Las crisis sanitaria y energética mundiales de los últimos seis años, junto con la guerra en curso en Ucrania, la inestabilidad recurrente en Oriente Medio y las recientes presiones ejercidas por la Administración estadounidense, han puesto de manifiesto debilidades estratégicas clave en Europa y España.
En este contexto, la crisis del suministro energético derivada de la pandemia de COVID-19, sumada a la reducción de las importaciones europeas de gas natural ruso y a la volatilidad de los precios del petróleo y el gas, ha impulsado la puesta en marcha de diversas iniciativas destinadas a garantizar la autonomía estratégica de Europa en materia de producción de energía.
De hecho, las importaciones de gas natural representan el 97,6 % del consumo total de gas natural en la UE-27. El programa RePowerEU, lanzado por la Comisión Europea en 2022 (CE, 2022), estableció el objetivo de producir 35 billones de metros cúbicos (bcm) de biometano para 2030, una cifra muy alejada de la capacidad instalada actual de 8,2 bcm (provenientes de 1975 plantas) en Europa.
En España, el número de proyectos de plantas de biogás basadas en digestión anaerobia de residuos y aguas residuales ha aumentado rápidamente en los últimos dos años, alcanzando una inversión de 4.800 millones de euros con el fin de cumplir la Hoja de Ruta del Biogás en España (MITECO, 2022).
Sin embargo, la producción de biogás mediante digestión anaerobia está limitada por la disponibilidad de residuos orgánicos biodegradables, y su expansión se enfrenta a una fuerte oposición social en las zonas rurales, motivada por la preocupación ante los malos olores, el aumento del tráfico pesado asociado al transporte de residuos y la contaminación de las aguas subterráneas por nitratos.
En este contexto, la combinación de procesos como la gasificación de residuos y metanización del gas de síntesis generado representa una alternativa prometedora para la producción de biometano, que permitiría utilizar biomasa de difícil digestión (no biodegradable) —como biomasa leñosa residual, plásticos o la fracción sólida de los digestatos, minimizando la lixiviación de nutrientes y posibles molestias por olores.
La gasificación es un proceso termoquímico llevado a cabo a alta temperatura y con aporte limitado de oxígeno que transforma materia orgánica en un gas combustible (gas de síntesis) y productos sólidos. Esta tecnología, desarrollada originalmente para el procesamiento de carbón, se emplea ahora en el sector de la energía sostenible y constituye una alternativa prometedora a la digestión anaerobia para la producción de biometano, aunque su implementación masiva en procesos de generación de biometano requiere de desarrollos en etapas de limpieza del gas de síntesis.
En este contexto, la combinación de digestión anaerobia, gasificación, fermentación de gases y tecnología de microalgas permitiría una valorización completa del carbono y los nutrientes a partir de residuos orgánicos tanto biodegradables como recalcitrantes (Figura 1).
En este esquema integral de tratamiento y valorización de residuos, tanto el biogás procedente de la digestión anaerobia de residuos biodegradables como el syngas de gasificación de residuos orgánicos no biodegradables puede ser transformado en biometano, o en productos de mayor valor agregado a partir de la (bio)conversión del dióxido de carbono y metano.
La integración de digestión anaerobia, gasificación, fermentación de gases y microalgas abre la puerta a una valorización más completa del carbono y los nutrientes contenidos en los residuos
La producción de biometano a partir del biogás generado en los procesos de digestión anaerobia requiere de etapas de acondicionamiento del biogás (eliminación de H2S, siloxanos, partículas, humedad) y de separación de CO2 (el contaminante mayoritario del biogás).
En el último informe de la Asociación Europea de Biogás (EBA 2025), la separación mediante membranas constituye la tecnología de upgrading más implementada en Europa, estando presente en el 52 % de todas las plantas de biometano activas, frente al 13 % correspondiente a lavadores con agua, 11 % a absorción química y 8 % a adsorción por cambio de presión.
La implementación de la tecnología de membranas ha sido vertiginosa, a partir de 2021. El éxito de las membranas se debe a que permiten obtener biometano de alta pureza mediante un proceso relativamente sencillo, compacto, modular, y de bajo consumo energético, que no necesita disolventes ni etapas de regeneración.
El biogás se comprime y se hace pasar a través de las membranas, que permiten que el CO2 atraviese la membrana mucho más rápidamente que el CH4 (Figura 2). Los sistemas comerciales utilizan normalmente dos o tres etapas de separación, recirculando parte de las corrientes para recuperar el CH4 que, de otro modo, se perdería junto con el CO2. De esta forma se puede conseguir al mismo tiempo una elevada pureza del biometano y una recuperación de CH4 superior al 99 %.
Las membranas ya están presentes en el 52% de las plantas europeas de biometano y permiten alcanzar recuperaciones de metano superiores al 99%
Figura 2. Funcionamiento de la tecnología de separación por membranas
La mejora de las propiedades y manufactura de membranas ha sido clave para el crecimiento de esta tecnología. Así, la selectividad CO2/CH4 determina en gran medida la pureza del biometano que puede obtenerse y la cantidad de CH4 que se pierde durante la separación. Por otro lado, el flujo de gas que atraviesa la membrana determina el área de membrana necesaria para tratar un determinado caudal de biogás. Por tanto, mayor selectividad y flujo permiten aumentar la productividad y reducir el tamaño y coste de los equipos.
Evonik, uno de los principales referentes de este mercado, en 2023 había suministrado membranas a más de 1.000 plantas de biogás en todo el mundo, cifra que superaba las 2.000 plantas en 2026, duplicando en aproximadamente tres años, el número de instalaciones. Otros fabricantes, como Air Liquide, Air Products o UBE, han seguido una evolución similar. El rápido aumento del número y del tamaño de las plantas muestra la consolidación de las membranas como una solución industrial para el upgrading de biogás.
La investigación desarrollada en el Instituto de Procesos Sostenibles de la Universidad de Valladolid (ISP-UVa) se centra en aumentar la productividad y durabilidad de este proceso.
Para ello, dentro del proyecto Syn2Meth, de la convocatoria “Prueba de Concepto” del Ministerio Ciencia, Innovación y Universidades, desarrollamos materiales que combinan una alta selectividad CO2/CH4 y N2/CH4 necesaria para mantener la pureza y recuperación de CH4, con un alto flujo de CO2 o N2, lo que permite reducir el área de membrana necesaria.
También buscamos aumentar su resistencia frente al agua, H2S, VOC, siloxanos y otros componentes del biogás que pueden reducir sus prestaciones y vida útil. El objetivo final es disponer de membranas que permitan tratar más biogás o purificar biometano generado de gas de síntesis, durante más tiempo y con un menor coste, aumentando todavía más la competitividad de esta tecnología.
Las tecnologías convencionales de upgrading, todas ellas basadas en procesos físico-químicos, son tecnologías robustas y eficientes, pero presentan altas emisiones de metano (CH4 slip), y no conllevan la creación de nuevas cadenas de valor a partir del CO2 o de los nutrientes presentes en el digestato.
El ISP-UVa lleva más de 10 años desarrollando y validando procesos de upgrading de biogás más sostenibles, basados en procesos biológicos o físico-químicos operados a presión y temperatura ambiente. Entre ellos destacan los sistemas de upgrading basados en microalgas, los sistemas de upgrading hidrogenotrófico de conversión de biogás o syngas a biometano, y los sistemas de absorción -desorción empleando nuevos solventes con alta afinidad por el CO2 y bajo slip de metano (Figura 3).
El upgrading con microalgas ha alcanzado biometano con más del 95% de CH4 y recuperaciones de nitrógeno y fósforo del digestato superiores al 95%
Figura 3. Tecnologías sostenibles de producción de biometano
Los procesos de upgrading de biogás con microalgas se basan en la acción simbiótica de microalgas y bacterias. El CO2 y H2S del biogás son absorbidos selectivamente en el caldo de cultivo del fotobiorreactor (típicamente fotobiorreactor abierto) debido al alto pH con el que operan estos sistemas.
El CO2 es fijado fotosintéticamente en forma de biomasa algal en presencia de luz, liberándose oxígeno que es empleado por bacterias litoautótrofas para llevar a cabo la oxidación biológica del H2S a sulfato con eficiencias del 100%. Los nutrientes necesarios para soportar el crecimiento de microalgas y bacterias en el fotobiorreactor son suministrados por la fracción líquida del digestato, con el consiguiente tratamiento de este efluente de la digestión anaerobia.
La biomasa algal generada puede emplearse como biofertilizante, debido a su alto contenido en bioestimulantes y biopesticidas.
Esta tecnología ha sido escalada con éxito desde un fotobiorreactor de 1 m2 en los laboratorios del Instituto de Procesos Sostenibles, a un fotobiorreactor de 30 m2 en el proyecto INCOVER en el contexto de una EDAR (en colaboración con AQUALIA), 270 m2 en el proyecto URBIOFIN (en colaboración con URBASER) en el contexto del tratamiento de residuos sólidos urbanos, y 1500 m2 en el proyecto LIFE SMART AGROMOBILITY en el contexto de ganadera porcina (Figura 4).
Los resultados mostraron un biometano que cumplía con la legislación (CH4 > 95 %, CO2 <2%), y recuperaciones de nitrógeno y fósforo del digestato superiores al 95 %.
Figura 4. Escalado del proceso de upgrading de biogás con microalgas en el Instituto de Procesos Sostenibles.
La reducción biológica del CO2 del biogás, o de efluentes ricos en CO2 (acerías, cementeras, fermentación, etc.) con hidrógeno verde generado mediante electrolisis con energía renovable constituye otra tecnología prometedora capaz de contribuir a la meta del programa RePoWerEU y a estabilizar la red eléctrica.
Este bioproceso se lleva a cabo en condiciones anaerobias (requiriendo la captura previa del CO2 en corrientes aerobias) mediante la acción de arqueas hidrogenotróficas. Esta microbiología es capaz de llevar a cabo también el proceso de conversión de syngas a biometano.
La mayoría de las validaciones llevadas a cabo a escala laboratorio (Proyecto BIOMET con FCC AQUALIA, o proyecto SynBioConv) y piloto se han implementado en biofiltros percoladores con concentraciones de CH4 > 90%. El Instituto de Procesos Sostenibles lidera la validación de esta tecnología para biometanización de syngas en biofiltros de 1 m3 dentro del proyecto LIFE W2B para el upgrading de biogás y syngas derivado de la gasificación de digestato de residuos sólidos urbanos.
La tecnología de absorción química validada por el ISP-UVa ha reducido el consumo energético del upgrading de 0,3 a 0,05 kWh/m³, manteniendo una pureza del biometano superior al 97%.
Por último, los procesos de upgrading basados en absorción química, que tradicionalmente se llevan a cabo a presiones altas y con slips de metano del 1-2 % requieren de investigación en nuevos solventes que mejoren la sostenibilidad ambiental y económica de esta tecnología.
A este respecto, en colaboración con Nealis dentro del proyecto ENEDAR, el Instituto de Procesos Sostenibles validó a escala piloto una tecnología capaz de reducir los costes energéticos del upgrading desde 0.3 kWh/m3 a 0.05 kWh/m3 durante la producción de un biometano con una pureza > 97%.
El estudio y escalado de estas tecnologías permitirá ampliar las opciones de procesos que pueden integrarse en un concepto global de biorrefinería para maximizar la producción de biometano a partir de residuos y aguas residuales, al tiempo que se gestionan adecuadamente estos residuos.
Referencias
