Valorización energética de los fangos de EDARs mediante la producción de hidrógeno a través de procesos de descomposición catalítica

Valentín García Albiach y Juan M. Coronado

Agua - Energía

• El agua residual contiene más de 2,5 veces la energía necesaria parasu tratamiento (aprox. 3.100 MJ/1.000 m3) . La pregunta que se nosplantea es obvia:

• ¿Cuál es la mejor manera de extraer y utilizar ésta energía del procesode depuración de las aguas residuales?

– Por un lado, nuevas tecnologías de extracción de la energía en la línea deagua.

– Utilización de energías limpias para el tratamiento avanzado del agua(nutrientes específicos).

– En cuanto a la línea de fango, el método más común hasta hoy es ladigestión anaerobia y la correspondiente generación de gas. Se abordará elestudio de nuevas tecnologías para su optimización así como alternativas.

Planteamiento general

• Actualmente el método habitual de valorización energética esemplear el biogás, producido por digestión anaerobia de losfangos, en motores adaptados para la cogeneración eléctrica.No obstante, debido a la relativamente baja eficiencia delproceso (con un rendimiento del 40%) la reducción de emisionesde CO2 por este proceso es muy limitada (254-360 g CO2/kWh).

• Una alternativa potencialmente interesante para la valorizaciónenergética de los fangos es la obtención de hidrógeno pormedio de procesos de descomposición catalítica de biogás. Elgran atractivo de este proceso radica en que por cada kWhproducido en forma de electricidad se produce el secuestro demás de 200 g de CO2, que queda inmovilizado en forma dedepósitos carbonosos.

Hidrógeno como Vector Energético• Se fundamenta en su carácter de combustible limpio, y “moneda” de cambio

energética (vector)• En su versatilidad, que posibilita tanto su aprovechamiento para la producción

de electricidad empleando pilas de combustible, como su uso directo enmotores de combustión adaptados a tal efecto.

La producción de H2 a partir de fuentes renovables es unade las alternativas más prometedoras para el futuroesquema energético en conexión con el uso de pilas decombustible.

¿Por qué necesitamos H2 ?

El aprovechamiento energético de los fangos de EDAR’s que ha llegado al final de su ciclo y deben ser desechados es más complejo que la utilización directa del biogás, aunque la pirólisis puede resultar una opción muy atractiva para valorizar este residuo

¿Cómo transformar un residuo en un recurso ?

Pirólisis de Fángos de EDAR’s

Composición de los aceites de pirolisis de fangos en función de latemperatura.

Los fangos pueden ser considerados combustibles en si mismos, aunque de baja calidad, pero son también una fuente de hidrógeno, que constituye uno de los vectores energéticos más flexibles

Aprovechamiento energético de los fangos y Biogás

El biogás es básicamente una mezcla de CH4 (40-70%) y CO2 , mientras que los bioaceites de pirólisis son mezclas muy complejas de hidrocarburos y compuestos oxigenados como fenol y ácidos orgánicos.

Tecnologías Proceso Ventajas DesventajasCombustión CnHm + (m/2+n)O2 →

n CO2 + m/2 H2OTecnología madura y comercial

Rendimiento energético moderado

Emisiones elevadas de CO2 (254-360 g/kWh)

Reformado con vapor

CH4+2 H2O → CO2+4 H2 Tecnología Madura

Temperatura de proceso moderadas

Emisiones significativas de CO2

Precisa procesos de purificación

Descomposición CH4 → C +2H2 Elevada capacidad reducción de emisiones de CO2 (-200 g/Kw)

Hidrógeno de alta pureza

Temperaturas de proceso elevadas

Problemas de desactivación

Necesidad de gestionar el residuo carbonoso

CH4+H2O →CO+3H2 [ΔH=206 kJ/mol]

CH4+1/2O2 →CO+2H2

[ΔH=-35.6 kJ/mol]CH4+O2 →CO2+2H2

[ΔH=-319.3 kJ/mol]

CH4 →C +2H2 [ΔH=75.6 kJ/mol]

CnHm + n/2O2 + nH2O → nCO2 + (n + m/2)H2

Generación de H2 integrada en el ciclo de la EDAR a partir de compuestos residuales

La propuesta de INTEGRAGUA

Retos y soluciones propuestas en el proyecto

El proceso tiene lugar a temperatura elevadas

(1100ºC)

Los catalizadores de cobaltoreducen la temperatura

necesaria (700ºC)

Es necesario separar el carbón y regenerar el

catalizador

Las propiedades magnéticas del Co son un ventaja para la separación y operación

del reactor

M (T)

Cada 1.2 m3 de H2generará 0.3 Kg de

carbón que es preciso valorizar

Producción de compost y materiales estructurales

para construcción

Generación de H2 integrada en el ciclo de la EDAR a partir de compuestos residuales

Reactor de demostración de INTEGRAGUA

FangosH2

Reactor Rotatorio capaz de producir 150 L/h de H2.

Pirólisis/gasificación Descomposición Catalítica

Fermentación

Separación/ Purificación

Biogás

El carbón como material dealta tecnología

Un atractivo adicional de la descomposición catalítica de biogás es la posibilidad de producir variedades de carbono con interés tecnológico (grafito, nanotubos o grafeno) casi a la carta.

grafito

nanotubos

grafeno

P. Jana, V.A. de la Peña O'Shea, J.M. Coronado, D.P. Serrano, Energy & Environ. Sci. 4 (2011) 778.