Avaluació de la producció i l'ús del biometà com a combustible sostenible en el transport metropolità de Barcelona

Abstract

Aquest Treball de Fi de Grau (TFG) aborda la producció i l’ús del biometà com a combustible sostenible en el transport urbà de Barcelona, amb un enfocament particular en el procés de metanització biològica hidrogenotròfica (MBH) a la planta pilot ubicada a l’Estació Depuradora d’Aigües Residuals (EDAR) del Prat de Llobregat. Aquest procés transforma el diòxid de carboni i l’hidrogen en metà a través de microorganismes especialitzats, produint així un gas amb una concentració de metà superior al 95%, apte per ser utilitzat com a substitut directe del Gas Natural Comprimit (GNC). En aquest estudi, el biometà produït s’ha utilitzat per avaluar el seu rendiment com a combustible en un autobús de GNC de la flota d’autobusos de l’empresa Transports Metropolitans de Barcelona (TMB), contribuint així a la descarbonització del transport públic urbà. Un dels eixos principals de la investigació és l’optimització de la formulació de nutrients necessaris per al creixement i activitat dels microorganismes (especialment el nitrogen en forma d’amoni). Inicialment, la planta pilot presentava una limitació en la composició de nutrients que restringia la productivitat de metà. A partir de l’ajust de la formulació nutricional, es va aconseguir una millora significativa en els nivells de producció. El control acurat de l’amoni (NH4 + ) i la seva possible transformació en amoníac (NH3) es considera un aspecte crític, perquè les concentracions elevades d’amoníac poden inhibir l’activitat microbiana i, per tant, reduir la productivitat del sistema. L’estudi conclou que és possible augmentar la concentració d’amoni fins a 400 ppm sense provocar inhibició, sempre que es mantingui un estricte control del pH i la temperatura. A més, l’estudi inclou una exhaustiva comparativa entre diversos combustibles (GNC, biometà, dièsel, híbrid, elèctric i hidrogen) avaluant-los segons criteris com l’eficiència energètica, el cost del combustible, les emissions de diòxid de carboni associades, el temps de recàrrega i el cost del manteniment. Els resultats mostren que el biometà és una alternativa viable per reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle i contribuir a la transició cap a un transport més net. No obstant això, la comparativa destaca que, a llarg termini, el combustible elèctric és la millor solució per a la descarbonització completa del transport públic urbà de Barcelona.

Este Trabajo de Fin de Grado (TFG) aborda la producción y el uso del biometano como combustible sostenible en el transporte urbano de Barcelona, con un enfoque particular en el proceso de metanización biológica hidrogenotrófica (MBH) en la planta piloto ubicada en la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) del Prat de Llobregat. Este proceso transforma el dióxido de carbono y el hidrógeno en metano a través de microorganismos especializados, produciendo así un gas con una concentración de metano superior al 95%, apto para ser utilizado como sustituto directo del Gas Natural Comprimido (GNC). En este estudio, el biometano producido se ha utilizado para evaluar su rendimiento como combustible en un autobús de GNC de la flota de autobuses de la empresa Transports Metropolitans de Barcelona (TMB), contribuyendo así a la descarbonización del transporte público urbano. Uno de los ejes principales de la investigación es la optimización de la formulación de nutrientes necesarios para el crecimiento y actividad de los microorganismos (especialmente el nitrógeno en forma de amonio). Inicialmente, la planta piloto presentaba una limitación en la composición de nutrientes que restringía la productividad de metano. A partir del ajuste de la formulación nutricional, se logró una mejora significativa en los niveles de producción. El control preciso del amonio (NH4 + ) y su posible transformación en amoníaco (NH3) se considera un aspecto crítico, ya que las concentraciones elevadas de amoníaco pueden inhibir la actividad microbiana y, por lo tanto, reducir la productividad del sistema. El estudio concluye que es posible aumentar la concentración de amonio hasta 400 ppm sin provocar inhibición, siempre que se mantenga un estricto control del pH y la temperatura. Además, el estudio incluye una exhaustiva comparativa entre diversos combustibles (GNC, biometano, diésel, híbrido, eléctrico e hidrógeno) evaluándolos según criterios como la eficiencia energética, el precio del combustible, las emisiones de dióxido de carbono asociadas, el tiempo de recarga y el coste de mantenimiento. Los resultados muestran que el biometano es una alternativa viable para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y contribuir a la transición hacia un transporte más limpio. Sin embargo, la comparativa destaca que, a largo plazo, el combustible eléctrico es la mejor solución para la descarbonización completa del transporte público urbano de Barcelona.

This Final Degree Project (TFG) addresses the production and use of biomethane as a sustainable fuel for urban transport in Barcelona, with a particular focus on the hydrogenotrophic biological methanation (MBH) process at the pilot plant located at the Wastewater Treatment Plant (EDAR) in Prat de Llobregat. This process converts carbon dioxide and hydrogen into methane through specialized microorganisms, producing a gas with a methane concentration higher than 95%, suitable for use as a direct substitute for Compressed Natural Gas (CNG). In this study, the produced biomethane was used to assess its performance as fuel in a CNG bus from the fleet of Transports Metropolitans de Barcelona (TMB), thus contributing to the decarbonization of urban public transport. One of the main focuses of the research is the optimization of the nutrient formulation required for the growth and activity of microorganisms (especially nitrogen in the form of ammonium). Initially, the pilot plant had a nutrient composition limitation that restricted methane productivity. After adjusting the nutrient formulation, a significant improvement in production levels was achieved. The careful control of ammonium (NH4 + ) and its potential transformation into ammonia (NH3) is considered a critical aspect, as high concentrations of ammonia can inhibit microbial activity and, therefore, reduce system productivity. The study concludes that it is possible to increase ammonium concentration up to 400 ppm without causing inhibition, as long as strict control of pH and temperature is maintained. Additionally, the study includes a comprehensive comparison between various fuels (CNG, biomethane, diesel, hybrid, electric, and hydrogen), evaluating them according to criteria such as energy efficiency, fuel cost, associated carbon dioxide emissions, refueling time, and maintenance costs. The results show that biomethane is a viable alternative to reduce greenhouse gas emissions and contribute to the transition towards cleaner transport. However, the comparison highlights that, in the long term, electric fuel is the best solution for the complete decarbonization of urban public transport in Barcelona.