La necesaria sustitución de los combustibles fósiles para lograr la descarbonización de la economía y poder alcanzar la neutralidad climática en 2050 ha planteado diferentes retos tecnológicos para dar con fuentes de energía limpias y renovables.
Uno de esos retos tecnológicos es, sin duda, la obtención de hidrógeno verde a partir de fuentes no fósiles, al ser considerado por Europa como un combustible clave para alcanzar estos objetivos.
El hidrógeno es un vector energético gracias a su capacidad de almacenar y transportar energía, pero la realidad es que el 90% de su consumo actual corresponde al hidrógeno gris, procedente del reformado del gas natural con emisiones de CO2 a la atmósfera.
Obtener hidrógeno verde y renovable es posible, aunque hasta ahora su producción es insuficiente por el alto coste asociado a los equipos necesarios para ello.
Esto motiva la búsqueda de mejoras tecnológicas o nuevas formas de producir este gas renovable y, entre estas, el aprovechamiento de la biomasa para generar biohidrógeno destaca como una opción interesante.
El proceso para la obtención de este biohidrógeno (hidrógeno de origen biológico) es la fermentación oscura o “dark fermentation”, y es uno de los proyectos que viene desarrollando el AINIA desde hace varios años, dentro de su línea de investigación de bioeconomía.
Si tenemos en cuenta el potencial de España en cuanto al aprovechamiento de la biomasa como materia prima, la tecnología de dark fermentation para generar biohidrógeno puede ser una opción destacada.
¿En qué consiste la dark fermentation o fermentación oscura?
El proceso de fermentación oscura consiste en la recuperación del hidrógeno generado durante las primeras etapas de la digestión anaerobia de residuos orgánicos (biomasa), en ausencia de luz y gracias a la acción combinada de un conjunto de bacterias anaerobias. La recuperación del hidrógeno se realiza antes de que este sea consumido por las bacterias metanogénicas.
La digestión anaerobia tradicional, que permite la transformación de los residuos orgánicos en biogás, se desarrolla en digestores donde tienen lugar cuatro etapas del proceso: 1) Desintegración e hidrólisis, 2) Acidogénesis, 3) Acetogénesis y 4) Metanogénesis.
Durante cada etapa, la materia orgánica va transformándose en distintos compuestos intermedios por la acción de distintas poblaciones microbianas con una relación simbiótica entre ellas. Tras la última etapa, se obtiene el biogás.
Este proceso de digestión anaerobia se puede modificar, pasando a ser un proceso de doble etapa que consiste en separar, de manera física, las diferentes etapas microbiológicas.
Así, en un primer digestor (digestor hidrolítico) se llevan a cabo la hidrólisis y la acidogénesis, y en un segundo digestor (metanogénico), alimentado por el efluente del anterior, tendría lugar la acetogénesis y la metanogénesis.
La captura o producción del biohidrógeno tendría lugar en el primer digestor, proporcionando unas condiciones de operación concretas en cuanto a pH, tiempos de retención hidráulica, temperatura, etc, teniendo lugar la fermentación oscura y optimizándose la producción de biohidrógeno.
El efluente obtenido del primer digestor resulta rico en ácidos grasos que se pasa al segundo digestor donde, gracias a la acidogénesis y la metanogénesis, se obtiene el biogás.
Beneficios e inconvenientes de la dark fermentation
La tecnología de la fermentación oscura aportaría una serie de beneficios respecto a otras tecnologías:
- Incremento en la estabilización de la materia orgánica y reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.
- Incremento de la producción de energía renovable, aumentando su competitividad en el mercado respecto a otras tecnologías.
- Obtención de dos fuentes de energía renovable, el biohidrógeno y el biogás.
- Obtención de mayor energía total de la combustión de ambos gases debido al poder calorífico del hidrógeno que es 2.6 veces superior al biogás.
- Mejor optimización del proceso al separar las fases ya que se pueden generar condiciones ambientales más adecuadas para la actividad de las distintas poblaciones microbianas. Esto se traduce en un incremento de la transformación de la materia orgánica en los gases renovables.
Ahora bien, también existen algunos inconvenientes en la dark fermentation.
La producción de biohidrógeno presenta una alta dependencia de los parámetros de operación óptimos, de la tipología y la composición de la materia orgánica utilizada como sustrato y un mayor grado de sensibilidad del proceso biológico que con la digestión anaerobia tradicional.
Así, por ejemplo, sustratos como los lodos de depuradora van a necesitar de un pretratamiento para reducir la actividad de la biomasa metanogénica y en el caso de sustratos ricos en fibra, con mayor potencial de producción de biohidrógeno, es necesario un control del pH para optimizar la producción del gas debido a la elevada producción de ácidos grasos volátiles que hacen descender este pH.
El AINIA ha realizado experimentos de dark fermentation con estos ejemplos de sustrato mencionados, a través del proyecto DIANA, y los principales resultados obtenidos indican que la fermentación oscura es un proceso sensible, altamente dependiente de las características de los residuos empleados, y necesita del control del pH para la optimización de la producción de biohidrógeno de manera continua.
La optimización de esta tecnología podría mejorar el rendimiento energético de las actuales plantas de biogás agroindustrial, debido al aporte del biohidrógeno como fuente de energía, y al incremento del biogás generado con la separación biológica de las fases del proceso de la digestión anaerobia.
Otra alternativa para producir hidrógeno verde a partir de biomasa
La producción de hidrógeno verde a partir de biomasa también puede llevarse a cabo por medio de otro proceso, la gasificación.
Esta consiste en la transformación termoquímica de la biomasa, a temperaturas superiores a 700˚C y con aporte controlado de oxígeno o vapor, obteniendo gas sintético o syngas.
El gas sintético contiene el hidrógeno que puede separarse y purificarse, siendo la proporción de hidrógeno obtenida del gas sintético equivalente a aproximadamente el 40%.
Es un proceso menos costoso que la electrólisis empleada para el hidrógeno verde y permite la producción continua de energía gracias a la disponibilidad de la biomasa.
No obstante, no deja de ser un proceso complejo en el que intervienen gran número de reacciones y se generan productos no deseados, como el monóxido de carbono (CO) y el coque.
A esto se suma que, el proceso requiere de unas condiciones severas de reacción, seguido de los pasos adicionales de separación y purificación del hidrógeno producido para que sea de alta calidad. Algo que complica su implantación en industrias de pequeño tamaño.
Otra nueva técnica en la que se viene trabajando es la obtención de hidrógeno mediante electrólisis de biomasa.
Un nuevo método que permitiría obtener hidrógeno de elevada pureza (prácticamente el 100%) en una sola etapa de reacción/separación y en condiciones suaves de reacción (25-80˚C y 1 atm de presión), empleando tan solo energía eléctrica que puede tener un origen renovable.
Al requerir menor potencial termodinámico que la electrólisis del agua, los potenciales eléctricos de trabajo serán menores y el consumo eléctrico requerido también.
Como vemos, la tecnología para la producción de hidrógeno verde está en pleno desarrollo, a fin de optimizar la forma de producirlo a partir de recursos renovables como la biomasa, y lograr una producción energética competitiva, sostenible y segura basada en la economía circular. Es por esto que se le está dando un impulso a la I+D+i de los gases renovables.
