Purificación mediante membranas: cómo funciona la separación de CH₄ y CO₂ en plantas de biometano

La separación mediante membranas consiste en hacer pasar biogás comprimido a través de haces de finas fibras poliméricas, en las que el CO₂ permea a una velocidad varias veces superior a la del CH₄. A un lado de la membrana se recoge una corriente enriquecida en metano (retentado – biometano), y al otro, una corriente rica en CO₂ (permeado). Se trata de una de las tecnologías de purificación más elegidas, especialmente en instalaciones de pequeña y mediana escala, por ser modular, exenta de productos químicos y relativamente sencilla de operar.

Mecanismo: disolución y difusión

El paso a través de una membrana densa se describe mediante el modelo de disolución-difusión. Las moléculas de gas se disuelven en el polímero en el lado de alta presión, difunden a través de la capa y se desorben en el lado de baja presión. La velocidad depende de la diferencia de presiones parciales, el espesor de la capa activa y la permeabilidad del material respecto a un gas determinado. El vapor de agua, el CO₂, el H₂S y el amoníaco permean muy rápidamente, el oxígeno de forma moderada, y el metano y el nitrógeno lentamente. La relación de permeabilidad CO₂/CH₄ se denomina selectividad; cuanto mayor sea, más fácil será obtener metano puro con bajas pérdidas. Los materiales típicos son poliimidas, polisulfonas y acetato de celulosa, conformados en fibras capilares en módulos conectados en serie y en paralelo.

Sistema tecnológico

1. Pretratamiento – eliminación de H₂S (por ejemplo, mediante carbón activo o desulfuración biológica), aerosoles, gotas de condensado y compuestos orgánicos volátiles. Son perjudiciales los aceites del compresor y los siloxanos.
2. Compresión – el biogás se comprime generalmente hasta una decena de bares (del orden de 8–16 bar(g), según el proveedor).
3. Etapas de membrana – en un sistema de dos etapas, el retentado de la primera etapa pasa a la segunda, y el permeado de la segunda retorna antes del compresor. En sistemas de tres etapas, el permeado de la primera etapa va a una etapa adicional de recuperación de metano.
4. Secado y acondicionamiento – tras las membranas, el biometano se seca, eventualmente se enriquece con propano y se odoriza.
5. Off-gas – el permeado de la última etapa contiene principalmente CO₂ con trazas de metano y requiere combustión o gestión.

Pérdidas de metano y pureza

Cuanto mayor sea la pureza requerida del biometano y menor la pérdida, mayor será la superficie de membrana y la energía de compresión necesaria. Los sistemas modernos de múltiples etapas alcanzan pérdidas generalmente inferiores al 1%, y algunos proveedores declaran niveles del orden del 0,5% o inferiores; el valor contractual depende de las garantías y la carga. Una caída de la carga por debajo del valor de diseño puede empeorar los parámetros, por lo que las instalaciones se diseñan teniendo en cuenta el rango de regulación.

Energía

El principal consumo energético corresponde al compresor. Para los sistemas de membranas, se suele indicar un requerimiento de energía eléctrica del orden de 0,2–0,35 kWh por m³ de biogás bruto, lo que equivale a aproximadamente 0,35–0,6 kWh por m³ de biometano con un biogás al 55%. Conviene exigir al proveedor una declaración para el sistema completo (incluyendo secado, refrigeración y pretratamiento), ya que diferentes entidades presentan valores para distintos límites de balance.

Ventajas y limitaciones

Ventajas: compacidad, montaje rápido, ausencia de productos químicos y agua de proceso, fácil escalado mediante la adición de módulos, posibilidad de operación en contenedores.

Limitaciones: sensibilidad a los contaminantes (aceite, condensado, siloxanos), necesidad de sustituir los módulos tras años de funcionamiento, corriente de CO₂ de baja pureza (con trazas de CH₄), limitada flexibilidad a cargas muy bajas.

Recomendaciones para el inversor

• Exija garantías de pérdidas de metano para una carga y composición de biogás determinadas, junto con un mecanismo de penalizaciones.
• Pregunte por las condiciones de sustitución de módulos y el coste por m³ de biometano producido.
• Planifique la gestión del off-gas: la simple combustión es sencilla, pero sin recuperación de calor desperdicia energía.
• Adapte el pretratamiento al biogás procedente de sustratos específicos (por ejemplo, alto contenido de H₂S en residuos de matadero).
• Verifique la calidad de la compresión: los compresores exentos de aceite o con buena filtración de aceite alargan la vida útil de las membranas.

Ejemplo de cálculo

Supuestos: 500 m³/h de biogás, 55% CH₄, deslizamiento del 0,6%, compresión de aproximadamente 0,25 kWh/m³ de biogás. Potencia eléctrica de los compresores ≈ 125 kW (500 × 0,25). Metano antes de pérdidas: 275 m³/h; pérdida ≈ 1,65 m³/h; producción de metano en biometano ≈ 273 m³/h. Consumo anual de energía eléctrica para 8000 h: aproximadamente 1000 MWh. Con un precio supuesto de la electricidad de 600 zł/MWh, esto supone alrededor de 600 000 zł al año, es decir, ≈ 0,27 zł por m³ de biometano. Los valores son ilustrativos y no sustituyen a una oferta del fabricante.

Resumen

Las membranas representan un compromiso entre simplicidad y eficiencia. Un sistema de múltiples etapas bien diseñado ofrece bajas pérdidas de metano, pero requiere un gas de entrada limpio y una operación cuidadosa.