Científicos de la Universidad danesa de Aarhus han demostrado la posibilidad de producir biometano mediante energía fotovoltaica. Han estudiado cómo aplicar el proceso de biometanización en instalaciones fotovoltaicas, donde la actividad se interrumpe por falta de radiación solar.
La biometanización consiste en transformar materiales orgánicos en biogás, compuesto principalmente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). En este proceso, el gas hidrógeno (H2) desempeña un papel importante como sustrato para las reacciones microbianas y como parte del producto final.
«Como alternativa al almacenamiento de energía en baterías, se ha propuesto la utilización de la energía solar fotovoltaica para producir H2 mediante el proceso de electrólisis del agua», explicaron los científicos. «El H2 puede utilizarse como componente básico para producir otros combustibles y productos químicos, [como el biometano]. El biometano, con concentraciones típicas superiores al 98 vol% de CH4, es muy adecuado para inyectarlo en las redes de gas natural».
Para demostrar la viabilidad de producir biometano en términos fotovoltaicos discontinuos, los académicos recopilaron primero datos solares del California Flats Solar Park, una planta fotovoltaica de 280 MW situada en el condado de Monterrey, California.
Con un suministro de energía estable de nueve horas, el parque solar de California Flats funciona con una rampa de subida y otra de bajada de 1,5 horas, pasando las 12 horas restantes en modo de espera. El grupo de investigación estudió el uso de un reactor de lecho percolador (TBR), un sistema catalítico que transforma la materia orgánica en biometano mediante la conversión del azufre, el nitrógeno y los compuestos aromáticos de los combustibles de hidrocarburos.
También consideraron un periodo de funcionamiento continuo de 20 días como referencia y lo compararon con 29 días de funcionamiento discontinuo basándose en el perfil de producción de la planta mencionada. Los científicos definieron la fracción deseada de H2 en el biometano en menos del 2%, ya que se ajusta a la inyección en red de gas natural.
«Al comenzar el modo de funcionamiento discontinuo basado en la energía fotovoltaica, se hizo evidente que el TBR no alcanzaba la misma eficiencia de conversión de biometanización que el modo de funcionamiento continuo anterior», explicaron los académicos. «Sin embargo, tras seis días de seguir esta estrategia de funcionamiento discontinuo, el reactor recuperó su rendimiento de referencia el séptimo día».
Según los académicos, en los cuatro primeros días del funcionamiento discontinuo, las concentraciones de H2 oscilaron entre el 10% y el 40% en el gas producto del biometano. Sin embargo, al sexto día, el contenido de H2 en el biometano era inferior al 2%, tal y como se deseaba. Además, en los días 7 a 12, esta calidad se alcanzó en 16 minutos tras la puesta en marcha; en los días 13 a 21, se consiguió instantáneamente; y en los últimos días, se completó en 20 minutos desde el inicio de la operación.
«Durante los periodos de espera de 12 horas, los ácidos acumulados durante el periodo de funcionamiento se degradaron en un 58,44% a biogás», explicaron los científicos. «Así, los periodos de espera podrían aprovecharse sinérgicamente como técnica de limpieza in situ para eliminar los ácidos acumulados y la biomasa».
Para demostrar que el proceso discontinuo es viable, los científicos proponen una evaluación tecnoeconómica. Calcularon que la planta de biometanización fotovoltaica utilizaba una media diaria de 28 MWh de energía solar fotovoltaica. La carga eléctrica del proceso se calculó en 2.675,59 kW, de los cuales 2.423,07 kW (o el 90,56%) se utilizan para la producción de H2 mediante electrólisis.
«Si se instala una planta precomercial de biometanización TBR en una instalación de biogás existente, el coste nivelado de producción de biometano (LCOP) en un escenario para 2030 es de 147,84 dólares, siendo la electrólisis el factor que más contribuye a los costes», concluyen. «Aunque este LCOP es superior al de la mejora convencional del biogás, la biometanización ofrece la posibilidad de capturar y utilizar el CO2».
Presentaron la novedosa configuración del sistema en «Sunshine-to-fuel: Demonstration of coupled photovoltaic-driven biomethanation operation, process, and techno-economical evaluation» (Del sol al combustible: Demostración del funcionamiento, proceso y evaluación tecnoeconómica de la biometanización fotovoltaica acoplada), publicado recientemente en Energy Conversion and Management.
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