Estudio del potencial del biogás en el mercado energético español y desarrollo de certificados verdes de biometano. Caso de aplicación de análisis coste y beneficio de una instalación estándar de biometano

Abstract

La sociedad actual vive sometida a una dependencia absoluta de electricidad. Desde el encendido de una lámpara hasta el control automático de una central nuclear, la electricidad se ha convertido en una necesidad capaz de someter al mundo al colapso en caso de escasez de la misma. Sin duda ninguna el desarrollo social y el crecimiento económico pasa por un acceso cada vez más global a la energía, y más en concreto a la electricidad. En el universo existen múltiples fuentes de energía muy poderosas que podrían abastecer con energía suficiente para alimentar de electricidad a toda la población mundial. El problema reside en la transformación de esa energía en electricidad.

A día de hoy, la tecnología utilizada para transformar energías como la solar o la eólica en electricidad presenta todavía grandes barreras tecnológicas a la hora de almacenar la producción y de garantizar su disponibilidad todas las horas del año. A causa de esto,

Figura 1: Generación mundial de electricidad según su fuente en 2018 (total 26,7 PWh)

nos vemos todavía absolutamente dependientes de fuentes de energía no renovables con impactos muy adversos a la ecología y al bienestar climático. El 61% de la generación mundial de electricidad proviene de recursos no renovables como la procedente de combustibles fósiles. Existe pues, una gran demanda de métodos de generación de energía innovadores, ecológicos, sostenibles y eficientes para crear una transición hacia un mundo de energía verde. No es suficiente con la generación eólica, hidráulica o solar. De ahí el atractivo de estudiar soluciones de generación de electricidad partiendo de residuos naturales como el biogás.

La generación de electricidad a partir de biomasa permite, en paralelo, dar viabilidad a gran problema con la gestión de residuos. En una sociedad de consumo como la actual, los residuos se ven multiplicados de una manera que puede considerarse insostenible. Hoy en día, se generan alrededor de 242 millones de toneladas de residuos plásticos al año. Existe una isla en mitad del océano pacifico de residuos de entre 710 000 km² y 17 000 000 km². En consecuencia, no debe sorprender observar el alza en popularidad de las tecnologías de reciclado y de empresas que fabrican bienes con materiales reciclados.

De estos dos problemas surge un marco regulatorio europeo y gubernamental basado en el desarrollo y en el impulso de incentivos y planes de ayuda a toda actividad económico que contribuya a la gestión de residuos o a la descarbonización de la industria. Este marco regulatorio crea un escenario idílico para el desarrollo de una tecnología que se basa en el uso de residuos orgánicos para la producción de un recurso energético altamente valorado.

En efecto, la generación de biogás se produce a través del uso de sustratos orgánicos procedentes de numerosas industrias como son las de gestión y tratamiento de aguas residuales, la industria agropecuaria o la industria agroalimentaria. Estas industrias en su actividad económica usual producen un subproducto residual que se convierte en materia prima de la actividad económica de generación de biogás. Contribuyendo de esta forma a una economía circular.

En cuanto al aspecto técnico de la generación de biogás, se produce en un digestor anaerobio en el que se introducen los sustratos orgánicos recolectados. En este digestor, se establecen unas condiciones de presión y temperatura óptimas para el desarrollo de las 4 fases encargadas de generar el biogás. La hidrólisis, la acidogénesis, la acetogénesis y la metanogénesis. Unas sucesivas a las otras, la hidrólisis se encarga de descomponer los compuestos moleculares orgánicos en azúcares, aminoácidos y ácidos grasos. Posteriormente, la acidogénesis y la acetogénesis son procesos bacterianos en los que se descomponen los productos de la hidrólisis en ácidos acéticos y dióxido de carbono, elementos que servirán como alimento a la metanogénesis. La metanogénesis es la fase mas importante de la generación de biogás, en ella se produce el último paso de la digestión generando biogás compuesto por metano y dióxido de carbono.

Como subproducto de la generación de biogás también se tiene el digestato. El digestato es un compuesto orgánico altamente mineralizado resultante del sustrato orgánico inicial tras haberle extraído el biogás por digestión. Este componente puede ser tratado y convertido en fertilizante de alto rendimiento.

Tras la generación de biogás y para conseguir un biogás puro en metano, se somete dicho gas a distintos tratamientos de upgrading. Los tratamientos de upgrading tienen como objetivo el enriquecimiento de metano del biogás gracias a la extracción del CO2 que lo forma. Numerosas técnicas de extracción como la extracción por membranas, PSA, lavado con agua, adsorción química o criogenia, son capaces de separar los dos elementos generando asi un biogás con una concentración de entorno al 99% de metano llamado biometano. Como subproducto de esta actividad, el CO2 extraído tiene también valor comercial y puede ser utilizado como fuente de ingresos.

Este biometano tiene un gran interés económico ya que puede ser utilizado como alternativa al gas natural importado tras su inyección en la red de distribución de gas natural. En efecto, Europa importa un 46% del gas natural consumido a Rusia. Con una generación de biometano, no solo se reduciría la importación de países extranjeros, sino que además se reduciría el poder de influencia que tiene el gigante ruso sobre Europa. Adicionalmente, con valores de gas natural en máximos históricos, 145 euros por megavatio hora, la introducción al mercado del biometano valorado a 55 euros por megavatio hora ocasionaría una estabilización de precios drástica en el mercado de gas natural.

El biometano tiene del mismo modo otras ventajas muy relevantes, se puede utilizar como biocombustible líquido tras someterlo a presiones altas o temperaturas muy bajas. En efecto de aquí al año 2050 se prevé lograr una descarbonización del sector de transporte del 97%. Una descarbonización que vendrá impulsada por la electrificación de los vehículos además de la incorporación del biocombustible renovable.

Por último, a través de un estudio económico de dos proyectos de inversión en plantas de generación y tratamiento de biogás se busca analizar costes y beneficios para comentar la viabilidad de la inversión de estos proyectos. El primero se basa en un proyecto simple de generación y tratamiento de biogás que cuenta con un CAPEX de 7 millones de euros y un OPEX a 10 años de 14 millones de euros. Este proyecto comercializa 40 GWh de biometano y 30 toneladas anuales de gránulos de digestato para obtener unos beneficios anuales de 0,27 millones de euros. El proyecto complejo se basa en una planta de generación y tratamiento de mayor capacidad de biogás y de una planta de tratamiento del digestato. Este proyecto requiere unas inversiones mayores, CAPEX de 21,4 millones de euros y OPEX a 10 años de 63,2 millones de euros. Generando asi cada año 24 kilo toneladas de fertilizante orgánico valorado en 140 euros por tonelada, 115 GWh de biometano y 20 kilo toneladas de CO2 valoradas a 36 euros por tonelada. Con estos valores de producción se conseguirían unos beneficios anuales de entorno a 3,5 millones.

Today's society is dependent on electricity. From the lighting of a lamp to the automatic control of a nuclear power plant, electricity has become a necessity capable of bringing the world to collapse in the event of a shortage. There is no doubt that social development and economic growth depends on increasingly global access to energy, and more specifically to electricity. There are many powerful energy sources in the universe that could provide enough energy to supply the entire world's population with electricity. The problem lies in the transformation of this energy into electricity.

Nowadays, the technology used to transform energy sources such as solar and wind power into electricity still has major technological barriers when it comes to storing production and guaranteeing its availability at all times of the year. Because of this,

Figure 1: Global electricity generation by source in 2018 (total 26.7 PWh)

we are still absolutely dependent on non-renewable energy sources with very adverse impacts on the ecology and climate welfare. 61% of the world's electricity generation comes from non-renewable resources such as fossil fuels. There is therefore a great demand for innovative, environmentally friendly, sustainable and efficient methods of power generation to create a transition to a green energy world. Wind, hydro, or solar generation is not enough. Hence the attractiveness of exploring solutions for electricity generation from natural waste such as biogas.

The generation of electricity from biomass allows, in parallel, to give viability to a big problem with waste management. In today's consumer society, waste is multiplying in a way that can be considered unsustainable. Today, around 242 million tonnes of plastic waste are generated every year. There is an island in the middle of the Pacific Ocean of waste of between 710,000 km² and 17,000,000 km². Consequently, it should come as no surprise to observe the rise in popularity of recycling technologies and companies manufacturing goods from recycled materials.

From these two issues arises a European and governmental regulatory framework based on the development and promotion of incentives and support schemes for any economic activity that contributes to waste management or the decarbonisation of industry. This regulatory framework creates an idyllic scenario for the development of a technology based on the use of organic waste for the production of a highly valued energy resource.

Indeed, biogas generation is produced using organic substrates from numerous industries such as wastewater management and treatment, the agricultural industry or the agri-food industry. These industries in their usual economic activity produce a waste by-product that becomes a raw material for the economic activity of biogas generation. Thus contributing to a circular economy.

Regarding the technical aspect of biogas generation, it is produced in an anaerobic digester in which the collected organic substrates are introduced. In this digester, optimal pressure and temperature conditions are established for the development of the 4 phases responsible for generating biogas. Hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis. Hydrolysis is responsible for breaking down organic molecular compounds into sugars, amino acids and fatty acids. Subsequently, acidogenesis and acetogenesis are bacterial processes in which the hydrolysis products are broken down into acetic acids and carbon dioxide, elements that will serve as food for methanogenesis bacterials. Methanogenesis is the most important phase of biogas generation, where the last step of digestion takes place, generating biogas composed of methane and carbon dioxide.

As a by-product of biogas generation, digestate is also produced. Digestate is a highly mineralised organic compound resulting from the initial organic substrate after the biogas has been extracted by digestion. This component can be treated and converted into high-yield fertiliser.

After the generation of biogas and in order to obtain a pure methane biogas, this gas is subjected to various upgrading treatments. The aim of the upgrading treatments is to enrich the methane in the biogas by extracting the CO2 that forms it. Numerous extraction techniques such as membrane extraction, PSA, water scrubbing, chemical adsorption or cryogenics can separate the two elements, thus generating a biogas with a concentration of around 99% methane, called biomethane. As a by-product of this activity, the CO2 extracted also has commercial value and can be used as a source of income.

This biomethane is of great economic interest as it can be used as an alternative to imported natural gas after injection into the natural gas distribution network. Indeed, Europe imports 46% of the natural gas it consumes from Russia. With biomethane generation, not only would imports from foreign countries be reduced, but also the power of influence that the Russian giant has over Europe. In addition, with natural gas values at an all-time high of 145 euros per megawatt hour, the introduction of biomethane to the market at 55 euros per megawatt hour would lead to a drastic price stabilisation in the natural gas market.

Biomethane also has other significant advantages: it can be used as a liquid biofuel after being subjected to high pressures or very low temperatures. Indeed, a 97% decarbonisation of the transport sector is expected to be achieved by 2050. This decarbonisation will be driven by the electrification of vehicles in addition to the incorporation of renewable biofuel.

Finally, through an economic study of two investment projects in biogas generation and treatment plants, the aim is to analyse costs and benefits in order to comment on the viability of investment in these projects. The first is based on a simple biogas generation and treatment plant with a CAPEX of 7 million euros and a 10-year OPEX of 14 million euros. This project commercialises 40 GWh of biomethane and 30 tonnes per year of digestate pellets for an annual profit of EUR 0.27 million. The complex project is based on a larger biogas generation and treatment plant and a digestate treatment plant. This project requires higher investments, CAPEX of 21.4 million euros and 10-year OPEX of 63.2 million euros. Thus generating each year 24 kilo tonnes of organic fertiliser valued at 140 euros per tonne, 115 GWh of biomethane and 20 kilo tonnes of CO2 valued at 36 euros per tonne. With these production values, an annual profit of around 3.5 million euros would be achieved.