Gas inflamable

6.1 Introducción

La conciencia del gas inflamable obtenido a partir de materiales vegetales podridos se conoce desde la época de los antiguos persas. Más tarde, cuando la civilización entró en la época moderna, en Europa se montaron sistemas de drenaje centralizados y se redujo el volumen de materia sólida en las aguas residuales mediante la digestión anaeróbica. Al mismo tiempo, la comunidad científica se centraba en encontrar nuevos combustibles alternativos proporcionales al crecimiento de la población para satisfacer la creciente demanda energética de la sociedad. La generación de residuos es siempre proporcional a la población, y algunas fracciones de residuos son difíciles de reciclar. Estas fracciones deberían investigarse más a fondo con fines energéticos (Statistical Review of World Energy, junio de 2016). Los materiales de desecho pueden ser de muchos tipos, principalmente biodegradables como la biomasa, los residuos alimentarios, etc., y no biodegradables como los plásticos, los aceites usados y los residuos metálicos. Muchos países, como el Reino Unido (RU) y Alemania, han utilizado esta idea para producir gas inflamable para el alumbrado público a principios del siglo XX mediante el tratamiento de las aguas residuales. La primera planta de tratamiento de aguas residuales se construyó en Bombay (actualmente conocida como Mumbai), India, en 1859. En la década de 1930, se desarrolló la práctica de los residuos de granjas para generar gas inflamable, también en Bombay . A principios de los años 60, la KVIC (Comisión de Industrias de Khadi y Aldeas) desarrolló plantas de biogás que fueron utilizadas por los aldeanos indios. Poco después, el éxito del diseño, que utilizaba un tambor flotante, sentó las bases de un programa de divulgación del gobierno indio para proporcionar a los aldeanos indios combustible para cocinar.

A principios de la década de 1630, Jan Baptista Van Helmont, un químico belga, estableció que se podían obtener gases combustibles a partir de la descomposición de la materia orgánica. En el año 1776, se comprobó que la cantidad de gas inflamable producido era directamente proporcional a la cantidad de materia orgánica en descomposición mediante el experimento del Conde Alessandro Volta. En 1808, Sir Humphrey Davy investigó si se producían gases de metano durante la digestión anaeróbica de los residuos del ganado . En 1875, Wouter Sluys, un agricultor holandés, utilizó por primera vez el metano para la iluminación. En Inglaterra, en 1895, se recuperó el biogás de una instalación de tratamiento de aguas residuales «cuidadosamente diseñada» y se utilizó como combustible para las farolas de Exeter. La primera planta de biogás de la India se construyó en 1897 en Bombay .

China instaló 5 millones de plantas basadas en un diseño de fosa séptica al tomar una iniciativa similar a principios de los años sesenta y hasta los ochenta. Los diseños en forma de cúpula fueron sustituidos por la fosa rectangular original. India desarrolló diseños similares y formó la base de un programa activo en Nepal con la participación de varios grupos, un programa que ahora se llama BSP (Asociación del Sector del Biogás). China, India y Nepal han desarrollado este programa de forma constante. Este programa ha aumentado su interés más recientemente en Europa y el Reino Unido. Debido a las subidas del precio del petróleo, algunos grupos del Reino Unido iniciaron la generación de energía en las granjas a través del biogás como alternativa; esto fue motivado por el programa indio a principios de la década de 1980. La subida de los precios del petróleo empujó a la gente a buscar alternativas. La caída del precio del petróleo, y por tanto de la electricidad, que devolvió las instalaciones de biogás poco rentables a la granja, permitió sobrevivir a las 200 instalaciones construidas entonces.

La digestión anaeróbica es una de las tecnologías más aplicadas, pero aún no se conoce del todo debido al complicado proceso de digestión, que depende principalmente del rendimiento de los microorganismos. Además, el rendimiento de estos microorganismos depende en gran medida del entorno en el que residen. Se han desarrollado muchos modelos matemáticos para estudiar el comportamiento del proceso y la optimización continua de nuevos modelos. Estos modelos matemáticos no pueden aplicarse directamente en la industria debido al «factor biológico», que dificulta un proceso que no es fácil de realizar y hace que la digestión anaeróbica sea altamente no lineal . Asimismo, en un año se desperdician más de 130 millones de toneladas de alimentos en todo el mundo, lo que conlleva la generación de una enorme cantidad de residuos de cocina . Los residuos de cocina tienen un alto contenido en nutrientes orgánicos y se descomponen rápidamente debido a la acción microbiana. Esto provoca malos olores y enfermedades que convierten la gestión de los residuos de cocina en un grave problema en todo el mundo. Como los residuos de cocina son en su mayoría de naturaleza orgánica, son una materia prima ideal para la producción de biogás y, por lo tanto, se ha estudiado ampliamente el potencial de los residuos de alimentos y de cocina como sustrato para la producción de biogás. La mayor parte de los esfuerzos de investigación y desarrollo en todo el mundo se centran en los métodos para producir los llamados biocombustibles de segunda generación que se identifican por tener un excelente rendimiento ambiental, así como una alta flexibilidad de la materia prima de la biomasa.

La producción de syngas a partir de biorresiduos es un paso vital en la fabricación de la mayoría de los biocombustibles de segunda generación. Varios países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) han creado sus propias industrias de biocombustibles para uso local. La producción mundial anual de gas de síntesis, principalmente a partir de fuentes de energía fósiles como el gas natural, el petróleo y el carbón, es de aproximadamente 6 EJ, lo que corresponde a cerca del 2% del consumo total de energía primaria . Los principales productores y consumidores de bioetanol (alrededor del 95% del total mundial) son Brasil y Estados Unidos; del mismo modo, para el biodiésel los principales son Alemania, Austria y Francia. Las materias primas preferidas incluyen materiales de naturaleza leñosa y herbácea, así como residuos agrícolas, municipales e industriales. Los combustibles sintéticos para el transporte, como el biometanol, el bioetanol, el di-metil-éter (DME), el gas natural sintético, el combustible FT (Fischer-Tropsch) y el hidrógeno, producidos y comercializados por Sasol (Sudáfrica) y Mobil (Estados Unidos), son algunos ejemplos que pueden convertirse en syngas mediante un proceso de reformado con vapor. El gas de síntesis derivado del biogás podría utilizarse para una mayor producción de alcohol.

Cuando se examina el desarrollo del biogás en el mundo, India y China no tienen nada que envidiar a los demás países, aunque el impulso provenga de Europa Occidental. India es conocida en todo el mundo por haber construido el primer digestor anaeróbico de la historia en 1897, cuando se utilizaron desechos humanos para generar gas para el alumbrado de las calles en el Asilo de Leprosos de Matunga, en Mumbai. En los años 1950 se llevaron a cabo intensas investigaciones y se desarrollaron varios diseños de plantas. El más notable de ellos, conocido como «Grama Laxmi III», fue desarrollado por Joshbai Patel (un trabajador gandhiano de Gujarat). Se convirtió en el prototipo del modelo de cúpula flotante de la Comisión de Industrias de Khadi y Aldeas (KVIC) de más tarde. Tras una pausa, el interés por el biogás se renovó a principios de los años 1960, cuando la KVIC creó y desarrolló plantas de biogás estándar. Así se decidió crear un millón de instalaciones de tamaño familiar y muchas otras instalaciones comunitarias del gobierno, durante el sexto plan para cinco años. Se ha sostenido hasta ahora sin ruptura y ha llegado a 4 millones de plantas (MNRE 2011). El programa nacional de gestión de biogás y estiércol había previsto la instalación de 150.000 plantas de biogás «de tipo familiar» durante 2009 y 2010.

La biomasa es uno de los campos más enfocados en la India para los programas de energía renovable debido a la gran cantidad de residuos generados de los cultivos, así como la demanda de energía. Para el estudio de caso se consideran unos 26 cultivos de un total de 39 cultivos de residuos . En general, la India produce 686 toneladas brutas de biomasa de residuos de cultivos al año, de las cuales 234 toneladas (el 34% de las brutas) se estiman como excedentes para la generación de bioenergía. Las zonas rurales utilizan principalmente cultivos y residuos animales para la producción de energía y para satisfacer las necesidades de energía para cocinar. Estas dos son las principales fuentes que contribuyen a una gran cantidad de residuos de cocina de los hogares y las zonas residenciales. Las estadísticas dicen que los hogares más grandes que acogen a más personas tienden a producir más residuos que sus homólogos más pequeños. Sin embargo, se ha informado de que los hogares unipersonales son los que más alimentos desperdician per cápita. Asimismo, las personas mayores desperdician tantos alimentos evitables como los jóvenes (1,2 kg por persona y semana), un hecho que contradice la sabiduría aceptada en nuestra sociedad. Cada año se genera una gran cantidad de residuos de cocina que es necesario eliminar para salvar nuestro medio ambiente. La digestión anaeróbica es un proceso de descomposición biológica organizada de los residuos de la cocina que permite capturar y utilizar eficazmente el biogás para la generación de energía. Este biogás es aproximadamente un 60% de metano y un 40% de CO2. La gente de las zonas rurales a adoptar las tecnologías de biogás para satisfacer sus necesidades de cocina e iluminación en el hogar, implica Khadi y Village Industries, Janata y Deenbandhu plantas de biogás . Estas biomasas son una gran fuente para la biometanización y la producción de diversos combustibles líquidos, como el biodiésel y los aceites de transporte. La digestión anaeróbica es uno de los principales procesos para convertir la biomasa en biogás . El biogás se convierte en syngas mediante la oxidación parcial o el reformado con vapor. El gas de síntesis se convierte a su vez en combustibles líquidos mediante diversos métodos, como el proceso Fischer-Tropsch, y con la metanización el gas de síntesis se convierte en metanol, etanol y diversos biocombustibles.