Tecnología de membranas poliméricas: avances en purificación de Biogás

Desde la revolución industrial, la transición energética hacia el uso masivo de combustibles fósiles tuvo como protagonistas al carbón, el gas natural y el petróleo.

Con dichas fuentes de energía no renovables se generó un panorama económico próspero, pero no se vislumbraron las repercusiones medioambientales que traería consigo.

Las grandes emisiones a la atmósfera de dióxido de carbono y metano generadas durante la cadena de producción y uso de los combustibles fósiles han contribuido sustancialmente al fenómeno del calentamiento global y sus efectos en el cambio climático.

Estudios estadísticos estiman que se dependerá del gas natural y el petróleo por algunas décadas; no obstante, la migración hacia una economía energética sostenible ya está en progreso [1, 2]. Las llamadas energías verdes o energías limpias basadas en el aprovechamiento del sol, el viento, el agua o la biomasa están siendo impulsadas en favor de tecnologías menos contaminantes, eficientes, asequibles y que garanticen el suministro energético.

El biogás es un bioenergético que resulta del aprovechamiento de la materia orgánica de desecho (de la actividad agrícola y ganadera, de desechos urbanos e industriales) sometida a un proceso de biodegradación controlada. Por sus características, el biogás es considerado una fuente de energía limpia y sustentable,  capaz de sustituir al gas natural y al gas licuado de petróleo (gas LP).

El metano es el componente mayoritario del biogás crudo, pero otros gases como el dióxido de carbono están presentes en un alto porcentaje, además de ácido sulfhídrico y nitrógeno, entre otros, en menores proporciones. Estos gases contaminan el biogás y reducen su pureza y poder calorífico, por lo que para acceder a un biogás de mayor calidad se requiere un proceso de purificación (conocido en inglés como upgrading) que separe esos gases e incremente la cantidad de metano en el biogás.

Con la aplicación de metodologías de purificación basadas en absorción, adsorción, criogenia o separación selectiva con membranas poliméricas se puede obtener un biometano, es decir, un biogás enriquecido con metano (95-99 %) de características equiparables al gas natural, que puede ser almacenado y transportado.

Producción de biometano: hacia un futuro sostenible

La calidad del biogás es determinante para ampliar los horizontes en uso y aplicaciones eficientes, ya que un biogás de alta calidad puede usarse para la producción de energía eléctrica, como combustible vehicular e, incluso, sumarse a la red de suministro para consumo de la población o industria [3] (figura 1). Así, estudios económicos inclinan la balanza hacia la producción de biometano y proyectan que al menos se quintuplique la producción actual para 2050 [4].

Las capacidades de generación de biogás a pequeña y gran escala tienden al alza en todo el mundo [5]. Países de Europa son líderes en producción de biogás y biometano para generación de electricidad y para vehículos de transporte [2, 6]. Estados Unidos de América no se ha quedado atrás y aprovecha su amplia actividad agrícola y ganadera [7, 8]. Algunos estudios han estimado que acciones de esta naturaleza pueden llevar a reducir 60-80 % de las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que significaría un total cambio hacia una política energética de cero emisiones netas [9].

Tecnología de membranas poliméricas: avances y oportunidades

La separación selectiva con membranas poliméricas está catalogada como una tecnología eficiente para la purificación del biogás y recientemente se ha incrementado su aplicación comercial, puesto que es fácil de operar y adaptable, presenta bajo consumo eléctrico, alta recuperación de metano y no requiere de agua o compuestos químicos, por lo que su impacto ambiental es mínimo. Además, el dióxido de carbono separado no se libera a la atmósfera, sino que puede utilizarse para otros fines industriales [10] (Figura 2).

Las membranas están diseñadas con materiales poliméricos de alto desempeño como polisulfonas, poliimidas o acetatos de celulosa. Un proceso multietapas con varios módulos de membranas interconectados son clave para generar un ciclo altamente eficiente que garantice la obtención de biogás con un grado de pureza ≥98 % [11].

Desde 2015, la tecnología de membranas poliméricas ha madurado rápidamente y ha sido seleccionada para plantas tratadoras de biogás que operan en Europa, Asia y América, donde al menos el 30 % del biometano es producido de esta forma [2, 12]. Los casos de éxito de membranas de poliimidas y polisulfonas en instalaciones mundiales demuestran su viabilidad tecno-económica y de escalabilidad y se pronostica que su número siga en aumento [13, 14].

En el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) se investiga sobre materiales poliméricos y compuestos a base de polisulfonas, poliéteramidas, polibenzimidazoles y otros polímeros de especialidad al tiempo que se estudian sus propiedades y desempeño como membrana de separación de dióxido de carbono y metano [15].

En México, hay grandes oportunidades para desarrollar energías renovables a partir de desechos orgánicos, pues se estima que se generan más de 500,000 toneladas de biomasa por día [1]. El avance ha sido lento e intermitente, pero hay señales prometedoras con propuestas de la iniciativa privada, en las que el biogás obtenido se usa en la generación de energía térmica y eléctrica para autoconsumo. La mayoría opera biogás con un mínimo tratamiento, mientras que la producción de biometano es claramente escasa.

A medida que haya mayor aceptación del biogás como una fuente de energía renovable y sostenible, también se abrirán las puertas de la transición hacia el biometano, donde la tecnología de membranas poliméricas tendría un rol clave [2].