Separación criogénica de CO₂ del biogás: principio de funcionamiento y relación con el bioLNG

La separación criogénica aprovecha las diferencias en las temperaturas de los cambios de fase: el CO₂ pasa a estado líquido o sólido a temperaturas significativamente más altas que el CH₄, que solo se licúa alrededor de −162 °C a presión atmosférica. Por tanto, si se enfría el biogás comprimido en un rango de −50…−90 °C (dependiendo de la presión y la composición), el CO₂ se licúa o cristaliza, permitiendo su separación del metano en fase gaseosa. Esta tecnología es menos común que otras, pero presenta una característica única: puede continuar con la licuefacción del metano, es decir, la producción de bioLNG, y proporciona CO₂ líquido.

Por qué el CO₂ puede separarse con tanta facilidad

El punto triple del CO₂ se encuentra a una temperatura de aproximadamente −56,6 °C y una presión de alrededor de 5,2 bar. Por encima de esta presión, el dióxido de carbono puede existir como líquido; por debajo, resublima a sólido (hielo seco). En estas condiciones, el metano permanece en estado gaseoso, ya que su temperatura crítica es de aproximadamente −82 °C. La separación es posible, por tanto, mediante la selección adecuada de presión y temperatura; los detalles dependen de la composición del gas y la configuración.

Secuencia tecnológica típica

1. Purificación previa – eliminación de H₂S, siloxanos, COV y agua. El agua y el H₂S se congelan en los intercambiadores y provocan obstrucciones.
2. Compresión y preenfriamiento – el gas se comprime y enfría gradualmente, con recuperación del frío.
3. Licuefacción o resublimación del CO₂ – en un intercambiador o columna de destilación, el CO₂ se separa como líquido o sólido y se recoge.
4. Enfriamiento adicional del metano – si el objetivo es el bioLNG, el biometano se enfría hasta aproximadamente −162 °C. Si el objetivo es la red, el metano vuelve a la temperatura ambiente.
5. Recuperación del frío – la energía frigorífica de los productos se utiliza para enfriar el gas de entrada.

Ventajas

• Alta pureza del CO₂ y producción directa de CO₂ líquido, fácil de transportar y comercializar.
• Bajas pérdidas de metano en sistemas bien diseñados.
• Coherencia con la producción de bioLNG – en lugar de dos instalaciones separadas (purificación y licuefacción), se crea una secuencia integrada.
• Ausencia de disolventes químicos.

Desventajas

• Complejidad y CAPEX – intercambiadores criogénicos, compresores, recuperación de frío y requisitos materiales.
• Sensibilidad a los contaminantes – el agua, el H₂S y los siloxanos deben eliminarse con gran precisión.
• Energía – el enfriamiento a bajas temperaturas es costoso; sin embargo, si el objetivo es el bioLNG, parte de esa energía se habría empleado igualmente en la licuefacción del metano.
• Escala – la rentabilidad aumenta con flujos mayores, aunque se están desarrollando unidades en contenedores.

Dónde tiene sentido

La tecnología es adecuada cuando se combinan dos objetivos: la venta de bioLNG (para transporte, incluyendo el pesado y marítimo) y la venta de CO₂ líquido (para la industria alimentaria o como materia prima). Dado que el precio del bioLNG y del CO₂ suele ser superior al del biometano de red, el valor de los subproductos puede justificar un CAPEX más elevado. La condición es contar con una demanda estable de ambos productos y una logística adecuada (cisternas criogénicas).

Ejemplo ilustrativo: cuánto CO₂ hay en el biogás

Supuestos: 1000 m³/h de biogás, 45 % de CO₂, densidad del CO₂ de aproximadamente 1,98 kg/m³ (condiciones normales), 8000 h/año. Flujo de CO₂: 450 m³/h ≈ 890 kg/h ≈ 7100 t/año. Con un precio de venta supuesto del CO₂ líquido de 300 zł/t (supuesto meramente ilustrativo – los precios dependen del mercado local y la calidad), el ingreso bruto asciende a aproximadamente 2,1 millones de zł/año, del cual deben restarse los costes de licuefacción, almacenamiento y transporte. En un estudio de viabilidad, debe basarse en contratos de compra, no en supuestos.

Requisitos de calidad de la alimentación

Para los sistemas criogénicos, es clave que en el gas que llega a los intercambiadores solo queden prácticamente CH₄ y CO₂. El agua debe eliminarse hasta un punto de rocío muy bajo, y el H₂S, los siloxanos y los compuestos orgánicos volátiles deben reducirse a niveles traza, ya que a bajas temperaturas forman depósitos sólidos y obstruyen los canales de los intercambiadores. Asimismo, el amoníaco y los hidrocarburos pesados, si están presentes, pueden congelarse antes que el CO₂. Por ello, las instalaciones criogénicas se preceden de un pretratamiento exhaustivo (adsorbedores, carbón activado, tamices moleculares). El coste de esta etapa se incluye en el cálculo, y su calidad determina la disponibilidad.

Papel de la capacidad de almacenamiento

El CO₂ líquido y el bioLNG requieren tanques aislados y procedimientos de seguridad (presión, bajas temperaturas, riesgo de asfixia en caso de fuga de CO₂). El almacenamiento actúa como amortiguador entre la producción continua y la recogida periódica en cisternas, por lo que su tamaño debe adaptarse al calendario logístico, no solo a la capacidad de la instalación.

Resumen

La criogenia es una tecnología de nicho, pero lógica cuando el objetivo es el bioLNG y el CO₂ líquido. Requiere los más altos estándares de pretratamiento y mayores inversiones, pero a cambio ofrece productos de alta calidad.