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VII CAIQ 2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA EN PROCESOS DE

VALORACION DE BIOGAS

M. B. Rodriguez a*, B. V. Morero

b y E. Campanella

a, b

a Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas, Universidad Nacional del Litoral

Ruta Nacional Nº 168 Km 472.4, Santa Fe, Argentina, 3000

E-mail: [email protected]

b Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química, UNL - CONICET

Güemes 3450, Santa Fe, Argentina, 3000

Resumen. El biogás es un combustible renovable producido a partir de la

digestión anaeróbica de residuos orgánicos. Los principales componentes

del biogás son metano, dióxido de carbono, agua, ácido sulfhídrico y

dependiendo del origen cientos de compuestos trazas. Como la presencia de

compuestos diferentes al metano representa un problema para el uso del

biogás, se lo purifica. La etapa más importante de la purificación del biogás

es su valoración al eliminar el dióxido de carbono. Este trabajo analiza la

valoración por el proceso de absorción-desorción con tres solventes

distintos: agua, solvente químico (Diglicolamina) y solvente físico (Dimetil

Eter de Polietilen Glycol) utilizando el Análisis de Ciclo de Vida. Se

incluyen 11 categorías de impacto con el cambio climático como la

principal. Los resultados indican que el proceso con solvente químico tiene

mayor impacto en casi todas las categorías, el proceso con solvente físico

tiene gran impacto en algunas categorías, y el proceso con agua es el más

amigable con el ambiente. El proceso con solvente químico debe su baja

performance ambiental a su mayor consumo energético originado por la

necesidad de regenerar el solvente con vapor en la columna de desorción y

por la energía requerida para producir la amina.

* A quien debe enviarse toda la correspondencia


AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

Palabras clave: purificación del biogás, dióxido de carbono, Análisis de Ciclo de

Vida.

1. Introducción

La generación de energía en Argentina se apoya en el uso de los combustibles

fósiles, recurso no renovable y agotable en un futuro cercano y altamente contaminante

del ambiente. La dependencia en los combustibles fósiles, que lleva a una matriz

energética no sustentable, deriva en la necesidad de analizar e implementar nuevas

opciones de fuentes de energía renovable. El país tiene suficiente potencial para que las

energías alternativas jueguen un fuerte rol en la matriz. Existen tecnologías que utilizan

diferentes fuentes para producir energía de una forma más “amigable” con el ambiente.

Entre ellas, se encuentra la interesante opción de la biomasa para el aprovechamiento

del biogás. Este es un combustible renovable y se produce a partir de la digestión

anaeróbica de residuos orgánicos que pueden provenir de fuentes industriales,

municipales y/o agrícolas. De esta manera, se contribuye a la reutlización de los

desechos sólidos, aprovechándolos como un recurso y no como un residuo. Además,

ayuda a disminuir los problemas de contaminación y de proliferación de enfermedades

relacionada con los mismos.

El biogás está compuesto principalmente por metano, dióxido de carbono, agua,

ácido sulfhídrico, y dependiendo del origen del residuo cientos de compuestos trazas.

Estos compuestos diferentes al metano disminuyen la eficiencia del uso posterior que se

le puede dar al biogás. Para generar un producto más eficiente, evitar la corrosión en

los equipos de procesamiento, y posibles emisiones contaminantes a la atmósfera el

biogás se purifica. La etapa más importante de la purificación es su valoración con la

separación del dióxido de carbono. Existen diferentes procesos de purificación de

biogás y generalmente para la valoración se utiliza el proceso absorción-desorción

(Petersson y Wellinger, 2009).

Cuando se quiere elegir un proceso no solo se deben tener en cuestiones técnicas y

económicas, la elección incluye también variables ambientales y sociales. Por ello se

debe usar una herramienta como el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), técnica bien

conocida para la inclusión de variables ambientales (ISO, 1997). El ACV se basa, como



su nombre lo indica, en el ciclo completo de vida que tiene un producto, empezando por

la extracción y adquisición de la materia prima, pasando por la producción de materia y

energía, siguiendo por la fabricación hasta el uso, tratamiento, reciclado y disposición

final, considerando todos los aspectos negativos y positivos que cada etapa tenga sobre

el ambiente. Para el caso del biogás, Patterson et al. (2011) han analizado con la ayuda

del ACV la conveniencia de centralizar o descentralizar la ubicación de los digestores

anaeróbicos. En otra publicación (Borjenson y Ahlgren, 2012), también con la ayuda de

ACV, han discutido la producción de biogás en el contexto de su uso como combustible,

para producir energía eléctrica o para alimentar a la red de gas natural. Por otra parte,

Starr et al. (2011) han comparado usando ACV tecnologías para la purificación más

clásicas con nuevas tecnologías.

Este trabajo se centra en la etapa de purificación de biogás utilizando el ACV, para

comparar el proceso de valoración de biogás por absorción-desorción con tres solventes

distintos: agua, solvente químico (diglicolamina, DGA), y solvente físico (Dimetil Eter

de Polietilen Glycol, DEPG), con el fin de analizar que solvente es el más apropiado

desde el punto de vista ambiental.

2. Metodología

Para este estudio se llevo a cabo un ACV que se realiza según la Norma ISO 14040

implementada en el programa OpenLCA. El ACV tiene cuatro pasos principales:

definición de objetivo y alcance, análisis del inventario, evaluación del impacto

ambiental e interpretación de los resultados.

2.1. Objetivo y alcance

El objetivo de este trabajo es incluir en la comparación de los procesos de valoración

de biogás, además de las cuestiones técnicas y económicas, los impactos ambientales y

sociales para poder llegar al solvente que genere la menor proporción de efectos

negativos posibles sobre el medio.



Fig. 1. Límites del sistema del proceso de valoración con agua

Límites del sistema. Para la comparación de los tres solventes en estudio, los límites

del análisis se reducen a la captura del dióxido de carbono del biogás y no incluye ni la

generación del biogás ni tratamientos anteriores y posteriores de eliminación de

contaminantes. Debido a que lo que interesa en el presente trabajo es poder definir y

decidir cuál es el solvente menos perjudicial para el ambiente.

Esquemáticamente, en las Fig. 1, 2 y 3 se presentan los límites en el proceso de

valorización con agua, DGA y DEPG, respectivamente.



Fig. 2. Límites del sistema del proceso de valoración con amina (DGA).

Figura 3. Límites del sistema del proceso de valoración con DEPG

Unidad funcional. Para efectuar el ACV es necesario definir la unidad funcional a

utilizar. Esta sirve como referencia para relacionar las entradas y salidas del sistema, y

de este modo asegurar que los resultados sean comparables. En este estudio, la unidad

funcional utilizada es la remoción de 1 kg de CO2 de la corriente de biogás crudo, es



decir, del biogás proveniente de la biodigestión (como aparece en la figura 1). La

corriente de ingreso del biogás tiene una composición teórica de 58,4% CH4, 37,3%

CO2, 1% N2, 0,1% H2S, 3,2% H2O y un caudal de 250 m3/h.

La calidad de la biometano producido puede diferir entre las tecnologías, pero en

general se puede suponer que su composición es apto para sustituir el gas natural

(Persson et al., 2006). Por lo tanto, se decidió que la concentración final de metano no

se adopte como la unidad funcional.

2.2. Análisis del inventario

Los datos de inventario se recompilaron de distintas forma dependiendo del flujo o

del proceso y se presentan en la Tabla 1. Cabe aclarar que, en cuanto al caudal de

entrada de cada solvente (agua, DGA y DEPG), se refiere a la reposición que se debe

hacer debido a las pérdidas que se generan en cada caso, no es el total que recircula por

el proceso.

Tabla 1. Inventario de entradas y salidas.

Flujo Unidades Proceso con solvente

Agua Aminas DEPG

Entradas

Biogás m3/h 250,000 250,000 250,000 Electricidad MJ 211,464 1115,309 518,652

Agua de enfriamiento m3/h 21,003 12,413 20,743 Aminas kg/h

1,318

Agua de red kg/h 3,953 1,276

DEPG kg/h

2,679

Salidas

Efluentes al aire

H2S kg/h 0,345 0,366 0,363

CO2 kg/h 166,287 185,695 178,272

CH4 kg/h 3,008 0,342 2,936

DGA kg/h

1,80E-13

H2O kg/h 2,510 3,464 6,159

N2 kg/h 0,022 0,003 0,005

DEPG kg/h

0,044

Efluentes líquidos

H2S kg/h 2,13E-05 3,41E-06

CO2 kg/h 3,19E-03 0,040

CH4 kg/h 2,36E-06

DGA kg/h

1,315

H2O kg/h 3,02 1,276

N2 kg/h 8,12E-09

DEPG kg/h

6,361



Para el caso del proceso de valoración absorción-desorción se obtuvieron los datos

simulando mediante el programa ProMax para cada solvente en estudio. A modo

representativo, se presenta en la Fig. 4 el esquema de flujo de proceso para el caso

donde se utiliza agua como solvente. A partir de ello se pudo determinar la cantidad de

insumos necesarios para cada proceso como así también la energía consumida. El

proceso con agua básicamente consiste en que el biogás crudo y comprimido alimente

desde el fondo a una columna rellena en contracorriente con agua que es rociada desde

el tope de la columna. El CO2 se absorbe en el agua y sale por el fondo de la torre.

Como también se absorbe metano, se coloca un flash para recuperarlo e ingresarlo

nuevamente a la columna de absorción. La corriente de líquido ingresa a una columna

de regeneración para capturar el CO2 y recircular el agua hacia la columna de absoción.

Los procesos de absorción-desorción con los tres solventes son semejantes (Fig. 1, 2 y

3), dependiendo de la sustancia absorbente (agua, amina o DEPG) que se utilice el

proceso tendrá sus particularidades. Una diferencia significante es que el proceso con

amina (Fig. 2) requiere una corriente de vapor en la columna de desorción para romper

los enlaces químicos formados durante la absorción. Por el contrario, en los procesos

con agua y DEPG no es necesaria la corriente de vapor ya que la absorción es física.

Fig. 4. Esquema del proceso de valoración con agua arrojado por el programa Promax.



Para los flujos de energía eléctrica y agua, se utilizaron datos locales para sus

respectivas generaciones con el fin de realizar un análisis aplicable a la valoración del

biogás en Argentina. En el flujo de energía, los datos fueron obtenidos de la matriz

energética del país, que se encuentra disponible en la página web de la Secretaría de

Energía de la Nación. Para el flujo de agua, se tuvieron en cuenta los datos del proceso

de potabilización de agua proporcionado por Aguas Santafesinas S.A. de la ciudad de

Santa Fe.

En lo que respecta a la producción de los solventes DGA y DEPG, se obtuvieron

datos de la literatura (Sutter, 2007).

2.3. Evaluación de impacto ambiental

El ACV se realiza en el programa computacional OpenLCA utilizando los datos del

inventario (Tabla 1) y los disponibles en la base del programa.

En el ACV se utilizó la metodología de evaluación de impacto CML 2001. Como

esta etapa tiene el propósito de evaluar cuán significativos son los impactos

ambientales, se seleccionaron las 11 categorías que se describen a continuación:

Potencial de acidificación. La acidificación de los suelos y aguas se produce

principalmente por la transformación de los contaminantes atmosféricos en ácidos,

produciendo una disminución en el valor pH del agua de lluvia y niebla. El óxido de

nitrógeno y dióxido de azufre, y sus respectivos ácidos, producen contribuciones

pertinentes.

Cambio climático, 100 años (GWP). Esta categoría de impacto se cuantifica

utilizando el índice de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés), que es una

medida relativa de cuánto calor puede ser atrapado por un determinado gas de efecto

invernadero en comparación con un gas de referencia, por lo general CO2. Se puede

adoptar en distintos plazos, en el presente trabajo se consideró un período a largo plazo

(100 años).

Potencial de eutrofización. Un alto contenido de nitrógeno y fósforo puede producir

un incremento de la producción de biomasa en los ecosistemas acuáticos, lo que

provoca un mayor consumo del oxígeno y consecuentemente trasformar las condiciones

aeróbicas del cuerpo de agua a anaeróbicas.



Toxicidad humana, 100 años (HTP). En esta categoría se incluyen solamente los

efectos sobre el hombre provocados por las sustancias tóxicas en el ambiente. Al

emitirse un contaminante, este no permanece en el punto de origen sino que se desplaza

debido al movimiento mismo del medio donde este (aire, suelo, agua superficial,

subterránea) y puede alcanzar largas distancias, es decir que el problema no es puntual.

Ecotoxicidad acuática en agua dulce, 100 años. Igual que para la categoría de

toxicidad humana pero incluye solamente los efectos sobre el ecosistema acuático de

agua dulce.

Ecotoxicidad de los sedimentos en agua dulce, 100 años. Igual que la anterior pero

en este caso encierra solamente los efectos sobre los sedimentos del ecosistema acuático

dulce.

Ecotoxicidad terrestre, 100 años. De igual forma que las toxicidades anteriores,

nomás que engloba los efectos ocasionados sobre el ecosistema terrestre.

Malos olores. Las molestias locales ocasionadas por las pérdidas de compuestos a la

atmósfera.

Agotamiento de los recursos abióticos. La disminución de la disponibilidad de los

recursos naturales. Para su cuantificación se tiene en cuenta el volumen de la reserva

disponible y el tiempo que se dispondrá de ella.

Oxidación fotoquímica (el smog de verano). Mediante la radiación solar, los óxidos

reaccionan con los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) produciendo ozono

troposférico, fenómeno producido principalmente durante los meses de verano. Estos

oxidantes foto-químicos pueden inferir sobre la salud humana, los ecosistemas y la

agricultura.

Agotamiento del ozono estratosférico, 40 años. La disminución de la capa de ozono

provoca un aumento en la cantidad de radiación ultravioleta que incide sobre la tierra,

generando consecuencias tales como aumento en las enfermedades, degradación de los

materiales, deterioro de los ecosistemas, entre otras.

3. Resultados

Los resultados obtenidos por el OpenLCA se muestran en la Fig. 5 donde se puede

observar el impacto generado, por el proceso con agua, amina o DEPG como solvente.



En cada categoría, el programa le asigna el 100 % al proceso con la mayor contribución,

es decir, al que acentúa más el aumento o formación del impacto. De esta forma, se

observa que el proceso con amina es el que genera los mayores impactos sobre el

ambiente, ya que en siete de las once categorías presenta el porcentaje total. En las

categorías de cambio climático, toxicidad humana y oxidación fotoquímica, el proceso

con DEPG tiene el mayor impacto. Mientras que el proceso con agua solo presenta el

impacto más alto en la categoría de malos olores, categoría en la que el comportamiento

de los tres procesos es muy parecido. Esta última similitud entre los tres solventes se

puede deber principalmente a que el biogás contiene ácido sulfhídrico, por lo que sería

conveniente eliminarlo en un paso previo a la purificación.

Analizando en forma global los resultados de la Fig. 5 se concluye que el proceso

con agua es el que genera los menores impactos sobre el ambiente, mientras que el

proceso con amina es el de mayor impacto. Ese resultado puede atribuirse a que el

Fig. 5. Comparación de los impactos de los procesos de purificación de biogás.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%

CML 2001 Categorías

Purificación con agua

Purificación con DEPG

Purificación con amina



proceso con solvente químico (amina) debe su baja performance al mayor consumo

energético originado por la necesidad de regenerar el solvente con vapor en la columna

de desorción del proceso de valoración, a lo que se suma la energía requerida para

producir la amina como materia prima. En los procesos con agua y DEPG como

solventes no se utiliza una corriente de vapor para la regeneración del solvente lo que

lleva a un menor requerimiento energético.

Los resultados muestran que la valoración de biogás con agua es la mejor opción

entre los tres procesos de valoración comparados. La misma conclusión fue alcanzada

por Starr et al. (2011) en un estudio de ACV que evaluó un proceso de lavado con agua

a alta presión, un proceso de absorción con reacción química en soluciones alcalinas y

un proceso de adsorción con cenizas provenientes de la incineración de residuos

domiciliarios.

4. Conclusiones

El Análisis de Ciclo de Vida de los tres procesos de valoración señala con precisión

al proceso más amigable con el ambiente, la absorción-desorción con agua como

solvente; y además nos indica que variables de los procesos necesitan revisarse para

mejorar la valoración del biogás.

Reconocimientos

Este trabajo ha sido apoyado económicamente por el CONICET, la Universidad

Nacional del Litoral y la provincia de Santa Fe.

Referencias

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ISO (International Standardization Organization) (1997). ISO 14040 Environmental Management - Life

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Patterson T., Esteves S., Dinsdale R., Guwy A. (2011). Life cycle assessment of biogas infrastructure

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Petersson, A., Wellinger, A. (2009) Biogas upgrading ttechnologies - developments and innovations IEA

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Starr K., Gabarrell X., Villalba G., Talens L, Lombardi L. (2011). Life cycle assessment of biogas

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