Factibilidad técnica y económica de la producción de hidrógeno a partir de lodos del tratamiento de agua y otros desechos

Technical and economic feasibility of hydrogen production using sludge from wastewater treatment and other wastes

Sergio Juárez-Hernández, Alejandra Castro-González*
Universidad Nacional Autónoma de México.
*Autor de correspondencia.

Dirección institucional de los autores:
M. en I. Sergio Juárez-Hernández.
Dra. Alejandra Castro-González.
Departamento de Sistemas Energéticos
Posgrado de la Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
Circuito exterior s/n, Ciudad Universitaria,
Delegación Coyoacán
04510 México, D.F., México ]]> Teléfono y fax: +52 (55) 5622 3899, extensión 44190
alcastro@unam.mx
xerxio.jh@gmail.com.

Recibido: 20/01/10
Aceptado: 06/09/12

Resumen

El proyecto Ecovía se desprende de una de las líneas de investigación del macroproyecto de la UNAM: "La Ciudad Universitaria y la Energía", cuyo objetivo central es transformar a la Ciudad Universitaria (CU) en un modelo de uso eficiente de energía. El Ecovía es un automóvil híbrido, el primero en el ámbito nacional que funciona con baterías y celda de combustible de hidrógeno (H₂). La celda de combustible consume 10.6587 gH₂/min, que se traducen en diez millones de pesos al año. Para la producción del hidrógeno existe una tecnología innovadora llamada fermentación oscura de desechos orgánicos; por ello se propone una planta semi-industrial aplicando esta tecnología. Los lodos de desecho de la planta de tratamiento de aguas residuales de CU se estiman en 45 ton/día, que sumadas a los residuos orgánicos de una granja porcina y restaurantes de CU, alcanzan 46.18 ton/día, lo cual generará 14.2678 kgH₂ sin purificar, o bien 9.98746 kgH₂ a 99.999% de pureza, tal como lo exige la celda de combustible del Ecovía. La propuesta de la planta de hidrógeno, factible en términos técnicos, financieros y económicos, se estimó que requeriría cerca de 4.5 millones de pesos como inversión inicial, los cuales se recuperarían en el primer año de funcionamiento de la planta. Asimismo, se disminuirían los costos derivados de la recolección y el transporte de los residuos ($1 540 080 pesos/año). La contribución ambiental del proyecto es la reducción de emisiones en 131.901 ton métricas de CO₂ equivalentes al día y la minimización de desechos sin tratamiento al medio ambiente.

Palabras clave: fermentación oscura, residuos, lodos, planta de tratamiento de aguas residuales, hidrógeno, factibilidad.

Abstract

ECOVIA is a project from one of the lines of research of the UNAM's macro-project "La Ciudad Universitaria y la Energía" (University City and Energy). Its main objective is to transform University City (UC) into a model of efficient energy use. ECOVIA is a hybrid car – the first nationally – which operates with batteries and a hydrogen fuel cell (H2). This fuel cell consumes 10.6587 gH2/minute which translate into 10 million pesos per year. Since dark-fermentation is an innovative technology for the production of hydrogen, a semi-industrial plant to apply this technology is proposed. Sludge from the wastes from the UC wastewater treatment plant is estimated to be 45 tons/day, which added to organic wastes from a pig farm and restaurants in CU, results in a total of 46.18 ton/day. This generates 14.2678 kgH2 without purification or 9.98746 kgH2 with a purity of 99.999%, as required by the ECOVIA fuel cell. The proposal for the hydrogen plant – which is technically, economically, and financially feasible – estimates the need for an initial investment of 4.5 million pesos, which can be recovered in the first year of the plant's operations. At the same time, costs of waste collection and transportation would decrease ($1 540 080 pesos/year). The environmental impact of the project is a reduction in emissions of 131.901 CO2 metric tons/day and minimization of the release of untreated wastes into the environment.

Keywords: dark-fermentation, wastes, sludge, wastewater treatment, hydrogen, feasibility.

Introducción

Los combustibles fósiles han generado contaminación junto con el problema de que las reservas se están agotando. El hidrógeno produce sólo agua al quemarse cuando se utiliza como combustible o es convertido en electricidad (Wang y Wan, 2008a y b). Existen varias formas de producción de hidrógeno (Tanisho e Ishiwata, 1995; Sparling et al., 1997; Tanisho et al., 1998; Liang et al., 2001; Mizuno et al., 2000a). La producción de hidrógeno por métodos biológicos a partir de materia orgánica se considera como una de las más importantes promesas alternativas para la producción de energía verde sustentable. Los procesos biológicos difieren de acuerdo con la presencia de luz, como el proceso de fotólisis o foto-fermentación y los procesos independientes de la luz, como la fermentación oscura (Hallenbeck y Benemann, 2002). La fermentación oscura es un proceso en el cual la bacteria anaerobia utiliza compuestos orgánicos para producir hidrógeno en ausencia de luz. Este proceso tiene dos beneficios ambientales, tales como la reducción del desecho y la producción de energía. Asimismo, este proceso usa de manera principal materiales de desecho orgánicos, por lo que recientemente ha incrementado la atención en varias investigaciones (Wang y Wan, 2008c; Kraemer y Bagley, 2004; Kim, 2002). Las fuentes utilizadas han sido aguas residuales de alta carga (Bolliger et al., 1985; Liu et al., 1995; Ueno et al., 1996; Zhu et al., 1999), desechos sólidos (Lay et al., 1999; Mizuno et al., 2000b) o algunas soluciones diluidas de melazas (Tanisho e Ishiwata, 1994), glucosa (Kataoka et al., 1997; Lin y Chang, 1999), celulosa (Lay, 2001), peptona (Bai et al., 2001) almidón (Lay, 2000) y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales (Xiao y Liu, 2009; Gómez et al., 2009; Lee y Ting, 2007). La mayoría de las tecnologías de bioproducción de hidrógeno se han llevado a cabo a escala de laboratorio. La implementación técnica para la producción de hidrógeno por luz hoy día está restringida por los requerimientos de espacio (Levin et al., 2004). En la actualidad existen muy pocos estudios técnicos y económicos sobre bioproducción de hidrógeno (Liu et al., 2005; Petrovic et al., 2005; Hemmes et al., 2003). Considerando las tasas de producción de hidrógeno que reportaron Levin et al. (2004), la fermentación oscura es el único método que tiene en el diseño dimensiones factibles para aplicaciones prácticas. En segundo lugar, la bioproducción de hidrógeno por fermentación oscura es una opción más interesante para la conversión de desechos orgánicos debido a su analogía con los sistemas de degradación anaerobia (Kapdan y Kargi, 2006) y actualmente hay estudios donde confirman su factibilidad comercial (Hawkes et al., 2007). Por ello, en el presente estudio se planteó la factibilidad técnica, económica y ambiental para la implementación de una planta piloto para la producción de hidrógeno, a partir del tratamiento por fermentación oscura, utilizando los desechos de una planta de tratamiento de aguas residuales y otros residuos. El hidrógeno obtenido será utilizado por el auto Ecovía, que consume hidrógeno y electricidad para su operación, y que fue diseñado por la Facultad de Arquitectura de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) (Salinas-Flores, 2009). La planta de hidrógeno proyectada abastecerá al auto como un modelo único en México.

Metodología

En la UNAM se encuentra un vehículo ecológico multifuncional (Ecovía), un automóvil híbrido, operado con electricidad e hidrógeno por medio de una celda de combustible. La celda de combustible tipo PEM (Proton Exchange Membrane, por sus siglas en inglés), con un consumo de hidrógeno (H₂) teórico de 10.6587 gH₂/min, con una pureza mayor o igual a 99.999%, comprimido a 41.37 MPa en un par de tanques de alta presión, con una capacidad máxima de 0.5 kg de H₂ cada uno. En Ciudad Universitaria (CU) se tiene una flotilla de 150 vehículos para la vigilancia de un área de más de 7 millones de m². Se espera que en un futuro, el Ecovía sustituya estas unidades que consumen gasolina, emitiendo aproximadamente 2.32 kgCO₂/L de combustible (Timilsina y Shrestha, 2009). El gasto económico del Ecovía es de 10.4 millones de pesos para operar ocho horas continuas por día durante un año. Por tal razón, es de suma importancia llevar a cabo un análisis de factibilidad para suministrar el hidrógeno necesario. En el cuadro 1 se aprecian los costos estimados de producción de hidrógeno de las principales metodologías disponibles a la fecha.

La materia prima la constituyen los lodos o biosólidos de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la UNAM (PTAR), la fracción orgánica de los residuos sólidos (FORS) de 16 comedores y seis barras de alimentos ubicadas al interior de CU, así como los residuos orgánicos (excremento) de una granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la UNAM (FMVZ). Diariamente se dispondría de 46 184 kg (46.18 ton) de residuos orgánicos, integrados de la forma siguiente: 1) lodos o biosólidos (LB) de la PTAR: 45 000 kg (97.43%), con 103 500 gDQO/día (DQO= demanda química de oxígeno) y, por tanto, 124.2 gH₂/día (Wang et al., 2003); 2) FORS de los comedores: 848.4 kg (1.84%) y FORS de las barras de alimentos: 281.6 kg (0.61%), que siendo 150 mLH₂/g FORSM (Lay et al., 1999), equivaldrían a 14.1436 kgH₂/día; 3) residuos orgánicos de la granja porcina (ROGP) de la FMVZ: 53.9 kg (0.12%), que generan 0.41 mmol H₂/L substrato (Thompson, 2008) y que equivaldría a 0.04463 gH₂/día.

Operaciones para la producción, almacenamiento y suministro de hidrógeno

Recepción, trituración de los desechos y depósito temporal. Los FORS se verterían en una tolva receptora que los conduciría hacia un triturador de 3 HP a 1 450 rpm, con una velocidad de 400 kg/h. Al concluir el proceso, se obtendría una mezcla y se almacenaría en un depósito temporal de 50 m³. Los ROGP y los LB se depositarían en el almacenamiento temporal.

Inóculo. El ROGP funciona como inóculo adecuado de generadores de hidrógeno. Se expondrían a un pretratamiento térmico a alta temperatura entre 80 y 100 °C, para eliminar las cepas de microorganismos consumidores de hidrógeno o hidrogenófilos (Campos et al., 2005; Thompson, 2008).

Fermentador. Los parámetros a controlar más importantes son la temperatura, el pH y el mezclado (Wang y Wan, 2008d). El volumen del fermentador deberá ser de 260 m³, de forma cilíndrica, con un diámetro y altura de 8.71 m y 4.35 m, respectivamente. La fermentación oscura operaría a condiciones termofílicas (Shin et al., 2004). Se utilizará un sistema de mezclado mecánico, con una velocidad de mezclado que no exceda las 120 rpm (Chia-Hung et al., 2008). El intervalo de pH variará de 5.0 a 6.0 (Chen et al., 2001; Fang y Liu, 2002; Khanal et al., 2004; Lay, 2001). Una variación gradual del pH podría ocasionar el cese de la producción de hidrógeno (Dabrock et al., 1992). Conforme la concentración de hidrógeno crece, la síntesis de hidrógeno decrece; sin embargo, a medida que la temperatura se incrementa, el proceso es menos vulnerable a la concentración de hidrógeno (Levin et al., 2004). La síntesis continua de hidrógeno a una temperatura de 60 °C requiere una presión parcial < 50 kPa (Lee y Zinder, 1988); a 70 °C, < 20 kPa (van Niel et al., 2002), y a 98 °C, < 2 kPa (Adams, 1990). El biogás generado en el fermentador deberá extraerse con regularidad. La síntesis de hidrógeno alcanza un ritmo de hasta de 77 mmol H₂/h por litro de cultivo (Kumar y Das, 2002). Para la cantidad de residuos orgánicos disponibles de 14.2678 kgH₂/día se tendrá un volumen de cultivo (L_C) de 3 829.71 L. El TRH apropiado es de cinco días, dado que permitiría obtener el mayor volumen de hidrógeno sin que la concentración de alcoholes que inhiben la producción alcance niveles críticos (Lay et al., 1999).

Sistema de separación, purificación y almacenamiento de hidrógeno. La tecnología de purificación conocida como PSA (Pressure Swing Adsorption, por sus siglas en inglés) es la que mejor calificaría para este propósito. El costo por almacenamiento en estado líquido es elevado (Carpetis, 1994; Schwarz y Amonkwah, 1993). Se propone el sistema de compresión y que se deposite en un tanque de almacenamiento con una capacidad de 70 kg y una presión de operación de alrededor de 24 MPa.

Estación de abastecimiento de hidrógeno. El sistema para el suministro del combustible utilizaría un segundo compresor, que aprovecharía la presión del hidrógeno contenido en el tanque de almacenamiento de la planta (24 MPa) para recargar con facilidad los depósitos presurizados del Ecovía a su presión nominal de 41.3678 MPa.

Desechos digeridos. Eventualmente, estas sustancias podrían ser convertidas también en hidrógeno por vía de otro proceso biológico, como la foto-fermentación o bien en metano (CH₄), por medio de un reactor anaerobio adicional (de Vrije y Claassen, 2005).

Análisis financiero

Donde P se refiere a la inversión inicial del proyecto; i es la TMRA o costo del capital; n, el horizonte del proyecto, y f_NE son los flujos netos de efectivo.

Tasa Interna de Retorno (TIR)

Donde i representa la TIR.

Relación Costo-Beneficio (RCB)

Resultados y discusión

En la figura 1 se presenta el tren de tratamiento de los desechos hasta el aprovechamiento del hidrógeno. La capacidad de producción de hidrógeno, de acuerdo con las estimaciones realizadas, alcanzaría los 14.2678 kgH₂/día. Sin embargo, el sistema de separación y purificación PSA sólo recupera el 70% del hidrógeno presente en el biogás; la producción de hidrógeno, con el 99.999% de pureza para ser utilizado en el Ecovía será de 9.9874 kgH₂/día. En el cuadro 2 se presentan los valores estimados en relación con la capacidad de producción de hidrógeno de la planta.

Factibilidad ambiental

La producción de hidrógeno por fermentación oscura genera dióxido de carbono, producido en proporción 1:2 (CO₂:H₂ v/v), y que es reconocido como uno de los gases de efecto invernadero que contribuyen al agravamiento del fenómeno del calentamiento global. No obstante, puesto que el CO₂ proviene de materia orgánica, biomasa, se considera que no hay emisiones netas de este gas, ya que se simula el ciclo natural del carbono, por lo tanto la fermentación oscura se clasifica como un proceso neutral de CO₂ (de Vrije y Claassen, 2005). La descomposición natural de la materia orgánica origina la emisión incontrolada de otro gas, el metano (CH₄), veinte veces superior al del CO₂. El potencial máximo de generación de metano en un vertedero para residuos rápidamente degradables (RRD) depende de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, los residuos ganaderos y los fangos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, que es de 0.20 m³CH₄/kg RRD (Campos et al., 2005). De ahí que aprovechar 46.18 ton de residuos orgánicos de CU frena la emisión de metano en la proporción de 9 236.79 m³/día, es decir, 131.901 ton métricas de CO₂ equivalentes al día (EPA, 2009), lo cual representa una medida de seguridad y de política ambiental altamente efectiva.

Factibilidad económica

En el cuadro 3 se muestra un estimado de la inversión inicial. Para el costo capital anual de los equipos se asume que representa el 15% de su valor de adquisición, mientras que el gasto anual por concepto de energía equivale al 10% del mismo (de Vrije y Claassen, 2005). En el cuadro 4 se observan las estimaciones de los costos capitales y por consumo de energía por año de la planta de producción de hidrógeno, asumiendo como nulo el costo de adquisición de la materia prima y sin considerar los costos derivados del transporte de la materia prima y del pago al personal adscrito a la planta. Dado que se espera que la producción anual de hidrógeno al 99.999% de pureza alcance los 2 167.2788 kg y que los costos anuales totales de la planta asciendan a $1 037 305.9, el costo estimado de producción por kilogramo de hidrógeno resulta ser igual a $478.62/kgH₂.

Factibilidad financiera

En la determinación del VAN del proyecto de la planta de hidrógeno, los flujos netos de efectivo serán por anualidades; los egresos están representados por las estimaciones de los costos totales por año ($1 037 305.90 pesos) y se supondrá que éstos aumentarán cada año a un ritmo del 15%. El estimado de la producción de hidrógeno en el mismo lapso (2 167.2788 kgH₂/año) constituirá los ingresos de la planta, puesto que se traduce en el "ahorro" que se tendrá al evitar la compra del hidrógeno al precio comercial de $4 688.43 pesos por 0.5 kg de H₂, y para el cual se contemplará un incremento del 5% anual. El horizonte del proyecto será de 15 años, periodo de vida máximo de la mayoría de los fermentadores. Si la TMRA es del 20%, el VAN es igual a $129 948 717.00 pesos; en tanto que cuando la TMRA es del 40%, el VAN resulta ser de $59 573 094.80 pesos. En ambos casos, el VAN es positivo, y se traduce en que la inversión sí se recuperaría a la TMRA correspondiente en un periodo no mayor de un año de acuerdo con los flujos netos de efectivo calculados y con una ganancia adicional; por lo tanto, el proyecto se califica como económicamente viable. La TIR es igual a 432.62%, valor que también supone que el proyecto es viable, dado que es una cifra muy superior a las TMRA usuales. El cálculo de la RCB se realizó con dos TMRA; así, la RCB correspondiente para cada TMRA es de 29.83 y 14.22. En los dos planteamientos, la RCB es mayor a uno, lo cual significa que el proyecto resulta factible desde el punto de vista económico.

Conclusiones

Agradecimientos

Los autores agradecen al rector, doctor Juan Ramón de la Fuente, que creó el Programa Transdisciplinario en Investigación y Desarrollo para Facultades y Escuelas de la UNAM; a la doctora Rosaura Ruiz, titular de la Secretaría de Desarrollo Institucional; al doctor Alipio Calles Martínez, jefe de la Unidad de Apoyo a la Investigación en Facultades y Escuelas; al Comité Interno del macroproyecto "La Ciudad Universitaria y la Energía", conformado por el maestro en Administración José Gonzalo Guerrero Zepeda, director de la Facultad de Ingeniería; el doctor Ramón Peralta y Fabi, director de la Facultad de Ciencias; el licenciado Luis Jiménez Escobar, secretario administrativo de la Facultad de Ingeniería; el maestro en Ciencias, Javier García García, secretario de Vinculación de la Facultad de Ciencias; el doctor Eduardo Arriola Valdés, coordinador del macroproyecto, y el maestro en Ingeniería Carlos Villanueva Moreno, coordinador académico.

Al maestro en Ingeniería Hilario García, responsable de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Ciudad Universitaria de la UNAM.

Al maestro Gerardo Arzate Pérez, coordinador y jefe de Diseño del proyecto Ecovía, Vehículo Ecológico Multifuncional.

Los autores agradecen también el apoyo otorgado por DGAPA en el proyecto PAPIME 100810: "Prototipos de Sistemas de Energía y Biocombustibles".

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