Situación actual y tendencias del desarrollo de la industria del biogás en Estados Unidos

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Situación actual y tendencias del desarrollo de la industria del biogás en Estados Unidos 1. Resumen: En general, el desarrollo de la ingeniería relacionada con el biogás en Estados Unidos es más lento en comparación con Europa y China. En la década de los 70, el aumento del precio del petróleo impulsó la construcción de algunas instalaciones para la producción de biogás. Entre los años 1970 y 1990, se construyeron aproximadamente 140 plantas de biogás, con el objetivo principal de utilizarla como fuente de energía. Sin embargo, debido a problemas como instalaciones rudimentarias, un diseño no estandarizado, una instalación inadecuada y una mala gestión, la mayoría de estos primeros tanques de fermentación de biogás ya han sido desechados o dejaron de utilizarse. En los últimos cinco años, debido al calentamiento global y a la escasez de energías fósiles, la tecnología del biogás ha ganado cada vez más importancia. Asimismo, las investigaciones relacionadas con este tema y la construcción de proyectos piloto han ido en aumento. Según las estadísticas de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), en el año 2007 había aproximadamente 111 plantas de generación de energía a partir del biogás en funcionamiento. Se trataba, en su mayoría, de plantas ubicadas en granjas avícolas y ganaderas. Estas plantas generaron una cantidad total de energía equivalente a 215 millones de kWh al año. En el año 2007, la energía generada por las plantas de biogás fue 3 veces mayor que en el año 2003. 2. Los principales impulsores para el desarrollo de la tecnología relacionada con el biogás 2.1 Los beneficios ambientales y energéticos son los principales motivos que impulsan el desarrollo de esta tecnología en Estados Unidos. Según una investigación realizada por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) sobre las emisiones de metano generadas por actividades humanas, entre los años 1990 y 2005, las emisiones de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono provenientes de los sectores energético e industrial disminuyeron. En cambio, las emisiones de gases de efecto invernadero como el metano, derivadas de la gestión de los residuos animales, aumentaron en un 34%. Porque, en las granjas estadounidenses, la cría de animales y la agricultura van estrechamente relacionadas. Anteriormente, los desechos provenientes de la cría de animales se almacenaban al aire libre en tanques especiales, para luego ser utilizados como fertilizante en los campos. Este proceso de almacenamiento generaba grandes cantidades de gases de efecto invernadero como el metano y el dióxido de carbono. Las instalaciones de biogás permiten reducir al máximo las emisiones de gases de efecto invernadero, controlar la liberación de olores desagradables y evitar la contaminación de los recursos hídricos causada por la pérdida de estiércol, entre otros beneficios ambientales ； Al mismo tiempo, se genera energía en forma de biogás utilizable (50-70% metano), además de un fertilizante de valor nutricional para la investigación científica, lo que permite mejorar las condiciones sanitarias. Debido a los beneficios que ofrecen estas plantas de biogás y a las cada vez más estrictas exigencias ambientales, ha aumentado el interés de los agricultores y de las empresas dedicadas a las energías renovables por construir tales plantas. 2.2 Políticas de incentivo En los últimos años, con el objetivo de fomentar la construcción de plantas de biogás a partir de los residuos animales y vegetales, y así lograr una reducción en el consumo de energía y las emisiones, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA), la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han colaborado para crear el proyecto AgSTAR. Este proyecto tiene como finalidad establecer una plataforma de gestión y servicios para el desarrollo de proyectos de biogás, proporcionando información sobre políticas, regulaciones legales, aspectos técnicos, equipos necesarios y oportunidades de mercado relacionadas con la construcción de tales plantas. El gobierno federal de los Estados Unidos y los estados también establecen programas para fomentar el desarrollo de proyectos de biogás y brindan apoyo financiero. Por lo tanto, la mayoría de las plantas de biogás reciben apoyo del gobierno federal de los Estados Unidos. Por ejemplo, la sección 9006 de la Ley de Subvenciones Financieras de 2002, relativa a las políticas de incentivo de los gobiernos federales y estatales, establece medidas de apoyo para los proyectos relacionados con el biogás. Desde el año 2003, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos ha asignado un total de 31 millones de dólares para financiar sistemas de digestión anaeróbica. El programa “Préstamos para digestores de metano” del Departamento de Agricultura de Minnesota ofrece préstamos sin intereses a los agricultores que desean construir plantas de generación de energía a partir del biogás. 3 Tres procesos típicos de digestión anaeróbica en los Estados Unidos 3.1 Estanques anaeróbicos con membrana: Se coloca una membrana sobre los estanques existentes para almacenar estiércol animal, con el fin de capturar el biogás. La carga orgánica es baja, generalmente entre 0,05 y 0,2 KgCOD/M3.d. El tiempo de retención hídrica es de 60 a 360 días, dependiendo de la gestión de la instalación. Fermentación a temperatura media de 35-40,5°C; la carga orgánica es de 1-10 KgCOD/M3·d. El tiempo de retención hidráulica es de 5 a 20 días; la concentración de materia orgánica en los residuos tratados es del 3 al 10%. Actualmente, la nueva tecnología alemana de tanques anaeróbicos integrados para la producción y almacenamiento de gas ya se está utilizando en granjas de estados agrícolas como Wisconsin, en Estados Unidos. Gracias a su bajo costo y fiabilidad técnica, está convirtiéndose gradualmente en el tipo de tanque más utilizado. 3.3 Digestor anaeróbico de tipo tubular: se trata de una estructura subterránea de hormigón armado, de forma alargada y estrecha. Se genera calor en su interior; por lo general, en la parte superior cuenta con una membrana que sirve para recolectar el biogás. Se utiliza una fermentación a temperatura media de 35-40,5 °C, con una carga orgánica de 1-6 KgCOD/M3.d. El tiempo de retención hidráulica es de 18-20 días; la concentración de materia orgánica en los residuos tratados está entre el 5-13%. Se utiliza comúnmente en establos de ganado vacuno, pero no es adecuado para excrementos que contengan arena. Digestor anaeróbico de flujo estancado para residuos de una granja lechera de 800 vacas. Debido a su bajo costo de construcción y a la facilidad de su gestión, este tipo de proceso anaeróbico se ha convertido en el método más utilizado en Estados Unidos. Las instalaciones de tipo flujo continuo, mezclado completo y con revestimiento constituyen, respectivamente, el 58%, 27% y 19% del total de proyectos relacionados con el biogás. También hay algunas granjas que utilizan los procesos ASBR y UASB para tratar las aguas residuales provenientes de los cerdos. 4 Principales obstáculos en el desarrollo de la ingeniería de biogás en Estados Unidos Actualmente, el desarrollo de la ingeniería de biogás en Estados Unidos se enfrenta a varios obstáculos de carácter económico, técnico, político y social. 4.1 En el ámbito económico: el costo de generación de energía a partir de fuentes fósiles es muy bajo (en promedio, 0,09 dólares/KWh). En cuanto a la generación de energía a partir de biogás, el retorno de la inversión es bajo (0,05-0,11 dólares/KWh). Se requieren inversiones significativas, pero los incentivos financieros no son suficientes. Además, existen problemas relacionados con los plazos de los contratos con las compañías eléctricas. 4.2 En el aspecto técnico: problemas de control para que los residuos del pantano puedan utilizarse como material de relleno en los establos y como abono, manteniendo al mismo tiempo estándares sanitarios adecuados. Existen riesgos técnicos significativos (por ejemplo, la falta de capacidad por parte de los agricultores para operar y mantener sistemas complejos de biogás, la reducción del fósforo en los líquidos resultantes de la fermentación, y la necesidad de aumentar la tasa de producción de gas). 4.3 En cuanto al sistema: debido a que las granjas en Estados Unidos están dispersas e independientes, resulta difícil implementar proyectos centralizados de biogás con alta eficiencia en su desarrollo. Además, el sistema de comercio de créditos de carbono y verdes no se aplica de manera adecuada. 5. Avances en las nuevas tecnologías relacionadas con el biogás. 5.1 Nuevos modelos para el desarrollo y uso del biogás. El tiempo de retención en los estanques anaeróbicos revestidos para tratar las aguas residuales provenientes de 8600 cerdos es corto. Tratamiento de lodos con concentración de TS de 0,5-3,0 %. Se utiliza principalmente en el tratamiento de aguas residuales provenientes de estiércol de cerdo. Investigación Científica: Nuevos modelos para el aprovechamiento del biogás generado a partir de residuos orgánicos en Estados Unidos. 5.2 Tecnologías relacionadas con el gas natural renovable: En Estados Unidos, el precio del gas natural sigue siendo 3-5 veces más alto que el costo de producción de biogás. Por lo tanto, es posible obtener beneficios económicos al purificar y mejorar el biogás, cuyo contenido de metano es del 50%-70%, para convertirlo en gas natural con un contenido de metano del 94-98%. Actualmente, la mayor planta de gas natural renovable en Norteamérica se encuentra en Huckabay Ridge, en el estado de Texas. En esta planta, el biogás se purifica y comprime para convertirlo en metano de alta pureza, el cual luego se introduce en las tuberías de gas natural. La planta comenzó a operar en octubre de 2008. El tratamiento de los excrementos de 10.000 vacas lecheras supone una inversión total de 12 millones de dólares; se estima que esto permitirá generar 200.000 toneladas anuales de créditos de carbono que puedan ser utilizados para compensar las emisiones. 5.3 Tecnología de fermentación anaeróbica en seco a alta concentración: En octubre de 2007, entró en funcionamiento una planta piloto desarrollada por la profesora Zhang Ruihong de la Universidad de California en Davis para el tratamiento por fermentación anaeróbica en seco de 8 toneladas diarias de residuos orgánicos como los provenientes de restos alimenticios. El uso de un sistema de fermentación anaeróbica en alta temperatura para materiales orgánicos de alta concentración presenta la ventaja de una alta tasa de producción de gas y una menor cantidad de material residual después de la fermentación. Actualmente, se están desarrollando proyectos anaeróbicos a escala productiva. 5.4 Tecnología de generación de energía mediante pilas de combustible a base de biogás. En el año 2005, el profesor Philip Goodrich de la Universidad de Minnesota logró desarrollar con éxito un generador de pilas de combustible de hidrógeno de 5 KW, utilizando la tecnología relacionada con el biogás proveniente de granjas lecheras en Haubenschild. Este generador tiene la ventaja de ser silencioso y no contaminante, pero presenta las desventajas de un alto costo de generación de energía y un tamaño considerable. 6 Algunas recomendaciones. En resumen, teniendo en cuenta la situación real del desarrollo de las industrias de biogás en China, para fomentar un desarrollo rápido y eficaz de esta industria en nuestro país, el autor cree que hay varios aspectos en los que se puede trabajar. Primero, es necesario mejorar las políticas de incentivo para las energías renovables. Dada la naturaleza benéfica de los proyectos relacionados con el biogás en términos de ahorro de energía y reducción de emisiones, así como los beneficios ambientales que generan, se debe aumentar el apoyo financiero y los créditos con intereses reducidos. Al mismo tiempo, se estudian y se establecen políticas de mercado para el comercio de créditos de carbono relacionados con los proyectos de biogás a nivel nacional. En segundo lugar, es necesario fortalecer el desarrollo de nuevas tecnologías y equipos para la producción de biogás, con el objetivo de lograr su industrialización, escalabilidad y normalización. También es importante modular los tanques de fermentación, mejorar la calidad del producto y reducir los costos de construcción. En tercer lugar, se debe investigar la tecnología de fermentación combinada con múltiples materias primas a alta concentración, a fin de asegurar un suministro suficiente de materias primas para la producción de gas y así aumentar la eficiencia de los dispositivos utilizados en esta tarea. Fomentar el desarrollo de las plantas de biogás hacia una mayor centralización y en escala más grande, con el fin de mejorar su rentabilidad económica y su eficiencia energética. Cuarto, mejorar la capacidad de comercialización del biogás. Eliminar los obstáculos para la conexión de la generación de energía a partir de biogás a la red, y aplicar subsidios a las tarifas eléctricas. Se lleva a cabo la investigación y desarrollo de tecnologías para purificar y comprimir el biogás, convirtiéndolo en metano de alta pureza, con el fin de inyectarlo en las redes de gas natural y utilizarlo como combustible para vehículos. De este modo, se logra un uso más avanzado del biogás y se mejora la eficiencia energética. En quinto lugar, es necesario mejorar y planificar de manera racional la distribución de las industrias de cría y cultivo, a fin de lograr un equilibrio entre ellas. Esto permitirá garantizar un uso eficiente del lodo y los residuos derivados de estos procesos, reduciendo así los costos de transporte y mejorando la eficiencia.