Metanización y power-to-gas con CO₂ biogénico: método catalítico y biológico

La metanización (power-to-methane) es un proceso en el que el hidrógeno de la electrólisis se combina con dióxido de carbono para formar metano: CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O. En una planta de biometano, la fuente natural de CO₂ es la corriente residual de la purificación del biogás, por lo que, en lugar de liberarlo a la atmósfera, puede aprovecharse para producir metano adicional. El proceso puede transcurrir de forma catalítica (método Sabatier) o biológica, con la participación de arqueas. El rendimiento energético total de la electricidad al metano se sitúa, de forma orientativa, en el intervalo de aprox. 45–55 %, porque las mayores pérdidas se producen en la electrólisis.

Método catalítico (Sabatier)

La reacción es exotérmica (ΔH ≈ −165 kJ/mol CH₄) y se lleva a cabo normalmente a una temperatura de aprox. 250–400 °C, a una presión que va desde la atmosférica hasta una docena de bares, sobre un catalizador de níquel. Ventajas: alta velocidad, compacidad, posibilidad de aprovechar el calor de la reacción. Inconvenientes: sensibilidad del catalizador al azufre, necesidad de depurar el CO₂, control más complejo con una alimentación variable de hidrógeno (p. ej., procedente de fuentes renovables).

Método biológico

Las arqueas metanógenas (p. ej., Methanothermobacter) transforman el H₂ y el CO₂ en CH₄ a una temperatura de aprox. 55–65 °C en un reactor con líquido o en el digestor. Ventajas: tolerancia a las impurezas (incluido el sulfuro de hidrógeno), flexibilidad ante un aporte variable de hidrógeno, presiones más bajas. Inconvenientes: limitaciones de la transferencia de masa del gas al líquido, mayores volúmenes de reactor, temperaturas más bajas del calor residual.

Balance de masa y energía

Para 1 m³ de CH₄ se necesitan 1 m³ de CO₂ y 4 m³ de H₂. El hidrógeno tiene un poder calorífico de aprox. 3,0 kWh/m³ (0,0899 kg/m³ × 33,3 kWh/kg), por lo que 4 m³ de H₂ equivalen a aprox. 12 kWh. De 1 m³ de CH₄ obtenemos aprox. 9,97 kWh. El rendimiento de la metanización en sí (energía del metano / energía del hidrógeno) es, por tanto, de aprox. el 83 %, y el resto es calor de reacción. La electrólisis consume aprox. 52 kWh/kg de H₂: para 0,36 kg de H₂ (4 m³) son aprox. 18,7 kWh de energía eléctrica. Rendimiento de la electricidad al metano: 9,97/18,7 ≈ 53 %, sin tener en cuenta la energía para la compresión y los equipos auxiliares. El calor de la reacción y de la electrólisis, si se aprovecha, aumenta el rendimiento total.

Ejemplo: planta de biometano con metanización

Supuestos: la planta de biometano procesa 500 m³/h de biogás con un 55 % de CH₄ y un 45 % de CO₂. El off-gas contiene aprox. 225 m³/h de CO₂. Con el aprovechamiento total del CO₂ con hidrógeno adicional, es posible producir 225 m³/h de CH₄ adicional, es decir, prácticamente duplicar la producción (275 + 225 = 500 m³/h de CH₄). Esto requiere 900 m³/h de hidrógeno y aprox. 4,2 MW de potencia de electrólisis (900 m³/h × 0,0899 kg/m³ ≈ 81 kg/h × 52 kWh/kg ≈ 4,2 MW). Con un precio de la electricidad de 400 PLN/MWh, el coste de energía por m³ de CH₄ es de aprox. 18,7 kWh × 0,4 PLN/kWh ≈ 7,5 PLN/m³, varias veces más que el coste del biometano de la digestión. Esto ilustra por qué la metanización requiere electricidad muy barata o valor añadido (p. ej., almacenamiento de excedentes de energías renovables, exigencia de RFNBO).

Aplicaciones

1. Almacenamiento de energía: excedentes de electricidad convertidos en metano en la red de gas.
2. E-metano como combustible renovable (RFNBO), si la electricidad cumple los requisitos.
3. Aumento de la producción de biometano en la planta de biogás gracias al aprovechamiento del CO₂.
4. Descarbonización de la industria, en la que el hidrógeno es más difícil de aplicar que el metano.

Instalaciones de demostración

En Werlte, en Alemania, Audi puso en marcha en 2013 una instalación de e-gas de aprox. 6 MW de potencia eléctrica, que utiliza CO₂ de una planta de biogás. En Avedøre, en Dinamarca, funciona la instalación BioCat con metanización biológica, de una potencia del orden de 1 MW. Se trata de proyectos piloto y de demostración; la escala comercial sigue limitada por los costes.

Condiciones regulatorias

Para que el e-metano sea reconocido como RFNBO, la electricidad para la electrólisis debe cumplir los requisitos de adicionalidad, de correlación temporal y geográfica; el CO₂ debe proceder de fuentes admitidas por la normativa (incluidas las biogénicas). La normativa prevé períodos transitorios y reglas detalladas que hay que consultar en los actos vigentes. Cuando la electricidad procede del biogás, el estatus puede ser distinto.

Resumen

La metanización permite aprovechar el CO₂ de las plantas de biogás y conectar los sectores de la electricidad y del gas, pero la economía depende del precio de la energía eléctrica y de los requisitos regulatorios. En los próximos años es una tecnología de demostración y de nicho.