N4 Experto e investigación · Lección 8 de 8 · 40 min

Frontera: emisiones fugitivas, balance climático y modelado ADM1

Conversión bioquímica

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Cuantificar el efecto de las fugas de metano en el balance climático de una planta de biogás (aplicar, analizar).
Describir la estructura del modelo ADM1 y sus usos y límites (comprender, evaluar).
Formular una pregunta de investigación sobre la digestión de residuos tropicales (crear).

Conviene saber antes

Lecciones N3 de este curso.
Nociones de ACV y potencial de calentamiento global.

El biogás se presenta como energía renovable de bajo carbono, pero su balance climático depende de cuánto metano se escapa de la planta: del digestor, del almacenamiento de digestato, de las válvulas y de la mejora. Las mediciones de planta completa con trazadores muestran pérdidas mayores de lo que suponían los inventarios.

Figura 1Pérdida de metano medida en plantas de biogás (% de la producción)

Las plantas agrícolas danesas pierden en promedio 2,4 % y las de aguas residuales 7,5 %; el rango individual va de 0,4 % a 14,9 %.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Pérdida de metano medida en plantas de biogás (% de la producción)
Estudio	Pérdida
Dinamarca, 23 plantas: promedio	4,6
Dinamarca: plantas agrícolas	2,4
Dinamarca: plantas de aguas residuales	7,5
Reino Unido, 10 plantas: promedio	3,7

Fuente: Scheutz y Fredenslund (2019), Waste Management 97, 38–46 (23 plantas, dispersión de trazador). Bakkaloglu et al. (2021), Waste Management 124, 82–93 (10 plantas, rango 0,02–8,1 %).

\Delta E_{\mathrm{fuga}}=\dot m_{\mathrm{CH_4}}\,\phi\,\mathrm{GWP}_{100}

Emisiones en CO₂ equivalente atribuibles a la fuga de metano de una planta.

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$\dot m_{\mathrm{CH_4}}$	metano producido	t CH₄ año⁻¹
$\phi$	fracción perdida	adimensional
$\mathrm{GWP}_{100}$	potencial de calentamiento a 100 años del CH₄ biogénico, 27,0	t CO₂e t⁻¹ CH₄

Ejemplo resuelto 1

La fuga frente al beneficio de sustituir gas fósil

Una planta produce 1.000 t CH₄/año que reemplazan gas natural fósil. Con la pérdida media danesa (4,6 %), calcula las emisiones de la fuga y compáralas con el CO₂ fósil evitado (44/16 t CO₂ por t de CH₄ quemado).

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$\dot m_{\mathrm{CH_4}}$	1.000	t año⁻¹	supuesto
$\phi$	0,046	—	Scheutz y Fredenslund (2019)
$GWP₁₀₀$	27	t CO₂e t⁻¹	Forster et al. (2021)

Metano perdido y su efecto:
$1000\times0{,}046\times27{,}0=1\,242\ \mathrm{t\,CO_2e}$
Metano útil que sustituye gas fósil:
$1000\times(1-0{,}046)=954\ \mathrm{t\,CH_4}$
CO₂ fósil evitado al no quemar ese gas natural:
$954\times\tfrac{44}{16}=2\,624\ \mathrm{t\,CO_2}$
Fracción del beneficio que se come la fuga:
$\frac{1\,242}{2\,624}=47\ \%$

Resultado

\approx47\ \%\ \text{del CO}_2\ \text{fósil evitado}

Interpretación: Con una fuga del 4,6 %, casi la mitad del beneficio climático de la sustitución desaparece (sin contar otras etapas del ciclo de vida). Con la pérdida de las plantas de aguas residuales (7,5 %) se acerca al 80 %. La medición de fugas es tan importante como la producción.

Ejemplo resuelto 2

¿Qué fuga anula por completo el beneficio?

Calcula la fracción de fuga φ* a la que las emisiones de la fuga igualan el CO₂ fósil evitado por el metano útil.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$GWP₁₀₀$	27	t CO₂e t⁻¹	Forster et al. (2021)
$44/16$	2,75	t CO₂ t⁻¹ CH₄	estequiometría

Igualdad:
$\phi^*\times27{,}0=(1-\phi^*)\times2{,}75$
Despeje:
$\phi^*=\frac{2{,}75}{27{,}0+2{,}75}=0{,}0924$

Resultado

\phi^*\approx9{,}2\ \%

Interpretación: Una planta que pierde más del 9 % de su metano calienta más de lo que enfría frente al gas natural, en el horizonte de 100 años y con este alcance simplificado. Varias plantas del estudio danés superaron ese umbral (máximo 14,9 %).

Hipótesis contrastadas

¿El biogás es siempre una tecnología climáticamente positiva?

H1 sí, porque el carbono es biogénico y sustituye combustibles fósiles.
Evidencia a favor
- El CO₂ de la combustión del biogás es biogénico; sustituir gas natural evita CO₂ fósil.
- Las plantas agrícolas danesas promedian 2,4 % de pérdida, lejos del umbral de ≈9 % (Scheutz y Fredenslund, 2019).
Evidencia en contra
- El metano perdido tiene un GWP100 de 27,0 (Forster et al., 2021): una fuga pequeña pesa mucho.
- El umbral depende del horizonte: con el GWP a 20 años del CH₄ no fósil (79,7; Forster et al., 2021) baja a $2{,}75 \div (79{,}7 + 2{,}75) \approx 3{,}3\,\%$ , y el promedio danés de 2,4 % ya queda cerca.
Fuentes: Scheutz, C., & Fredenslund, A. M. (2019). Total methane emission rates and losses from 23 biogas plants. Waste Management, 97, 38–46.; Forster, P., Storelvmo, T., Armour, K., Collins, W., Dufresne, J.-L., Frame, D., Lunt, D. J., Mauritsen, T., Palmer, M. D., Watanabe, M., Wild, M., & Zhang, H. (2021). The Earth's energy budget, climate feedbacks, and climate sensitivity. En V. Masson-Delmotte et al. (Eds.), Climate change 2021: The physical science basis (pp. 923–1054). Cambridge University Press.
H2 depende de las fugas, que varían más entre plantas que entre tecnologías.
Evidencia a favor
- Pérdidas de 0,4 % a 14,9 % en 23 plantas (Scheutz y Fredenslund, 2019) y de 0,02 % a 8,1 % en 10 plantas británicas (Bakkaloglu et al., 2021).
- Las plantas grandes perdían en general menos que las pequeñas (Scheutz y Fredenslund, 2019).
Evidencia en contra
- Son mediciones puntuales, en Europa; no hay campañas equivalentes publicadas en plantas latinoamericanas.
Fuentes: Scheutz, C., & Fredenslund, A. M. (2019). Total methane emission rates and losses from 23 biogas plants. Waste Management, 97, 38–46.; Bakkaloglu, S., Lowry, D., Fisher, R. E., France, J. L., Brunner, D., Chen, H., & Nisbet, E. G. (2021). Quantification of methane emissions from UK biogas plants. Waste Management, 124, 82–93.

Certeza alta

Conclusión: El biogás es climáticamente positivo solo si sus fugas se miden y se mantienen bajas, y el margen depende del horizonte: ≈9 % con GWP100 y ≈3 % con GWP20. El umbral sube si el sustrato emitiría metano sin el digestor (por ejemplo, estiércol almacenado), porque entonces el proyecto también evita ese metano. Un proyecto serio declara su pérdida medida, no un valor por defecto, y oxida el gas de cola de la mejora.

El modelo ADM1. El grupo de trabajo de la IWA publicó en 2002 el Anaerobic Digestion Model No. 1 (Batstone et al., 2002): desintegración, hidrólisis de carbohidratos, proteínas y lípidos, acidogénesis, acetogénesis y dos rutas de metanogénesis, más el equilibrio iónico y la transferencia gas-líquido. Implementado como sistema de ecuaciones diferenciales y algebraicas tiene 26 variables de estado dinámicas y 8 algebraicas por reactor. Sirve para estudiar arranques, cambios de sustrato e inhibiciones; su límite práctico es la caracterización del sustrato: sin fraccionar bien la alimentación, el modelo solo reproduce lo que se le impone. Y sus parámetros se calibran con ensayos BMP, cuyos alcances y límites resumen Koch et al. (2020b).

Figura 2Planta de biogás en vista isométrica con los puntos típicos de fuga de metano señalados.

Lo que no es evidente. El umbral de equilibrio es de solo ≈9 % de pérdida, y en la flota medida en Dinamarca hubo plantas por encima. El rendimiento energético y el climático de una planta de biogás pueden ir en direcciones opuestas: una planta que produce mucho pero pierde el 10 % de su metano es peor para el clima que no tenerla, frente al gas natural, a 100 años.

Preguntas abiertas para investigación: ¿cuál es la pérdida real en plantas de residuos agroindustriales tropicales, con lagunas cubiertas y temperaturas altas? ¿Qué parámetros cinéticos de ADM1 corresponden al raquis, la cáscara de cacao o la vinaza? Ninguna de las dos tiene hoy respuesta publicada con mediciones de campo en la región.

Ejercicios

Cálculo●●○
Repite el cálculo del primer ejemplo con la pérdida promedio de las plantas agrícolas danesas (2,4 %). ¿Qué fracción del beneficio se pierde?
Ver la solución
Fuga: 1.000 × 0,024 × 27,0 = 648 t CO₂e. Evitado: 1.000 × 0,976 × 2,75 = 2.684 t CO₂. Fracción: 24 %.
Cálculo●●●
Si se usara el GWP a 20 años del metano (≈80), ¿el umbral de equilibrio sería mayor o menor que 9,2 %? Calcúlalo con 80 como valor ilustrativo.
Ver la solución
Menor: $\varphi^* = 2{,}75 \div (80 + 2{,}75) = 3{,}3\,\%$ . A 20 años, el metano pesa más y la tolerancia a fugas cae a la tercera parte.
Caso●●●
Diseña, en cinco líneas, una campaña para medir la pérdida de metano de una laguna cubierta que trata efluente de extractora de palma.
Ver la solución
1. Método de dispersión de trazador a sotavento (como Scheutz y Fredenslund, 2019), con liberación controlada de un gas trazador en la planta. 2) Varias campañas en distintas estaciones y horas. 3) Medir en paralelo la producción de biogás (caudalímetro y análisis de CH₄) para expresar la pérdida en %. 4) Identificar fuentes con mediciones cercanas (válvulas, bordes de la cubierta, quemador). 5) Reportar incertidumbre y comparar con el umbral de ≈9 %.

Autoevaluación

¿Cuál fue la pérdida promedio de metano en las 23 plantas danesas?
1. 0,1 %
2. 1 %
3. 4,6 %
4. 20 %
Ver la respuesta
Respuesta: C. 4,6 % en promedio, con un rango de 0,4 % a 14,9 % (Scheutz y Fredenslund, 2019).
¿Cuántas variables de estado dinámicas tiene ADM1 por reactor en su forma DAE?
1. 4
2. 12
3. 26
4. 100
Ver la respuesta
Respuesta: C. 26 dinámicas y 8 algebraicas (Batstone et al., 2002).
¿A partir de qué pérdida, aproximadamente, una planta de biogás deja de tener beneficio frente al gas natural a 100 años (alcance simplificado)?
1. 0,5 %
2. ≈9 %
3. 50 %
4. Nunca
Ver la respuesta
Respuesta: B. $\varphi^* = 2{,}75 \div (27{,}0 + 2{,}75) \approx 9{,}2\,\%$ .

Referencias

Scheutz, C., & Fredenslund, A. M. (2019). Total methane emission rates and losses from 23 biogas plants. Waste Management, 97, 38–46. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.07.029
Bakkaloglu, S., Lowry, D., Fisher, R. E., France, J. L., Brunner, D., Chen, H., & Nisbet, E. G. (2021). Quantification of methane emissions from UK biogas plants. Waste Management, 124, 82–93. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.01.011
Forster, P., Storelvmo, T., Armour, K., Collins, W., Dufresne, J.-L., Frame, D., Lunt, D. J., Mauritsen, T., Palmer, M. D., Watanabe, M., Wild, M., & Zhang, H. (2021). The Earth's energy budget, climate feedbacks, and climate sensitivity. En V. Masson-Delmotte et al. (Eds.), Climate change 2021: The physical science basis (pp. 923–1054). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009157896.009
Batstone, D. J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S. V., Pavlostathis, S. G., Rozzi, A., Sanders, W. T. M., Siegrist, H., & Vavilin, V. A. (2002). The IWA Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Water Science and Technology, 45(10), 65–73. https://doi.org/10.2166/wst.2002.0292
Koch, K., Hafner, S. D., Weinrich, S., Astals, S., & Holliger, C. (2020b). Power and limitations of biochemical methane potential (BMP) tests. Frontiers in Energy Research, 8, 63. https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00063

Para profundizar

Scheutz, C., & Fredenslund, A. M. (2019). Total methane emission rates and losses from 23 biogas plants. Waste Management, 97, 38–46. — La medición de planta completa más citada; muestra que las fugas varían mucho entre plantas.
Batstone, D. J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S. V., Pavlostathis, S. G., Rozzi, A., Sanders, W. T. M., Siegrist, H., & Vavilin, V. A. (2002). The IWA Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Water Science and Technology, 45(10), 65–73. — Punto de partida para modelar: la estructura de ADM1 y sus convenciones.
Bakkaloglu, S., Lowry, D., Fisher, R. E., France, J. L., Brunner, D., Chen, H., & Nisbet, E. G. (2021). Quantification of methane emissions from UK biogas plants. Waste Management, 124, 82–93. — Mediciones móviles en el Reino Unido; útil para comparar métodos y órdenes de magnitud.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Frontera: emisiones fugitivas, balance climático y modelado ADM1 (Versión 2026-10) [Lección del curso «Conversión bioquímica»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/conversion-bioquimica/emisiones-fugitivas-y-modelado/

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