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Jun 14, 2023

El año pasado, un automóvil impulsado por desechos humanos recorrió el campo europeo, recorriendo más de 2.000 kilómetros (1.200 millas). Fue la culminación de To-Syn-Fuel, un proyecto pionero que utiliza tecnología desarrollada por el Instituto Fraunhofer UMSICHT de Alemania para producir 50 000 litros (13 200 galones) de petróleo biocrudo a partir de 500 toneladas de lodos de depuradora.

El viaje marcó un hito en los esfuerzos globales para convertir los desechos humanos en un combustible de transporte viable, según Robert Daschner, jefe del departamento de energía renovable de Fraunhofer UMSICHT, que dirigió el proyecto de múltiples socios financiado por el programa Horizonte 2020 de la UE. El uso de To-Syn-Fuel puede lograr ahorros de carbono de hasta un 85 % en comparación con los combustibles fósiles, escribió a Mongabay en un correo electrónico.

Pero ese histórico viaje por carretera de la UE fue solo un objetivo intermedio: el siguiente paso es la construcción de una instalación de crudo a crudo a mayor escala en Alemania, basada en las lecciones aprendidas de una planta de demostración de prueba de concepto más pequeña. El objetivo es procesar hasta 400.000 toneladas métricas de lodos de aguas residuales en "combustible de aviación sostenible" para 2030, escribió Daschner.

Si este, u otros proyectos piloto prometedores de crudo a crudo, logran un verdadero éxito a gran escala, la ciencia y la industria podrían romper una de las nueces más difíciles para lograr una economía de combustibles post-fósiles: un combustible líquido para el transporte, con potencial bajo en carbono. para propulsar coches, camiones, jets y barcos.

El lodo de depuradora es un residuo similar al lodo rico en carbono y nutrientes que queda después del tratamiento de aguas residuales. Los expertos en transporte no ven este sobrante como un desperdicio, sino como una forma de oro refinable: como materia prima renovable a partir de la cual hacer biocombustible líquido.

Algunos expertos incluso dicen que aprovechar el potencial energético de las aguas residuales y los lodos de depuradora como parte de una economía circular puede ser vital para combatir el cambio climático. Pero lograr ese objetivo, al mismo tiempo que ofrece grandes oportunidades, también presenta grandes desafíos.

Millones de toneladas de lodos de depuradora se generan anualmente en las plantas de tratamiento de aguas residuales, aunque gran parte de ellos ahora terminan en vertederos o se incineran. Los lodos tratados, conocidos como "biosólidos", también se convierten en abono y se pueden esparcir como una enmienda agrícola.

En 2021, EE. UU. produjo 4,5 millones de toneladas métricas de lodo, según la Agencia de Protección Ambiental. De eso, casi 2 millones de toneladas métricas se aplicaron a la tierra; Se incineraron 633.000 toneladas métricas y se depositaron en vertederos 1,9 millones de toneladas métricas. Si bien la Unión Europea produce menos lodos de depuradora, alrededor de 10 millones de toneladas métricas al año, su uso sigue un patrón muy similar.

Cada ruta de eliminación de lodos de depuradora causa sus propios problemas ambientales importantes. Esparcir lodo en las tierras de cultivo, por ejemplo, puede liberar contaminantes en los suelos, contaminando vastas áreas e incluso envenenando a las personas con metales pesados ​​tóxicos, PFAS "químicos para siempre" y microplásticos. Este problema condujo a la prohibición de la propagación de lodos de depuradora en el estado estadounidense de Maine el año pasado.

El tratamiento de aguas residuales en sí mismo es un proceso intensivo en carbono, que representa hasta el 5% de las emisiones de gases de efecto invernadero de la humanidad, según algunas estimaciones. Actualmente, solo se trata el 20 % de las aguas residuales del mundo, lo que significa que, a medida que se expande el servicio de tratamiento de desechos, su huella ambiental podría crecer con él.

"Los operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales a menudo tienen que quemar el lodo, y esto crea enormes emisiones de gases de efecto invernadero", dijo a Mongabay Frédéric Pitre, profesor de la Universidad de Montreal en Canadá, en una entrevista. "Es un desafío encontrar formas de dar valor a este lodo".

La generación de energía (en forma de biogás) y la recuperación de nutrientes (como el nitrógeno y el fósforo, útiles como fertilizantes) son otras dos alternativas para extraer ese "valor", y los operadores de tratamiento de residuos ya generan energía a partir de las heces para reducir su huella de carbono, dice Lillian Zaremba, gerente del programa de innovaciones colaborativas del servicio de desechos líquidos de Metro Vancouver. Mediante un proceso conocido como digestión anaeróbica, los lodos de depuradora se utilizan a veces como materia prima para producir biogás en forma de metano, que normalmente se bombea de nuevo a las instalaciones de tratamiento para satisfacer sus necesidades de generación de energía.

"Usamos el biometano que sale de la digestión anaeróbica en las plantas [de tratamiento de residuos], y luego lo que no podemos usar, lo limpiamos para la venta", explica Zaremba. "Está desplazando [el uso] de gas combustible fósil".

Se están investigando una gran cantidad de tecnologías para convertir los lodos de depuradora en biocombustibles líquidos comercialmente viables para satisfacer las necesidades de transporte. Un artículo de revisión publicado el año pasado describe opciones que incluyen "procesos biológicos, tecnologías termoquímicas, procesamiento bioelectroquímico, biorrefinerías y otros".

Aunque las demostraciones a pequeña escala de la generación de biocombustibles líquidos a partir de lodos han tenido éxito, todavía no hay instalaciones industriales a gran escala en funcionamiento. "[A]unque probadas y validadas a escala de laboratorio o piloto, [las diversas técnicas de procesamiento] todavía están en su infancia desde el aspecto de la aplicación industrial", dice el documento de revisión.

Los defensores promocionan las ventajas de los biocombustibles a base de lodos y señalan que pueden evitar muchas de las críticas comunes a otras materias primas de biocombustibles líquidos, como el maíz, el aceite de palma o el aceite vegetal. Los lodos como materia prima ofrecen competencia cero con los alimentos o el uso de la tierra agrícola, y se evita la conversión de la tierra, problemas que pueden reducir la sostenibilidad y aumentar la intensidad de carbono de varios biocombustibles.

Laureano Jiménez, ingeniero químico de la Universidad Rovira i Virgili de España, y su equipo realizaron un análisis de sostenibilidad de diferentes materias primas para biocombustibles líquidos; las fuentes de desechos, como los lodos de depuradora, quedaron en primer lugar. “No decimos que crear biocombustibles a partir de aguas residuales sea la mejor opción, pero es una de ellas”, enfatizó.

“Estamos utilizando residuos que en todo caso serán quemados o depositados en vertederos”, añade Salvador Ordoñez, del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Oviedo, España. Él cree que eso puede hacer que el biocombustible a base de lodos sea más sostenible.

La licuefacción hidrotermal (HTL), que utiliza presión y calor, es una ruta para convertir los desechos municipales en biocrudo, y se considera una de las opciones con mayor potencial para crear combustibles para el transporte marítimo y posiblemente combustibles de aviación sostenibles. El año pasado, los investigadores que trabajaban en un proyecto a escala piloto en la Universidad Aarhus de Dinamarca anunciaron un "gran avance" ya que el biocrudo se produjo con éxito utilizando materias primas, incluidos los lodos de depuradora.

En Canadá, un proyecto de demostración de HTL en desarrollo por Metro Vancouver está previsto que entre en funcionamiento para 2025, convirtiendo alrededor de 10 toneladas métricas de lodos húmedos de aguas residuales en cinco barriles de biocrudo al día. Aunque eso es una gota en el océano en comparación con las necesidades mundiales de combustible, comenzar poco a poco es una prueba de concepto crucial antes de escalar aún más, dijo Zaremba. Proyectos piloto similares están en marcha en otros lugares.

Stian Hegdahl, un Ph.D. candidato en la Universidad de Bergen de Noruega, también cree que HTL es prometedor para convertir los desechos humanos en biocombustible. Su investigación a escala de laboratorio utiliza lodos que ya han pasado por el proceso de digestión anaeróbica.

Advierte que la producción de biocombustibles no está exenta de problemas ambientales. La conversión de lodos en combustible produce desechos sólidos y líquidos, para los cuales sería necesario desecharlos, y "habría que considerar cómo se hace esto [de forma segura]", dijo.

Otro obstáculo: las refinerías de crudo a crudo, si quieren satisfacer la demanda a gran escala, pueden necesitar transportar lodos en camiones desde numerosas plantas de tratamiento de desechos, según su ubicación geográfica. Hegdahl llevó a cabo cálculos "muy aproximados" sobre la cantidad de biocrudo que podía producir su ciudad natal de Bergen, y descubrió que los desechos totales de sus 300.000 habitantes solo podían producir "miles de toneladas" de combustible, una cifra eclipsada por la producción actual de combustibles fósiles. Esto podría aumentar los costos debido a la logística, haciéndolo económicamente inviable.

"Es necesario recolectar [lodos de depuradora] de varios lugares en una sola planta [de biocombustible] para poder producir lo suficiente para que a cualquiera le importe", explicó.

Un proyecto canadiense adoptó un enfoque alternativo a HTL, probando en cambio la capacidad del sauce de rápido crecimiento para tratar las aguas residuales como una solución basada en la naturaleza; un propósito para el cual resultó eficaz. Luego, los investigadores descubrieron que esta solución de tratamiento de desechos también podría proporcionar una fuente sostenible de biocombustibles. El tratamiento de aguas residuales con sauce aumentó considerablemente la biomasa de la planta, explica Pitre, quien formó parte del equipo de investigación. Esa biomasa luego podría convertirse en combustible líquido u otros productos como bioplásticos, un resultado que él describe como una solución en la que todos ganan.

“No estamos usando tierras de cultivo, no estamos usando alimentos y estamos tratando un problema ambiental”, dijo. El sauce es solo una de varias especies de plantas que podrían usarse para tales fines, según una investigación. "O estamos tratando las aguas residuales a un costo mucho más bajo que las plantas de tratamiento de aguas residuales tradicionales, o estamos extrayendo contaminantes del suelo y produciendo biomasa que de otro modo no se usaría".

No importa si la materia prima es lodo de aguas residuales, sauce u otro material orgánico, la regulación de la producción de biocombustibles plantea otro obstáculo para la implementación. Cualquier "[proyecto] de demostración tendría que ser aceptado por la jurisdicción local y el gobierno local como una opción adecuada para el tratamiento de aguas residuales", antes de generalizarse, señaló Pitre.

Incluso mientras los empresarios trabajan para convertir las demostraciones a escala piloto y de laboratorio en proyectos a escala industrial, los analistas se preguntan cuánto ahorro de carbono ofrecen estos diversos biocombustibles.

En algunos casos, los ahorros promocionados vinculados a estos nuevos combustibles "bajos en carbono" quedan por confirmar. Su eficiencia tal vez dependa más de dónde se traza la línea en la contabilidad, argumenta Zaremba.

“Estamos viendo que la intensidad de carbono del biocrudo es un 90% más baja que la del crudo fósil”, dijo. Pero esa cifra alta se debe a que los beneficios se están calculando después de que las aguas residuales "ya han sido recolectadas y tratadas". Lo que significa que ninguna de las "emisiones de carbono adicionales de esa parte del proceso" se cuenta en la reducción del 90%.

Del mismo modo, la creación de combustible mediante el proceso HTL requiere hidrógeno, y la fabricación de hidrógeno tiene su propia huella de carbono. Producir "hidrógeno verde" a partir de fuentes renovables es una forma de desbloquear el ahorro de carbono, pero actualmente la gran mayoría del hidrógeno se produce utilizando combustibles fósiles; en 2021, la energía renovable produjo solo el 1% del hidrógeno a nivel mundial.

“Esto es algo que estamos en camino de resolver, pero aún está lejos”, dijo Carlos Pozo, profesor de la Universidad de Rovira i Virgili. "La mayor parte de la producción actual de hidrógeno no es ecológica de ninguna manera, por lo que este será otro desafío ambiental".

En el caso de To-Syn-Fuel, el ahorro de carbono podría mejorarse mediante el secuestro de residuos sólidos de carbono en forma de biocarbón creado durante el proceso de conversión de lodo en biocombustible, escribió Daschner. Pero, agrega, aún no se ha evaluado una contabilidad total del carbono: "Como se trata de una planta de investigación y demostración, solo se pueden hacer declaraciones limitadas sobre la evaluación del ciclo de vida de una planta de producción a gran escala". Pero señala que evaluar "la materia prima y los eventuales pasos de pretratamiento de la materia prima" será clave para determinar los ahorros de carbono.

Otro enigma: los contaminantes tóxicos que se encuentran en las aguas residuales. El lodo no solo está repleto de carbono extraíble y nutrientes agrícolas, sino que también viene cargado de contaminantes indeseables. Según el método utilizado para fabricar biocombustibles, estos contaminantes siguen siendo un dolor de cabeza y es posible que deban desecharse o quemarse.

“En ese sentido, no estamos removiendo [los contaminantes] del ambiente”, dijo Jiménez. "No hay soluciones fáciles."

Zaremba reconoce el problema de los contaminantes, pero informa que HTL es "muy prometedor en términos de destrucción de compuestos de interés ambiental". Se están realizando investigaciones para comprender qué sucede con los contaminantes durante el proceso de conversión de biocombustibles, dijo. "Este proyecto piloto es una gran oportunidad para [aprender] eso".

Un artículo publicado el año pasado encontró que algunos productos químicos PFAS forever no se eliminan por completo durante la conversión de HTL, lo que sugiere que "es necesario identificar otros enfoques de tratamiento para la eliminación de PFAS de los lodos de depuradora".

Además de las dificultades ambientales y tecnológicas, los expertos señalan obstáculos económicos y políticos para la generalización de los biocombustibles a base de lodos. Por ejemplo, convencer a los operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales ya los contribuyentes para que agreguen tecnología potencialmente costosa a las plantas para facilitar la fabricación de biocombustibles puede ser difícil de vender, dice Ordoñez.

"Cuando intentas desarrollar una nueva tecnología, el mercado es importante", señaló. "Nos capacitamos como científicos para ver [resolver] la parte tecnológica [del problema], pero el mercado también es importante".

Actualmente se están desarrollando una multitud de opciones de crudo a crudo, pero aún está por verse si alguna se abrirá paso y producirá suficiente combustible para reducir significativamente las emisiones de carbono del transporte.

Parece probable que la conversión de crudo a crudo se convierta en una de las soluciones que abordan el creciente problema de eliminación de desechos de la humanidad en el siglo XXI, soluciones que ahora incluyen el uso de lodos de depuradora para producir biogás, fertilizantes y enmiendas del suelo, o la eliminación mediante incineración o depósito en vertederos.

"Tenemos que encontrar un tratamiento adecuado para incorporar [los lodos de depuradora] a una economía circular", dijo Jiménez. Producir "biocombustibles es una de esas alternativas".

Las esperanzas dependen de los resultados de varios esfuerzos para ampliar: "Hemos tenido mucho interés por parte de nuestros pares en América del Norte y hemos tenido gente en Europa que se acercó a nosotros", dice Zaremba. "Todos están esperando que alguien vaya primero, para que luego puedan presentar el caso para implementarlo ellos mismos... esa escala piloto, [ese] paso intermedio [que] nos permitirá construir un caso comercial [de biocombustible] realmente convincente".

Imagen del cartel: Durante su proyecto de cinco años, To-Syn-Fuel convirtió más de 500 toneladas métricas de lodos secos de depuradora en 50 000 litros (13 200 galones) de aceite. El mismo proceso puede ser una fuente de hidrógeno "verde", dice el equipo del proyecto. To-Syn-Fuel fue financiado por la UE e incluyó una variedad de socios académicos, de investigación e industriales. Imagen © Fraunhofer UMSICHT.

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