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Energía

Residuos útiles

Desagües y efluentes industriales suministran la materia prima para la producción de hidrógeno y electricidad

Desagües y efluentes industriales: biomasa con valor agregado

MIGUEL BOYAYAN Desagües y efluentes industriales: biomasa con valor agregadoMIGUEL BOYAYAN

La principal cualidad del hidrógeno como combustible destinado a la generación de energía eléctrica es que no produce ningún tipo de residuo o contaminante. Hace funcionar a las células de combustible, aparatos que extraen los electrones de ese gas para producir electricidad sin daños ambientales. El problema es que el hidrógeno (H2) no existe aislado en la naturaleza, está siempre unido a otras sustancias como el agua (H2O). Una de las alternativas en la estera de la preocupación ambiental es la reutilización del agua con producción de energía renovable, usando desagües y efluentes industriales, como lo demostró un grupo de investigadores de la Escuela de Ingeniería de São Carlos (EESC) de la Universidad de São Paulo (USP). Éstos ganaron el 5º Premio Mercosur de Ciencia  y Tecnología, edición 2008, en la categoría Integración. El galardón por la investigación Producción de biohidrógeno con aguas residuales para su utilización como fuente alternativa de energía contó también la autoría de investigadores de la Universidad de La República, de Uruguay. El tema del premio fue Biocombustibles y contó con el apoyo de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (Unesco), entre otras entidades.

Uno de los coordinadores del trabajo es el profesor Marcelo Zaiat, del Departamento de Hidráulica  y Saneamiento de la EESC. Zaiat dice que el proyecto valora los desagües y las aguas residuales industriales, considerados también un tipo de biomasa, al transformar desechos en medios de producción de energía. Es un proceso trabajoso, pero barato y ambientalmente favorable, con características de proceso sostenible en relación con el proceso más común para extraer hidrógeno del agua llamado electrólisis, no indicado en forma amplia pues consume electricidad para generar más electricidad, sin ganancias significativas. Solamente las centrales hidroeléctricas, durante la noche, cuando la demanda cae, o en épocas del año muy lluviosas, están en condiciones ideales de hacer ese proceso con bajo costo. El avance tecnológico de las células de combustible en la década de 1990, actualmente producidas y comercializadas por pocas empresas, aún en forma experimental, como generadores de energía eléctrica estacionarios, y utilizadas en prototipos automotores, impulsó la carrera por la búsqueda de medios para obtener ese combustible.

El grupo de Zaiat desarrolló un método para producir hidrógeno en un reactor de flujo continuo, constantemente alimentado con desechos que serían muchas veces descartados sin tratamiento en ríos y lagunas. En el sistema, bacterias anaeróbicas del género Clostridium, que no necesitan oxígeno para vivir, se adhieren a partículas de polietileno dentro del reactor. Según parámetros de tiempo de permanencia de la materia prima en el sistema, acidez y otras medidas, se produce la fermentación del material orgánico presente en las aguas y la consiguiente liberación en burbujas de hidrógeno (H2), dióxido de carbono, el CO2,  y ácido sulfhídrico (H2S). En la cabeza del reactor, cerrado herméticamente, es posible instalar un sistema que capta gases para su posterior separación.

La próxima meta es la producción del hidrógeno en el reactor en escala piloto, porque hasta el momento solamente reactores en escala de laboratorio se han operado. Esto puede ser factible en 2010, en una estación piloto con instalación prevista en el campus II de la universidad en São Carlos y alimentada con desagües sanitarios en una sala ubicada al lado de la red de desagües del edificio de ingeniería ambiental. El gas obtenido podrá utilizarlo el grupo del profesor Ernesto González, del Instituto de Química de São Carlos (IQSC) de la USP, por ejemplo, que estudia sistemas para células de combustible.

Sin desperdiciar
El primer estudio del grupo de la EESC llevó a cabo con agua sintética producida en laboratorio con sacarosa agregada para la caracterización del sistema. Zaiat también ha probado el sistema con efluentes de una fábrica de refrescos y con desagües domiciliarios. En el agua residual de la fábrica de refrescos hay gran cantidad de azúcar, cosa que facilita la producción de hidrógeno. En el caso de los desagües, el potencial no es muy alto, pero su uso se justifica por el lado de la sostenibilidad, porque es una energía aprovechable que dejará de desperdiciarse, dice. Zaiat empieza ahora a investigar también la extracción de hidrógeno de la viñaza, un residuo de la industria sucroalcoholera. Existe un buen potencial allí.

La cantidad de hidrógeno extraído fue mejor cuantificada en el experimento con la sacarosa de la industria de refrescos. Cada gramo de azúcar rindió 47 miligramos (ó 0,047 gramo) de gas. Zaiat dice que esa cantidad es favorable al proceso porque los coches, por ejemplo, gastarían muy poco hidrógeno para andar. En datos extraídos de la literatura científica, las cifras varían de 1 a 10 gramos de hidrógeno por kilómetro rodado en el caso de automóviles impulsados con células de combustible.

Además del hidrógeno purificado y recuperado en el reactor anaeróbico, otros estudios del mismo grupo aprovechan los otros gases, como el CO2 y el ácido sulfhídrico. En el caso del H2S, que es un problema para las células de combustible, puede ser removido de la corriente gaseosa por medio de reactores que contienen bacterias que consumen ese material. Este trabajo es llevado adelante por un grupo del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), coordinado por el profesor Edson Luiz Silva. En el caso del metano y del CO2, pueden servir en procesos fisicoquímicos para generar más hidrógeno y el gas de síntesis, producto que puede transformarse en gasolina y metanol, por ejemplo. Para transformar los gases en combustibles líquidos, es necesario agregar catalizadores (sustancias que aceleran la reacción química) específicos, dice la profesora Elisabete Moreira Assaf, del IQSC, quien coordina las investigaciones con los gases restantes de la producción de hidrógeno con base en efluentes. Ella también integra la Red de Producción de Hidrógeno del Programa Nacional de Células de Combustible del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT).

Zaiat ha contabilizado 220 artículos científicos sobre el tema desde 1996, cuando salió publicado el primer texto, en el que el equipo coordinado por el profesor Yoshiyuki Ueno, del Instituto de Investigaciones Técnicas Kajima de Japón, demostró en laboratorio que era posible extraer hidrógeno de residuos de agua industrial con bacterias anaeróbicas. Posteriormente, la cantidad de experimentos fue aumentando año a año, dice Zaiat. En 2000 fueron cinco, en 2001 diez y este año ya son 220. La mayoría de los trabajos es todavía a escala de laboratorio, pero las perspectivas futuras son muy buenas, porque los procesos gastan un mínimo de energía, con baja potencia. Existen incluso sistemas en los cuales el agua entra en el reactor por acción de la gravedad, sin necesidad de electricidad, dice Zaiat. Él realizó la primera parte de la investigación con un Auxilio Regular a Proyecto de Investigación financiado por la FAPESP, y participa de un proyecto temático coordinado por el profesor Eugênio Foresti, que también abarca a la investigación de la profesora Elisabete y a investigadores de la UFSCar y de la Escuela de Ingeniería Mauá (EEM), de la ciudad de paulista de São Caetano do Sul.

Los proyectos
1.
Producción de hidrógeno en reactor anaeróbico de lecho fijo  (nº 05/00789-7);  Modalidad Auxilio Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Marcelo Zaiat – USP; Inversión
R$ 60.829,64 y US$ 27.770,92 (FAPESP)
2. Desarrollo de sistemas combinados de tratamiento de aguas residuales para la remoción de contaminantes y la recuperación de energía y de productos de los ciclos de carbono, nitrógeno y azufre (nº 05/51702-9); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Eugênio Foresti – USP; Inversión  R$ 896.854,66 y US$ 239.417,81 (FAPESP)

Artículos científicos
LEITE, J.A.C.; Fernandes, B.S.; Pozzi, E.; Barboza, M.; Zaiat, M. Application of an anaerobic packed-bed bioreactor for the production of  hydrogen and organic acids. International Journal of Hydrogen Energy. v. 33, p. 579-586. nov. 2008

 

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