lignocelulósicos, residuos agrícolas, residuos de procesamiento de alimentos, plantas acuáticas y algas, y efluentes humanos como lodos de depuradora. Bajo el control adecuado, estos recursos se convertirán en una fuente principal de energía en el futuro. La biomasa tiene el potencial de ser una fuente importante de hidrógeno renovable, complementando otros procesos que producen biomateriales.
El método principal para obtener biohidrógeno es a partir del biometano generado en la digestión anaerobia, mediante un proceso conocido como reformado. La gasificación, por su parte, convierte la materia orgánica en gas de síntesis rico en hidrógeno. Junto a estas tecnologías termoquímicas, la producción biológica de hidrógeno, como la fermentación oscura y el uso de microalgas, ofrece métodos adicionales prometedores. La fermentación oscura utiliza bacterias anaerobias para descomponer materia orgánica y producir hidrógeno. Por otro lado, las microalgas pueden generar hidrógeno mediante biofotólisis, un proceso que convierte la luz solar y el agua en hidrógeno y oxígeno. Este conjunto de tecnologías presenta un amplio abanico de posibilidades para la producción de biohidrógeno.
Almacenamiento y distribución
El almacenamiento y distribución del hidrógeno en general, y del biohidrógeno en particular, representan aspectos cruciales en su adopción a gran escala. El almacenamiento en tanques de alta presión es, hoy en día, la opción preferida, aunque existen otros métodos, como la inyección en la infraestructura de gas actual o el almacenamiento en materiales químicos. El hidrógeno puede almacenarse en estado gaseoso o líquido, tanto en la superficie como dentro de sólidos, o en compuestos químicos portadores de hidrógeno. Estas opciones de almacenamiento buscan superar las limitaciones actuales y facilitar la adopción del hidrógeno como vector energético.
Aplicaciones y usos
El interés actual en la economía del hidrógeno se debe a sus enormes oportunidades de penetración en el sector energético, especialmente en movilidad y almacenamiento químico de energía renovable. En el caso del biohidrógeno, además, es un método eficiente de gestión de corrientes residuales orgánicas. La producción de hidrógeno renovable ha aumentado en los últimos años, utilizándose principalmente en la fabricación de amoníaco. El amoníaco renovable, además, puede usarse como medio de almacenamiento de energía, transportador de energía o combustible. La producción de hidrógeno, por tanto, no solo tiene aplicaciones industriales, sino que también ofrece soluciones energéticas innovadoras.
En el ámbito de la metalurgia, el hidrógeno se utiliza en la reducción directa del hierro para la producción de acero, y en el transporte, puede generar energía limpia en vehículos. Estas aplicaciones diversificadas demuestran el potencial del biohidrógeno para transformar sectores clave de la economía. Sin embargo, su adopción a gran escala requiere superar barreras tecnológicas, logísticas y de mercado, así como establecer políticas adecuadas para su regulación y desarrollo.
Perspectivas del biohidrógeno
El biohidrógeno, al igual que otros vectores energéticos, tiene ventajas y desventajas. Mientras que otras formas de energía ya tienen una posición establecida, el hidrógeno, y en particular el biohidrógeno, están avanzando progresivamente tratando de reemplazar opciones como el carbón o el gas natural en sectores como la energía, la industria y el transporte. El principal motivador para esto es la necesidad de reducir las emisiones contaminantes, lo cual ha generado un interés considerable en este vector energético. Sin embargo, la baja densidad energética, los costes de infraestructura e instalación y los factores asociados con la seguridad son las principales barreras que ralentizan su implementación. Aunque algunos de estos obstáculos pueden desaparecer gracias a la reducción de costes resultante de avances en la investigación, otros, como la densidad energética, no pueden ser modificados. Aquí, el uso de derivados principalmente de la industria química puede jugar un papel fundamental en el sistema energético o en el sector del transporte.
Las barreras pueden ser solucionadas o adaptadas, pero esto no se logrará sin un esfuerzo conjunto tanto del sector privado como del público. Deben existir objetivos y políticas conjuntas en aspectos como la homogenización de estándares que afectan, sobre todo, a los límites de almacenamiento. Actualmente, no hay un mercado global sólido debido a la baja demanda, que es parcialmente consecuencia de la baja generación y el consumo directo en los sitios de generación. A medida que el biohidrógeno irrumpe progresivamente, la demanda aumentará y la generación deberá realizarse a gran escala. Este incremento en la generación y la demanda hará viables las rutas de transporte de materiales, que son rentables especialmente en largas distancias. Aparecerán gasoductos, camiones y rutas marítimas específicas para el hidrógeno para satisfacer esta demanda. Con esta apertura y desarrollo de medios adaptados para el hidrógeno y el biohidrógeno, se observará un aumento progresivo en las áreas de uso potencial, donde el transporte, especialmente mediante vehículos pesados y barcos, y el almacenamiento de energía en tanques de amoníaco líquido jugarán un papel fundamental.
El biohidrógeno tiene el potencial suficiente para resolver los problemas de contaminación actuales, pero su uso generalizado no es inmediato. El cambio comienza ahora y la disposición al cambio debe ser evidente. Los próximos pasos incluyen la investigación en todos los procesos de producción de biohidrógeno para aumentar su eficiencia y, con ello, su competitividad; la integración de los puntos de contacto entre distribución y demanda; la gestión de políticas y tecnologías globales; la coordinación ante iniciativas multilaterales de sectores y la creación de una base de conocimiento que sirva como modelo para el establecimiento de iniciativas.
Más información sobre este tema en:
Hidalgo, D., Martín-Marroquín, J. M., & Díez, D. (2022). Biohydrogen: future energy source for the society. In Organic Waste to Biohydrogen (pp. 271-288). Singapore: Springer Nature Singapore.
La fermentación es quizá una de las tecnologías más antiguas que ha acompañado a la humanidad desde hace miles de años. A lo largo de la historia, son numerosas las pruebas y vestigios encontrados que demuestran el uso de la fermentación por parte de diversas culturas y civilizaciones, como una práctica común y fundamental en la producción de alimentos y bebidas, o incluso con fines medicinales y ceremoniales.
Así, por ejemplo, se han encontrado restos arqueológicos en China (7000-6600 a.c) de una bebida fermentada hecha de arroz, miel y frutas en vasijas de cerámica, o en Irán (5000 a.c.) jarras de cerámica con residuos de vino, o jeroglíficos y papiros egipcios (2500 a.c.) que describen la producción de cerveza y vino, así como su consumo en ceremonias religiosas y en la vida cotidiana.
Además, el análisis de restos botánicos (semillas, fragmentos de plantas) ha proporcionado pruebas del uso de plantas fermentadas, o más recientemente el análisis y estudio del ADN de levaduras y otros microorganismos, ha permitido tener una evidencia genética del uso de la fermentación desde antiguo. Estos métodos ancestrales sentaron las bases para el uso y evolución de una práctica que ha ido evolucionando significativamente a lo largo del tiempo.
La aplicación de técnicas biotecnológicas para la fabricación de productos farmacéuticos, biocombustibles, fertilizantes y suplementos nutricionales ha demostrado ser una herramienta milenaria que se ha adaptado y sofisticado para adaptarse a las necesidades actuales.
Desafíos globales como la sostenibilidad ambiental, la seguridad alimentaria, la escasez de alimentos, la reducción y valorización de residuos encuentran en la fermentación una herramienta poderosa para abordar estos problemas.
De este modo, el uso de diferentes microorganismos puede ser la clave a la revalorización de diferentes subproductos y residuos de la industria, transformándolos en productos de alto valor como biocombustibles (biodiésel, biogás), compuestos biodegradables (bioplásticos), o moléculas de interés (lípidos, ácidos orgánicos, colorantes, etc.) que pueden ser incorporados de nuevo a la cadena de valor contribuyendo así a una economía circular.
La fermentación puede transformar algunos subproductos agroalimentarios, que de otro modo serían desperdiciados, en productos con perfil organoléptico mejorado, al reducir o transformar compuestos no deseados que afectan negativamente al sabor y la textura. De este modo, los procesos fermentativos pueden mejorar el perfil organoléptico y, por tanto, la aceptabilidad de ciertos subproductos, para posteriormente incorporarlo de nuevo a la cadena de valor.
Otro de los retos futuros es el aumento de la población mundial que trae consigo el aumento de la demanda de proteínas y plantea retos sobre la sostenibilidad de las fuentes tradicionales de las mismas, como la carne y los productos lácteos. Aquí es donde el uso de microorganismos, en este caso la fermentación con hongos, emergen como una alternativa a las fuentes tradicionales de proteínas. La fermentación con hongos es clave para obtener microproteínas que permiten desarrollar sabores y texturas que imitan a la carne y son atractivas sensorialmente para el consumidor. Este tipo de proteínas son ricas en nutrientes de alta calidad, y además se presentan como alternativa que requiere menos recursos naturales (agua y tierra) y produce menos gases efecto invernadero.
La fermentación tiene también el potencial de mitigar la contaminación, teniendo un papel muy importante en la gestión de residuos y la reducción de contaminantes. Así, ciertos residuos orgánicos (aceites usados, residuos industriales, aguas contaminadas) pueden ser fermentados para producir biogás, fertilizantes y bioplásticos, o puede utilizarse para tratar aguas residuales reduciendo compuestos orgánicos antes de ser liberados al medio ambiente. Estos procesos pueden utilizarse también en procesos de biorremediación, tratamientos de suelos y áreas contaminadas.
Incluso otro de los problemas actuales como es la acumulación de millones de toneladas de plástico, podría tener una alternativa en el uso de microorganismos, ya que, según las últimas investigaciones, podrían utilizarse ciertas bacterias y hongos para fermentar y degradar plásticos, como el polietileno y el poliéster, o incluso utilizarlos como fuente de carbono para obtener compuestos de interés.
Por tanto, la fermentación en la actualidad no queda restringida a su uso en la industria alimentaria para la producción de alimentos fermentados. La sociedad debe reconocer y explorar las alternativas que ofrece la biotecnología, y en particular los procesos fermentativos, para enfrentar retos presentes y futuros.
Aprovechar las capacidades de bacterias, levaduras y hongos para transformar materiales residuales en productos útiles, reducir el desperdicio y la contaminación permitirán avanzar hacia un futuro más limpio y sostenible, gracias a los microorganismos, unos compañeros de viaje que desde hace miles de años han sido útiles a la humanidad, y que ahora pueden ser la solución a muchos de nuestros retos futuros.
La seguridad hídrica es un concepto esencial que se define como «la capacidad de la humanidad para proteger el acceso sostenible al agua, asegurando el bienestar, los medios de vida y el desarrollo socioeconómico.» Este concepto incluye tomar medidas para proteger los ecosistemas que proporcionan este recurso vital y asegurar los servicios ecosistémicos ligados al agua. No se trata únicamente de garantizar que haya suficiente agua, sino que también debe cumplir con altos estándares de calidad y satisfacer las necesidades agrícolas, industriales, energéticas y domésticas de una región específica.
La preservación de los sistemas ambientales, que constituyen las fuentes naturales de agua y los servicios ecosistémicos relacionados, se convierte en algo fundamental.
La Global Water Partnership1, red internacional dedicada a la gestión sostenible del agua, describe un mundo con seguridad hídrica como aquel en el que cada persona tiene acceso a agua segura y a un coste asequible para llevar una vida sana y productiva, y en el que las comunidades están protegidas contra inundaciones, sequías y enfermedades de origen hídrico. Además, añade que la seguridad hídrica promueve la protección ambiental y la justicia social frente a los conflictos que puedan surgir a causa de los recursos compartidos.
Fuente: Rául Sánchez Francés. CARTIF
La ONU ha dado una voz de alarma respecto al déficit de agua que se prevé para el futuro. Según sus estimaciones, para el año 2030 la Tierra podría enfrentarse a un déficit del 40% si no se modifican los patrones de consumo actuales. El crecimiento de la población, especialmente en áreas urbanas, ha incrementado la contaminación que afecta a la calidad del agua, no solo a través de la contaminación atmosférica, sino también por el cambio en los usos del suelo. El consumo de agua se ha duplicado en el último medio siglo, y se estima que para el 2025 al menos dos tercios de la población mundial vivirán en zonas con gran estrés hídrico.
Así mismo, el cambio climático representa un riesgo adicional para la seguridad hídrica, reduciendo la disponibilidad de agua y volviéndola cada vez más impredecible en muchas partes del mundo, lo que nos conduce a importantes problemas de abastecimiento. Además, los fenómenos meteorológicos extremos, como sequías e inundaciones, afectan a ricos y pobres, alterando sus medios de vida y modelos de producción tradicionales.
En Castilla y León, la seguridad hídrica es ya un asunto crítico, dada la importancia de nuestro sector agrícola en la producción de alimentos, que dependen en gran medida de un suministro constante de agua. La agricultura de la región basa su fuerza en la producción de cereales, vino y productos hortofrutícolas, y se está viendo afectada por la variabilidad climática, incluidas las sequías prolongadas que agotan los recursos hídricos y ponen en peligro la sostenibilidad de los cultivos. Del mismo modo, la región está experimentando un estrés hídrico creciente agravado por el cambio climático, que amenaza la producción de alimentos y afecta el equilibrio de la economía rural, lo que incide en el aumento de un problema ya de por sí acuciante como es el despoblamiento de nuestros pueblos y entornos rurales.
Los agricultores se enfrentan a un desafío cada vez más arduo: mantener la productividad en un contexto de recursos hídricos limitados. Muchos han tenido que adaptar sus técnicas, invirtiendo en riego eficiente y diversificación de cultivos para mitigar el impacto de las sequías. Sin embargo, estas soluciones tienen un costo elevado que no todos pueden asumir, lo que resalta la urgencia de encontrar enfoques más inclusivos. Aquí es donde entran en juego las Soluciones basadas en la Naturaleza(SbN), ofreciendo una alternativa sostenible a seguir.
Fuente: CARTIF
Las Soluciones basadas en la Naturaleza son vitales para abordar estos problemas de forma creativa y, al mismo tiempo, brindar beneficios adicionales en términos de sostenibilidad. La UNESCO, en su informe mundial sobre el desarrollo de los recursos hídricos, argumenta que las SbN pueden mejorar el abastecimiento y la calidad del agua al tiempo que mitigan el impacto de los desastres naturales. Un ejemplo claro son las cuencas hidrográficas y humedales restaurados, que actúan como filtros naturales para la purificación del agua. Al imitar los procesos naturales, las SbN mejoran la disponibilidad y calidad del agua, y reducen los riesgos relacionados con el agua.
Es esencial destacar la importancia de conservar los humedales y restaurar las cuencas fluviales en la región, ya que actúan como filtros naturales, mejorando la calidad del agua y regulando el flujo en tiempos de sequía. También se pueden explorar técnicas como la agro-forestería y la rotación de cultivos para mantener la fertilidad del suelo y reducir la dependencia de sistemas de riego intensivos. Estas prácticas imitan los procesos naturales y ayudan a mantener un equilibrio entre la producción y la conservación.
El Índice Global de Seguridad Hídrica (IGSH)3, que integra criterios como la disponibilidad, accesibilidad, seguridad y calidad del agua, estandariza las vulnerabilidades y riesgos hídricos, ayudando a identificar áreas prioritarias donde la acción es urgente. Este índice también resalta la necesidad de estrategias innovadoras que combinen infraestructuras verdes con soluciones tradicionales, maximizando el valor para la sociedad.
También es importante destacar la relevancia y el alcance de la seguridad hídrica en entornos urbanos, donde abarca cinco dimensiones: la ambiental, la doméstica, la económica, la urbana y la resiliencia ante desastres naturales. Todos estos aspectos convierten la falta de seguridad hídrica en uno de los mayores riesgos para la prosperidad global y subrayan la necesidad urgente de cuidar del recurso natural “agua”. Esto implica una gestión sostenible, consumo responsable, lucha contra la degradación y la reutilización.
Proyecto NATMED. FIA system (Forested Infiltration Area). SbN implementadas en Sassari (Cerdeña – Italia). Fuente: Raúl Sánchez Francés.
En el Área de Recursos Naturales y Clima de CARTIF, desarrollamos diversos proyectos relacionados con la gestión sostenible del agua como base del aseguramiento hídrico, tanto para consumo humano como para consumo en agricultura.
Coordinamos el proyecto PRIMA NAT-med, en el que pretendemos desarrollar, implementar y validar un conjunto de Soluciones basadas en la Naturaleza, combinadas en SbN de Ciclo Hídrico Íntegro (FWC-NbS por sus siglas en ingles), integradas en las infraestructuras de agua existentes (grises o naturales) y basadas en fases específicas del ciclo del agua, para optimizar la provisión de servicios ecosistémicos relacionados con el agua (calidad y cantidad) y servicios ecosistémicos dependientes del agua (aspectos sociales, económicos y ambientales), empoderando a los actores y las comunidades locales de la región mediterránea. NATMed también demostrará el efecto de las diferentes SbN-CCA en cinco casos de estudio ubicados en España, Grecia, Italia, Turquía, Argelia.
Del mismo modo, a través de nuestra labor de coordinación del proyecto CIRAWA, trabajamos en 8 regiones de Cabo Verde, Ghana, Senegal y Gambia para mejorar la agricultura mediante el desarrollo de nuevas prácticas basadas en la agroecología que se apoyan en el conocimiento local y científico existente para ayudar a crear cadenas de suministro de alimentos más resilientes en el Oeste de África, y donde el manejo sostenible del recurso agua es esencial.
Proyecto CIRAWA. Puntos de acceso al agua para agricultura en la Isla de Maio (Cabo Verde). Fuente: Raúl Sánchez Francés.
Desde el Área de Recursos Naturales de CARTIF, como otros muchos “guardianes del agua” trabajamos por y para la mejora de la seguridad hídrica, empleando las Soluciones basadas en la Naturaleza, como parte de nuestro compromiso vital con el futuro del planeta. Solo a través de una gestión inteligente y colaborativa podremos construir un mundo en el que cada persona tenga acceso al agua y pueda vivir con dignidad, garantizando que las generaciones futuras también lo disfruten.
1 https://www.gwp.org/
2 WWAP & ONU-Agua. (2018). Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2018: Soluciones basadas en la naturaleza para la gestión del agua. París: UNESCO.
En la lucha contra el cambio climático, la innovación tecnológica se presenta como uno de nuestros aliados más poderosos. Una de las áreas más prometedoras y desafiantes en este sentido es la transformación del dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero prevalente, en materias primas útiles para la industria y el transporte. Este enfoque no solo promete mitigar las emisiones de gases efecto invernadero, sino que también abre la puerta a una economía circular donde los residuos se convierten en recursos.
Desafíos y oportunidades del CO2 como materia prima para industria
El CO2 es el principal contribuyente al calentamiento global, producto que surge principalmente de la quema de combustibles fósiles y la deforestación. La concentración de CO2 en la atmósfera ha alcanzado niveles sin precedentes, lo que hace imperativo encontrar maneras efectivas de reducir estas emisiones. La captura y utilización de CO2 se presenta como una estrategia prometedora, transformando este gas en productos valiosos, lo cual podría revolucionar sectores como el transporte y la manufactura, reduciendo significativamente nuestra huella de carbono.
Conversión de CO2 en productos de valor añadido: tecnologías clave para afrontar el reto de la descarbonización de la industria y la economía
La transformación del CO2 en materias primas implica varios métodos, entre los que destacan la electroquímica, la catálisis y la biotecnología. Estas tecnologías buscan convertir el CO2 en combustibles, plásticos, materiales de construcción y otros químicos industriales, que básicamente se clasifican en tres tipos:
Biotecnología: basadas en procesos biológicos de fermentación con sustrato en fase gas-líquido. Utiliza organismos modificados genéticamente, como microalgas y bacterias, para absorber CO2 y convertirlo en biocombustibles y productos químicos. Esta aproximación ofrece el potencial de procesos altamente sostenibles que pueden operar en condiciones ambientales.
Metanol
Tecnología electroquímica: basada en la utilización de energía eléctrica y diferencia de potencial entre dos electrodos para reducir el CO2 en productos químicos de valor añadido (por ejemplo, metanol, ácido fórmico, etc.), que puede ser utilizado como combustible de tipo e-fuel, moléculas verdes portadoras de H2, o precursores químicos para uso industrial. La eficiencia de estos procesos ha mejorado significativamente, pero aún enfrentan desafíos en términos de escalabilidad y costos.
Procesos químico-catalíticos: basados en el uso de catalizadores para activar y acelerar la reacción química y transformación del CO2 en productos de valor añadido (metano, metanol, dimetil-éter, etc.). Las líneas de investigación actuales están explorando nuevos catalizadores que puedan operar a bajas temperaturas y presiones, haciendo el proceso más energéticamente eficiente y económicamente viable.
Por otra parte, la transformación de CO2 enfrenta obstáculos técnicos, económicos y regulatorios. La eficiencia energética, la reducción de costos y la integración de estas tecnologías en la infraestructura existente son desafíos clave. Además, se requiere un marco regulatorio que promueva la inversión en estas tecnologías y la utilización de productos derivados del CO2.
A pesar de estos desafíos, la captura y usos de CO2 como fuente de carbono renovable y para contribuir a la descarbonización de la industria y el transporte, ofrece una oportunidad sin precedentes para mitigar el cambio climático y avanzar hacia una economía más sostenible y circular. Al convertir un problema en una solución, podemos desbloquear nuevas vías para la sostenibilidad ambiental, la innovación tecnológica y el crecimiento económico. La colaboración entre gobiernos, industrias y comunidades científicas será fundamental para superar estos desafíos y aprovechar el potencial de estas tecnologías para un futuro más verde.
Proyectos de I+D comoCO2SMOS, coordinado por el área de Biotecnología y Química Sostenible de CARTIF, tiene como objetivo desarrollar un conjunto de tecnologías innovadoras, escalables y directamente aplicadas en el sector de las industrias bio-basadas que ayudará a convertir las emisiones de CO2 biogénico en productos químicos de valor añadido para su uso directo en la síntesis de bioproductos materiales de baja huella de carbono. Para ello, se propone una solución híbrida integrada que combina tecnologías innovadoras y procesos intensificados de conversión electroquímica/catalítica y fermentación de precisión, junto con el uso de fuentes de vectores renovable como H2 verde y biomasa. Elementos clave para alcanzar el objetivo de cero-emisiones y neutralidad climática de la industria.
Cada día se oye más hablar del biogás como fuente de energía, pero ¿qué es el biogás y qué diferencia hay con el gas natural? La diferencia está en que el gas natural es un combustible fósil, mientras que el gas biogénico es renovable.
El gas natural se formó hace millones de años, en la época de los dinosaurios, como el petróleo o el carbón. La acumulación de plancton y restos de animales y vegetales en el fondo marino, enterrados por capas de tierra, provocó que se produjera en condiciones anaerobias, es decir, sin oxígeno.
Las bacterias descompusieron la materia orgánica y los gases generados ascendieron. En los casos en los que había una capa impermeable, se acumularon surgiendo bolsas o yacimientos de gas. Por tanto, es un recurso finito, una vez que se agote, ya no habrá más para abastecer las demandas energéticas humanas.
El gas natural, está formado sobre todo por metano, etano y dióxido de carbono, aunque suele tener otros componentes o impurezas, por lo que la energía se obtiene por combustión. Con respecto a otros combustibles fósiles, es más eficiente y más limpio en cuanto a emisiones, aunque depende de las impurezas.
El gas biogénico también se produce por descomposición de materia orgánica bajo la acción de bacterias, en ausencia de oxígeno, por eso también se le llama Gas Natural Biogénico, pero en este caso es un tanque con condiciones controladas de temperatura y presión.
Pero en el gas biogénico, la materia orgánica utilizada, proviene de subproductos de granjas, cultivos o industrias, por lo que es una energía renovable. La composición del gas biogénico es similar, pero con menos impurezas, ya que se mejora la calidad mediante upgrading, que está explicada en esta entrada de nuestro blog.
Además, el gas natural está a miles de kilómetros, sin embargo, el gas biogénico puede producirse en tanques de pequeñas dimensiones para autoabastecimiento, por ejemplo, en una granja, o a gran escala en una depuradora, y se puede aprovechar la canalización ya existente del gas natural.
Puede parecer que son todo ventajas, pero no es así. Por ese motivo, CARTIF organizó el pasado 20 de marzo de 2024 la primera reunión de la Comunidad de Prácticas dentro del proyecto Horizonte Europa CRONUS.
Las Comunidades de Prácticas, consisten en la agrupación de distintos actores del sector del biogás, como son las universidades, centros de investigación, productores o distribuidores, entre otros y ejercen de portavoces del sector tanto para los ciudadanos como para las administraciones, haciendo una valoración de las fortalezas y debilidades, de las facilidades y las barreras del uso del biogás con el fin de hacer un uso responsable en toda la cadena de valor.
En esta primera reunión, se afrontaron tres retos principales:
Materias primas
Tecnología
Normativa: Logística, Productiva, Social
PRIMER RETO, MATERIAS PRIMAS
En el primer reto, se trató el tema de las materias primas. En la actualidad no hay problemas para encontrarlas, pero sí para abastecerse. La pregunta es: ¿es un límite de logística o de cantidad? Por accesibilidad, no es igual de accesible en montaña que en meseta, y por tamaño de planta y proveedor.
También preocupa que, en el futuro, debido a la ley de la oferta y la demanda se alcancen precios desorbitados tanto en la materia prima como en el transporte. Es necesario empezar a regular y organizar el mercado para asegurar un suministro, en el que toda la cadena de valor se beneficie.
Es importante considerar el potencial metanogénico, es decir, cuánto gas puede producir una planta con una determinada materia prima, esto determina su viabilidad, por ello las materias primas deben cumplir unos estándares y heterogeneidad todo el año, para obtener una producción constante, tanto en calidad como en cantidad.
Esto llevo a la cuestión de la conveniencia de la alimentación con una sola materia prima o varias. En algunos casos, es necesario hacer un pretratamiento de estas y debido a la complejidad técnica no resulten rentables, por lo que tener flexibilidad en el uso de materias es una ventaja.
Lo que más preocupa es la inyección en la red, se encuentran problemas a la hora de incorporar el gas producido dentro de la red de distribución nacional existente, en algunos casos hace que se favorezca el autoconsumo del gas, pero en otros, el desaprovechamiento de esta fuente de energía.
Es una tecnología madura, pero aún hay innovación por hacer, sobre todo con las bacterias. Todavía se descubren puntos de mejora como nuevas cepas, y hacen conocer mucho mejor el proceso y, por tanto, su eficiencia.
Al fin y al cabo, es una inversión, por lo que hay que medir concienzudamente el riesgo y rentabilidad vs. las barreras administrativas y legales, y aunque cada vez más son los que se decantan, serían más si hubiera un empujón financiero con subvenciones pero que no sean la base del producto.
SEGUNDO RETO, TECNOLOGÍA
El segundo reto tenía como objeto el conocer las opiniones sobre el prototipoFP5 que se está desarrollando en CARTIF dentro del proyecto CRONUS.
Los asistentes expertos destacaron que compite directamente con el upgrading, por lo que, económicamente puede que no resulte viable a gran escala, pero si para plantas pequeñas, pero es una buena solución, ya que no necesita pasar un proceso de purificación tan grande.
Por otro lado, necesita una etapa de hidrolisis, que requiere energía, pero es un proceso autosostenible, por lo que es capaz de autoabastecerse. Ya que es muy importante que la tecnología favorezca la rentabilidad, ya que el dinero siempre es un limitante, tanto para el desarrollo como para la producción.
Se destacó su punto fuerte y es que puede valorizar y reducir el CO2 generado en la DA, obteniendo un biometano de más calidad que mediante procesos tradicionales, sobre todo porque es más interesante la cogeneración que el gas para la venta.
Como es la primera reunión solo se pudo ver el prototipo de laboratorio, por lo que percibieron que podrían darse problemas en el escalado en los electrodos, ya que tienen que ser más grandes, y no hay tecnología para la digestión anaerobia asistida por célula de electrólisis microbiana en el mercado (MEC-AD), pero CARTIF ya comentó que hay más opciones de integrar la MEC en el digestor.
También se planteó la posibilidad de problemas al tener que reiniciar la planta, tras una parada, que pueda ser lenta y compleja, pero se trata de un sistema continuo por lo que no será tan lento.
La Comunidad se muestra optimista con prototipoFP5 de CARTIF y están deseosos de poder ver su avance en las próximas convocatorias.
TERCER RETO, NORMATIVA: LOGISTICA, PRODUCTIVA, SOCIAL
En este reto, es donde hubo mayor participación y unanimidad. Parece que la Administración no está avanzando tan rápido como lo está haciendo el gas biogénico. Siendo una barrera el tiempo de tramitación, que puede llegar a tres años la aprobación del proyecto, a lo que hay que sumar las autorizaciones ambientales, y el tiempo dedicado al proyecto de ingeniería de la planta.
Esto podría mejorar con una legislación que favorezca el autoconsumo como primas o pagos de generación y venta de energía. Sería interesante que se hiciera un mapeado de producción de residuos de todo el país.
En el caso de Castilla y León, existe la obligatoriedad de convertirse en gestor de residuos autorizado y limitaciones en la distancia máxima permitida para transporte de digerido, igual que en el transporte de purines, lo que demuestra que la administración está preparada.
Pero falta revisar la definición de residuos, para poder revalorizar subproductos para su uso en la digestión anaerobia y también del digestato resultante ya que tienen muchos usos potenciales, como el stirpping/scrubbing o la cristalización de estruvita, que incluso pueden considerarse productos ecológicos, como fertilizante.
Las materias primas, como el purín, deben ser usados con responsabilidad debido a la contaminación de los acuíferos por nitratos, por lo que el uso para la generación de biogás es una solución para este residuo, además el digestato resultante se podría revalorizar como fertilizante o como ingrediente de compost.
La demanda creciente del biogás, pone de manifiesto la necesidad de las granjas de modernizarse, y así aumentar sus ingresos con la venta de residuos y disminución de gastos energéticos al usar el biogás.
Por otro lado, se ve la necesidad de que la Administración actualice con formación específica a sus técnicos, ya que, a la hora de evaluar un proyecto, no hay claridad en los criterios, normas y procedimientos administrativos a aplicar, habiendo diferencias entre técnicos.
En definitiva, se necesita más apoyo de la Administración, sobre todo con las empresas privadas que controlan las redes de distribución y que establecen los requisitos técnicos y económicos de conexión e inyección a la red, traduciéndose en condiciones técnicas y económicas abusivas. La Comunidad de Prácticas considera esta barrera fácil de eliminar.
Existe falta de difusión y de conocimientos, por lo que los ciudadanos lo asocian a malos olores, movimiento ruidoso de camiones y falta de seguridad, por lo que la Comunidad de Prácticas está haciendo una buena labor con la difusión y concienciación de la sociedad del funcionamiento del gas biogénico y de la tecnología que lleva asociada.
Existen barreras tanto urbanas como rurales, cada una con su complejidad, además de que cada Comunidad Autónoma tiene su regulación al respecto, por lo que hay que abordar de manera individual cada planta en cada área, mediante jornadas, participación ciudadana, red de interacción de los ciudadanos de otras zonas que ya tengan esta tecnología implantada, pero sobre todo con transparencia. La realidad es que el desarrollo del gas biogénico, aportará su granito de arena, a la repoblación rural, generación de puestos de trabajo, así como la producción de energía y al desarrollo de la Economía Circular, siendo un tema pendiente en la agenda 2030.
La mayoría de los plásticos que se utilizan actualmente en el mundo proceden de fuentes no renovables y biodegradables. En un esfuerzo por reducir el impacto de los plásticos en el medio ambiente, desde hace décadas, se estudian métodos alternativos de producción y gestión de residuos. Varios microorganismos tienen la capacidad de producir plásticos de forma natural, utilizando diferentes sustratos, que son biodegradables y biocompatibles en determinadas condiciones.
Durante los últimos años, la fermentación acidogénica para la producción de ácidos grasos volátiles (AGV) se ha identificado como un enfoque prometedor para utilizar los residuos orgánicos como un recurso valioso. Los AGV tienen un amplio potencial de aplicaciones que van desde la fuente de carbono para el proceso de eliminación biológica de nutrientes hasta el uso como recurso bioenergético para la generación de hidrógeno y biocombustibles líquidos. Los flujos ricos en AGV producidos a partir de la fermentación de residuos orgánicos también pueden utilizarse como precursores de biopolímeros en la industria de los bioplásticos, ya que constituyen una materia prima adecuada para la producción de polihidroxialcanoatos (PHA).
Para hacer frente al creciente problema de la generación de biorresiduos y a la creciente demanda de materias primas de origen biológico, el proyecto ELLIPSE, en el que CARTIF está inmerso, trabaja en el sector de la biotecnología con el objetivo de valorizar flujos heterogéneos de residuos generados en cantidades significativas en Europa, los residuos de matadero (contenidos en la panza o el rumen) y los lodos de papel y pulpa, para producir polihidroxialcanoatos (PHA) rentables para aplicaciones agrícolas y de cuidado personal, mediante el coprocesamiento con otros residuos orgánicos como los lodos de la industria láctea y el glicerol de la industria del biodiésel, así como la recuperación de nutrientes para producir fertilizantes de base biológica. La integración de estos flujos de residuos como materias primas de biorrefinería permitirá reducir los volúmenes de residuos depositados en vertederos, abrir nuevas vías para la producción de productos químicos y bioplásticos y, al mismo tiempo, crear ingresos adicionales para las industrias relacionadas que los generan, con las ventajas añadidas del reciclado del agua, la disminución de la degradación del suelo, la contaminación de las aguas subterráneas y las emisiones de metano.
El PHA pertenece a una familia de polímeros 100% de origen biológico con propiedades de biodegradabilidad versátiles en la mayoría de los entornos, reciclables y que presentan una amplia gama de propiedades físicas y mecánicas en función de su composición química, desde el poli (3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV) muy flexible, hasta el polihidroxibutirato (PHB) rígido, mostrando propiedades similares a algunos materiales de origen fósil como el polipropileno (PP) y el polietileno (PE) y mejores propiedades de barrera a gases y líquidos que otros bioplásticos como el ácido poliláctico (PLA), siendo una buena alternativa biodegradable y compostable en aplicaciones agrícolas y de cuidado personal.
Figura 1. ELLIPSE diagrama resumen del proceso
Uno de los objetivos es maximizar la producción de AGV derivados de la fermentación acidogénica y para ello se pretende optimizar el proceso utilizando tecnologías innovadoras, como el uso de un biorreactor anaerobio de membrana (AnMBR). El proyecto contribuye a la economía circular promoviendo la sostenibilidad y el residuo cero demostrando la viabilidad técnica de la recuperación de nutrientes de la corriente residual (digestato) a través de un proceso híbrido autótrofo-heterótrofo de cultivo de microalgas, lo que genera a su vez la producción de un biofertilizante.
El proyecto cuento con cinco fases que tratan sobre el pretratamiento de residuos y obtención de AGV, producción de PHA, aplicaciones posibles de bioplásticos, estudio de análisis de ciclo de vida y explotación de los resultados.
Figura 2. Fases del proyecto ELLIPSE
Plantas piloto del proyecto ELLIPSE
En el piloto 1 se realizará el pretratamiento y valorización de lodos procedentes de la transformación de residuos de matadero para la producción de envases rígidos y mantillo de plástico. Se llevará a cabo una codigestión de materias primas con el objetivo de garantizar las condiciones más óptimas para producir AGV.
Figura 3. Esquema de la metodología aplicada en los Pilotos 1 y 3 del proyecto ELLIPSE.
El piloto 3 se desarrollará simultáneamente al piloto 1 para recuperar nutrientes N y P con vistas a la producción de biofertilizantes. Se validarán tecnologías diferentes:
La tecnología biológica del sistema híbrido de cultivo autótrofo y heterótrofo de microalgas, y los métodos físicos de tecnología de membrana de impulsión a presión (ultrafiltración y ósmosis inversa) y contactores de membrana, para recuperar el amoniaco, como sulfato de amonio.
El piloto 2 realizará el tratamiento y valorización de residuos de la industria papelera para producir recubrimientos de bioplásticos para el sector del cuidado personal y la agricultura.
Figura 4. Esquema de la metodología aplicada en el piloto 2 del proyecto ELLIPSE
La demostración de la posibilidad de transformar flujos complejos de biorresiduos en productos biodegradables y de base biológica de alto valor en múltiples sectores, acompañada de la validación de múltiples rutas de fin de vida para los productos de base biológica y biodegradables logrados en el marco del proyecto, proporcionará resultados novedosos y tangibles para seguir fomentando la concienciación pública y la aceptación de soluciones biodegradables y de base biológica. Aparte de todo esto, durante el proyecto ELLIPSE la industria papelera podrá utilizar productos (papel recubierto de PHA para envases flexibles como contrapartida del actual papel recubierto de PE) producidos a partir de sus residuos. Este es un buen escaparate para la economía circular y tiene el potencial de aumentar la concienciación y la aceptación de las soluciones de base biológica.
