La Electro-Fermentación Oscura (EFO) es la integración de dos tecnologías innovadoras, la Fermentación Oscura (FO) y los sistemas bioelectroquímicos (BES), para la generación de hidrogeno (H 2) renovable a partir de residuos orgánicos. La FO es un proceso biológico anaerobio de degradación de la materia orgánica, similar a la digestión anaerobia, en el que unos microorganismos seleccionados degradan los carbohidratos o azúcares contenidos en ciertas aguas residuales biodegradables, como por ejemplo las de industrias de alimentación, bebidas, agroindustriales, etc. En la FO, se producen dos corrientes: un gas con hasta el 50% de H 2 y un efluente líquido, con alta concentración de Ácidos Grasos Volátiles (AGVs). Este efluente líquido sigue teniendo un gran potencial energético, que puede ser utilizado para generar más H 2, mediante un reactor BES acoplado a continuación del reactor de FO.
Los sistemas BES para la producción de H 2 son unos reactores compuestos por dos electrodos, un ánodo y un cátodo, localizados en dos cámaras dis - tintas separadas por una membrana de intercambio iónico. En la cámara anódica de la celda BES se inyecta el efluente liquido de la FO. Aquí, microorganismos electroactivos, adheridos al ánodo en forma de biofilm, producen electrones a partir de la oxidación de los AGVs contenidos en el efluente líquido. Los electrones generados son recogidos en el ánodo de la celda, y circulados hasta el cátodo para la producción de H2. La ventaja de usar un ánodo biótico, colonizado por los microorganismos electroactivos, en lugar de un ánodo abiótico, como en los electrolizadores convencionales, es que se requiere mucha menos energía para la reacción de oxidación, y consecuentemente para la operación del reactor. Con un reactor BES es posible producir H2 con menos de 35 kWh/kg H2 mientras que los electrolizadores alcalino o PEM requieren más de 55 kWh/kg H2. En el reactor BES, hay dos productos de reacción: por un lado, un gas con una concentración de hidrógeno muy elevada, cercana al 100%; por el otro lado, agua residual.
La Electro-Fermentación Oscura integra dos tecnologías innovadoras, la Fermentación Oscura y los sistemas bioelectroquímico, para la generación de hidrogeno renovable a partir de residuos orgánicos.
Por tanto, el sistema EFO produce H₂ renovable y trata residuos orgánicos, generando un efluente líquido con menor carga contaminante. Aunque el efluente líquido de la EFO requiere tratamiento adicional para cumplir la normativa, la EFO facilita la gestión del residuo, reduciendo costes y complejidad, mientras aporta valor añadido con la producción de H2.
El esquema de Figura 1 muestra la integración de la tecnología EFO en la industria, donde se puede observar como la EFO permite el tratamiento de residuos orgánicos industriales ricos en carbohidratos, al tiempo que generar H₂. El H2 producido puede ser aprovechado tanto en la planta industrial, ya sea para demandas energéticas o como reactivo, o se puede comercializar para uso externo. La EFO trabaja en condiciones de temperatura suaves, alrededor de 36 ºC. La energía térmica necesaria para operar a esta temperatura puede provenir del calor residual de la industria o del uso de una parte del hidrógeno generado.
La FO es la etapa inicial del proceso de EFO, por tanto, es la FO que determina las características que deben tener los residuos para poder ser valorizados mediante este sistema.
Así, las características optimas de los residuos para su tratamiento con el proceso de EFO son:
• Alto contenido de materia orgánica biodegradable, prioritariamente hidratos de carbono y en particular azúcares, ya que los microorganismos responsables de la FO son capaces de producir H2 a partir de estos compuestos. Mientras que la producción de H2 a partir de proteínas y lípidos es difícil o poco eficiente.
• Residuo liquido con bajo contenido de sólidos totales, idealmente inferior al 15%. En casos de residuo con alto contenido de sólidos, o un residuo sólido o semisólido, este requiere un pretratamiento y/o codigestión con otros residuos de menor contenido de sólidos.
• Baja salinidad, inferior a 1.5%. En caso contrario, habría que aplicar algún pretratamiento (por ejemplo: dilución o ósmosis), para evitar la inhibición de los microorganismos, principalmente por sodio.
Hay otras características deseables de los residuos: capacidad tampón (alta alcalinidad) y pH entre 6 y 6,5, para disminuir los requerimientos de soluciones alcalinas, reguladoras del pH dentro del reactor de FO; y matriz compleja del residuo, que cuente con diversidad de minerales, para reducir o eliminar el requerimiento de suplementación de nutrientes.
El potencial total nacional de producción de H2 a partir de la tecnología EFO se ha estimado en 136.679 tnH2 por año, lo que equivale al 27% de la producción y demanda actual de H2 a nivel español y al 8% de la producción proyectada para 2030.
Teniendo en cuenta las características descritas, a continuación, se detallan algunos ejemplos de industrias que generan residuos potencialmente valorizables con la tecnología EFO: celulosa (papel), agroalimentaria, químicas (glicerol), conservera, láctea, cervecera/licores, bebidas refrescantes, depuradoras de agua residual urbana (EDAR), etc. En este contexto, el potencial total nacional de producción de H2 a partir de la tecnología EFO se ha estimado en 136.679 tnH2 por año, lo que equivale al 27% de la producción y demanda actual de H2 a nivel español y al 8% de la producción proyectada para 2030.
Según las estimaciones, es evidente que los lodos espesados de EDAR hacen el mayor aporte al potencial total, seguidos a gran distancia por los residuos de la industria azucarera y el glicerol, como se observa en la figura 2. Esto sucede por su elevadísimo volumen generado anualmente, superior en al menos un orden de magnitud al resto de las cantidades de corrientes residuales. La viabilidad tecno-económica de tratar los lodos espesados con la tecnología EFO es baja, debido a la complexidad del residuo, y la competencia con otras tecnologías y sistemas de tratamiento y gestión. Por tanto, el potencial nacional sin el aporte de los lodos de EDAR es de 39.548 tn H2/ año, que supone el 5,5% de la demanda actual. Con un precio de venta hipotético de 3 €/kg H2, la generación de H2 a partir de residuos tiene un mercado potencial de 410 M€ anuales y un mercado disponible de 120 M€.
La figura 3 muestra el potencial de producción de H2 de los diferentes residuos industriales, excluyendo los lodos espesados de EDAR. Además, muestra cuál es la contribución de H2 producido por la FO y el BES. El cálculo de generación de H2 por FO se realiza considerando el volumen anual de cada residuo, el contenido de hidratos de carbono de cada residuo y la producción de H2 se ha calculado considerando una producción de 70 Nm3 de H2 por cada tonelada de hidratos de carbono. En base a datos del laboratorio, la generación de H2 por el sistema BES se estima considerando que este aprovecha el 60% de la materia orgánica presente en el efluente de la FO. Esta materia orgánica se oxida, generando una corriente eléctrica en el sistema BES, siendo la producción de H2 proporcional a dicha corriente.
La generación de H2 a partir de residuos tiene un mercado potencial de 410 M€ anuales y un mercado disponible de 120 M€.
Recopilando, la figura 4 muestra el potencial de generación de H2 a nivel español a partir de residuos de los sectores identificados con más potencial. Destaca el sector agroalimentario como el productor potencialmente más elevado, con más de 14.000 tnH₂/año. La gran capacidad de generación de H2 renovable de los residuos de la industria agroalimentaria, es debida a la gran cantidad de residuos generados, estimados en más de 13.500 tn/año, y a las propiedades idóneas de estos residuos para ser tratados con la tecnología EFO. Le siguen los sectores químico, lácteo y urbano. La industria conservera presenta el menor potencial.
El H2 generado por estas industrias puede tener múltiples aplicaciones, principalmente como fuente de energía y combustible con el objetivo de reemplazar los combustibles fósiles usados actualmente. En el sector de celulosa y papel, el H2 producido puede ser utilizado para complementar o substituir los combustibles fósiles usados en procesos térmicos. En la agroalimentaria, su uso principal seria en la generación de energía para vehículos (flotas cautivas), en procesos térmicos y pudiendo vender los excedentes se podrían vender a un externo como materia prima o combustible.
En la industria química el H2 producido puede ser utilizado como combustible en calderas para calefacción de reacciones y en la hidrogenación de aceites y grasas u otras reacciones donde se requiera H2. El sector conservero, cervecero y de bebidas podrá usar el H2, para sustituir los combustibles fósiles en procesos de alta temperatura para la cocción o esterilización de los productos fabricados. Finalmente, en las EDARs, el H2 se podrá aprovechar en la generación de electricidad y calor, para la metanación, para su uso en la flota cautiva de vehículos de la EDAR y/o comercializarlo en diferentes formatos. En resumen, la versatilidad del H2 lo convierte en un vector clave para la descarbonización de procesos industriales y así impulsar la transición energética.
La EFO aún no es una tecnología plenamente desarrollada ni cuenta con una implementación significativa en la industria. Esto es debido tanto a desafíos técnicos y económicos, como al desconocimiento sobre el potencial de producción de H2 que se puede obtener a partir de los residuos de diversas industrias. En el marco del proyecto H2ENRY, Leitat y EnergyLab junto con otros tres centros tecnológicos, desarrollamos tecnologías emergentes e innovadoras que aumenten la eficiencia energética de la producción de H2 renovable y reduzcan sus costes. En el marco del proyecto H2ENRY, se ha desarrollado la tecnología EFO, con el objetivo específico de poner a punto un sistema para evaluar experimentalmente el potencial de producción de H2 a partir de residuos industriales. Este sistema constituye un banco de pruebas robusto que permitirá a las empresas cuantificar la capacidad de sus residuos orgánicos como fuentes de H2 renovable, promoviendo su valorización energética en lugar de su mera gestión como desechos.
Un artículo de Pau Bosch-Jimenez, de Leitat, y Virginia Marchisio, del Centro tecnológico Energylab. Como coautores figuran Iria Regueiro, de EnergyLab, y Raquel Arnal; Jorge Luque; Daniel Molognoni; Eduard Borràs, de Leitat.
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