Análisis del impacto ambiental del proceso integrado de captura de CO2 con membranas y conversión electroquímica de CO2 en la producción de biometano

Abstract

El biometano (BioCH4), conocido como gas renovable, es un gas combustible que se obtiene a partir del biogás, tras someter a este último a un tratamiento conocido como aprovechamiento donde se retiran las impurezas y se consigue que el gas alcance una composición de CH4 cercana al 96%. Las tecnologías de separación y conversión seleccionadas en este Trabajo fin de Máster tienen el potencial de ser integradas para facilitar la transición energética. Sin embargo, todavía se encuentran a una escala de madurez baja y es necesario impulsar el desarrollo de manera sostenible empleando herramientas que permitan identificar sus beneficios ambientales, sus cuellos de botella y objetivos de desarrollo de los parámetros tecnológicos que aseguren su viabilidad futura. En este trabajo, se ha analizado la huella de carbono (GWP) y el consumo de recursos fósiles y minerales (ADP Fossil y ADP Elements) de la integración de la separación de biogás con membranas y la conversión de CO2 concentrado a CH4 mediante electrorreducción (ER) empleando la herramienta de Análisis de Ciclo de Vida (UF: 1 kg de biogás de la corriente inicial del sistema) con un alcance de la Cuna a la Cuna (el BioCH4, es decir, “el residuo”, es la materia prima en una forma totalmente circular) teniendo en cuenta tres tipos de fuentes de electricidad (mix eléctrico, fotovoltaica y eólica). Como paso previo, se ha analizado el impacto ambiental de la separación con membranas de diferentes materiales y configuraciones (zeolita A tubular (A), fibras huecas de una poliimida comercial (B) o una membrana mixta plana de 5 % peso de zeolita A/ILCS (C)) en la unidad de separación con el fin de encontrar la membrana con el menor impacto ambiental. Una vez evaluados los diferentes impactos de la etapa de separación de CO2 y CH4 para los tres tipos de membranas se ha concluido que la membrana con menor impacto ambiental es la membrana tubular de zeolita A porque es la membrana con mayor permeabilidad (PCO2), es decir, mayor flujo, lo cual implica una menor área de membrana. Además, esta membrana cuenta con la selectividad más alta dentro de todas las seleccionadas. Del análisis de las categorías de impacto del proceso integrado se ha concluido que la etapa del proceso que mayor impacto ambiental genera es la ER debido al consumo energético necesario para convertir el CO2 en CH4 con el nivel de desarrollo actual. En lo que respecta a las emisiones evitadas, se concluye que el BioCH4 aglutina la mayor parte de las emisiones evitadas del proceso integrado ya que el objetivo de este proceso es la producción de BioCH4 cuyo fin es abastecer a la red de gas natural. En un futuro, se podrían considerar mejoras en el proceso de ER que permitan rendimientos mayores que las utilizadas en este trabajo, mediante nuevos diseños de catalizadores, electrodos y reactores, por ejemplo.

Biomethane (BioCH4), known as renewable gas, is a fuel gas obtained from biogas, after subjecting the latter to a treatment known as utilization where impurities are removed, and the gas reaches a CH4 composition close to 96%. The separation and conversion technologies selected in this Master Thesis have the potential to be integrated to facilitate the energy transition. However, they are still at a low scale of maturity, and it is necessary to promote their development in a sustainable way, using tools to identify their environmental benefits, their bottlenecks and possible scenarios of future viability and development objectives of the technological parameters that will ensure its future viability. In this work, the carbon footprint (GWP) and fossil and mineral resource consumption (ADP Fossil and ADP Elements) of the integration of biogas separation with membranes and the conversion of concentrated CO2 to CH4 by electroreduction (ER) has been analyzed using the Life Cycle Assessment tool (functional unit: 1 kg of biogas from the initial system stream) with a Cradle to Cradle scope (BioCH4, i.e. “the waste”, is the feedstock in a fully circular way) taking into account three types of electricity sources (electric mix, photovoltaic and wind). As a preliminary step, the environmental impact of separation with membranes of different materials and configurations (tubular zeolite A (A), hollow fibers of a commercial polyimide (B) or a 5 wt.% flat mixed membrane of zeolite A/ILCS (C)) in the separation unit has been analyzed to find the membrane with the lowest environmental impact. Once the different impacts of the CO2 and CH4 separation stage for the three types of membranes were evaluated, it was concluded that the membrane with the lowest environmental impact is the zeolite A tubular membrane because it is the membrane with the highest permeability (PCO2), i.e., higher flux, which implies a smaller membrane area. In addition, this membrane has the highest selectivity among all the selected membranes. From the analysis of the impact categories of the integrated process, it has been concluded that the stage of the process that generates the greatest environmental impact is ER due to the energy consumption required to convert CO2 into CH4 with the current level of development. Regarding avoided emissions, it is concluded that BioCH4 accounts for most of the avoided emissions of the integrated process, since the objective of this process is the production of BioCH4 to supply the natural gas network. In the future, advancements on the ER process that allow higher yields than those used in this work should be considered, by new catalysts, electrode and reactor configurations, for example.