Reformado con vapor de biogás y biometano para producir hidrógeno: balance, CO₂ y madurez

El reformado de metano con vapor (SMR, steam methane reforming) es el método más utilizado en el mundo para producir hidrógeno a partir de gas natural. También puede aplicarse al biometano o al biogás depurado: el metano reacciona con el vapor de agua a una temperatura del orden de 700–900°C sobre un catalizador de níquel, dando una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono (gas de síntesis), de la que, tras la conversión del CO y la depuración, se obtiene hidrógeno. Si la materia prima es biometano sostenible, el CO₂ generado en el proceso tiene origen biogénico y el hidrógeno puede tener una huella de carbono mucho menor que la del hidrógeno de gas fósil. La tecnología de reformado es madura, aunque su aplicación a fuentes de biogás de pequeña escala sigue en fase de demostración.

Reacciones

1. Reformado: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (endotérmica, ΔH ≈ +206 kJ/mol; requiere calor).
2. Conversión del CO (water-gas shift): CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ligeramente exotérmica).
3. Global: CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂.

Estequiometría: de 16 g de CH₄ se obtienen 8 g de H₂, es decir, de 1 kg de metano, como máximo aprox. 0,5 kg de hidrógeno y 2,75 kg de CO₂ (según la reacción global). El CO₂ adicional procede de la combustión del combustible que aporta el calor para la reacción endotérmica.

Cadena tecnológica

• Depuración de la materia prima: eliminación de azufre (envenena el catalizador), halogenuros y siloxanos.
• Reactor de reformado con catalizador de Ni, horno con quemadores.
• Reactor de conversión del CO (de una o dos etapas).
• Depuración del hidrógeno: con mayor frecuencia PSA hasta una pureza >99,9 %.
• Aprovechamiento del gas residual (tail gas), a menudo recirculado a los quemadores.
• Opcionalmente, captura de CO₂ del gas de síntesis o de los gases de combustión.

Balance de energía y de masa (ejemplo)

Supuestos: eficiencia energética (energía del H₂ en PCI / energía del metano en PCI) del 70 % (valor típico de las instalaciones industriales a mayor escala; en las pequeñas suele ser inferior), PCI del hidrógeno 33,3 kWh/kg, PCI del metano 13,9 kWh/kg. Necesidad de metano por 1 kg de H₂: 33,3 / (0,70 × 13,9) ≈ 3,4 kg de CH₄ (aprox. 4,8 Nm³). Para una instalación que produzca 100 kg de H₂/h se necesitan, por tanto, aprox. 340 kg de CH₄/h (aprox. 480 Nm³/h). Esa cantidad corresponde a una planta de biometano de tamaño medio. Las emisiones de CO₂ del proceso son de aprox. 3,4 × 2,75 ≈ 9,4 kg de CO₂/kg de H₂ (de la totalidad del carbono del metano), lo que corresponde al orden de magnitud de las emisiones del hidrógeno de gas natural (aprox. 9–10 kg de CO₂/kg de H₂ según la bibliografía). En el caso del biometano, el CO₂ tiene origen biogénico.

Biogás directamente

En lugar de purificar el biogás hasta biometano (upgrading), se puede reformar directamente: el CO₂ del biogás está presente desde el principio y participa en el denominado reformado seco o mixto. Esto conduce a una simplificación (sin purificación), pero requiere soluciones resistentes a las impurezas y a una composición variable. Estas instalaciones se encuentran en fase de investigación y de proyectos piloto.

Huella de carbono

Según la fuente del metano y la presencia de captura de CO₂, la huella de carbono del hidrógeno puede ir desde valores cercanos a los del gas fósil (cuando la materia prima es fósil, sin captura) hasta valores muy bajos o negativos (biometano de purín con captura de CO₂). En el Derecho de la UE, el hidrógeno de biomasa está sujeto a las normas para los combustibles de biomasa (criterios de sostenibilidad), y no a las normas para los combustibles renovables de origen no biológico. No debe confundirse el “hidrógeno verde” (electrolítico, a partir de renovables) con el hidrógeno de biometano.

Economía y escala

El reformado es más rentable a gran escala, donde los costes fijos se reparten entre grandes cantidades de hidrógeno. En las instalaciones agrícolas pequeñas el coste unitario aumenta y, además, hay que sumar la depuración, la compresión y la distribución del hidrógeno. Por este motivo, las aplicaciones reales en los próximos años son las plantas con una demanda de hidrógeno ya existente y acceso a mayores cantidades de biometano.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas: tecnología madura, alta eficiencia, posibilidad de integración con la captura de CO₂, aprovechamiento de la infraestructura de gas existente.

Inconvenientes: consumo de biometano, que tiene también otros usos; emisiones de CO₂ sin captura; necesidad de depurar la materia prima; complejidad a pequeña escala.

Qué evitar al evaluar proyectos

Al analizar las ofertas de reformado conviene comprobar si la eficiencia declarada se refiere a todo el sistema (con depuración, compresión y aprovechamiento del gas residual), cuál es el intervalo de carga y el tiempo de arranque, y cómo se aprovecha el CO₂. Una simplificación frecuente es omitir la energía de compresión del hidrógeno hasta presiones de transporte (varios cientos de bar), que puede añadir entre unos pocos y unos quince puntos porcentuales de la energía contenida en el hidrógeno. Del mismo modo, hay que contabilizar el consumo de agua de proceso y de electricidad auxiliar.

Resumen

El reformado de biometano es la vía más cercana al mercado hacia el hidrógeno de biomasa, pero hay que recordar que consume un valioso vector energético. Lo justifican sobre todo la demanda local de hidrógeno y la posibilidad de aprovechar el CO₂.