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Consideraciones sobre la utilización del biogás

Enviado por zamora



Considerations on the use of the biogás. Methodology for the construction of a small plant of biogás

  1. Resumen
  2. Desarrollo
  3. Conclusiones
  4. Bibliografía

RESUMEN.

El trabajo contiene un estudio bibliográfico sobre la situación de las energías renovables en el mundo y en Cuba, se hace énfasis en algunos aspectos relacionados con el Biogás, además se ofrece una metodología para calcular una planta de biogás que puede ser utilizadas en comunidades de pocas densidad poblacional para la cocción de alimentos.

Palabras claves: Energías Renovables, Biogás, Combustión, Quemadores.

ABSTRACT.

The work contains a bibliographical study on the situation of the renewable energy in the world and in Cuba, emphasis is made in all the related with the Biogás, he also offers a methodology to calculate a biogás plant that can be used in communities of few populational density for the cooking of foods.

Key words: Renewable energy, Biogás, Combustion, Burners.

INTRODUCCIÓN

Hasta los días de hoy y desafortunadamente, de un futuro no tan cercano, el 90 % de las necesidades energéticas de nuestro planeta son satisfechas con la utilización de combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón) Todos ellos extinguibles, fuertemente contaminantes y utilizados en forma ineficiente, por el interés predominante de la producción de energía sobre el de su efecto ecológico /6/.

Como es conocido en los últimos años, las fuentes alternativas de energía han ido adquiriendo una importancia cada vez mayor en Cuba, lo cual, básicamente por razones energéticas y ambientales, también es una tendencia mundial. El déficit de energía que sufre el mundo actual y en particular en Cuba, tiene una situación cada vez menos favorable. Las fuentes tradicionales de energía (combustibles fósiles, electricidad, etc.) no parecen ser solución sino a muy largo plazo. Si trasladamos este déficit a las zonas rurales, el problema se agrava aún más, ya que la carencia de la energía obligará a los campesinos a satisfacer esta necesidad, utilizando a gran escala la leña y desperdicios agrícolas (estiércol y residuos de cosecha) /11; 15/.

Este problema plantea la necesidad de encontrar una tecnología apropiada, utilizando recursos locales disponibles como son los residuos orgánicos (heces humanas, estiércoles y plantas), los cuales pueden ser usados como simple medio para producir energía y biofertilizantes por medio de plantas de biogás. De esta manera se mejorará la vida de los campesinos, se incrementará la producción agrícola y se preservará el medio ambiente.

DESARROLLO

Como ya se conoce el uso de las energías renovables no es un hecho novedoso, fueron ellas las primeras utilizadas por el hombre; sin embargo la aparición de los combustibles fósiles las relegó por muchos años al olvido. En la actualidad el panorama ha cambiado, por una parte los problemas medioambientales debidos en un significativo porciento a los procesos de conversión energética y en su totalidad a la acción indiscriminada del hombre sobre la biosfera y por otra parte la convulsa situación del mundo del petróleo (portador energético fundamental en la actualidad) que ha enfrentado tres crisis en menos de 50 años han puesto de nuevo sobre el tapete las olvidadas energías renovables; y aunque es cierto que todavía enfrentan detractores cada día ganan más adeptos y aumenta su cuantía dentro de la satisfacción global de los requerimientos energéticos de la humanidad /4/.

El alto costo de las inversiones iniciales a realizar limita en muchos países en vías de desarrollo el empleo de las energías renovables; Cuba, dentro de estos países, tiene una privilegiada situación social debido a la alta conciencia energética de los cubanos, así como su educación medio ambiental inculcada desde las edades más tempranas, sin embargo no es ajena a las limitaciones económicas, a pesar de ello los cubanos no renuncian al empleo de estas fuentes de energía y mediante diversas vías en las que se incluyen los proyectos internacionales, se promueve el uso de las mismas /11/.

Cuba consume unos 17 millones de toneladas de combustible convencional de los 18 portadores energéticos, a partir de 1990, debido a las limitaciones en la importación de los combustibles, el país ha venido acrecentando la producción y el consumo de la energía procedente de fuentes nacionales. A éstas por convicción se les identifica como fuentes alternativas de energía (FAE) aunque también se le llama indistintamente energías alternativas o energía procedente de fuentes alternativas. Las FAE hasta ahora consideradas en Cuba comprenden a las formas renovables y no renovables /7/.

La energía eólica es ampliamente conocida aplicada por diferentes pueblos desde la antigüedad en el desarrollo de la navegación, para moler granos y para el bombeo del agua. Fue remplazada por los fósiles baratos, pero mostró gran importancia, a partir de la crisis energética de la década del 70 /15/. La energía solar posibilita la vida en todas sus formas, y la misma se presenta en diversas manifestaciones, en forma de alimento, en forma de combustible /2/.

El biogás constituye una abundante y barata fuente de energía y de fácil obtención a partir de desechos animales, vegetales e industriales/24; 34/. Esta energía puede ser utilizada en numerosos procesos que tienen incidencia en la economía, no solo por la generación de energía sino también por la producción de biofertilizantes de alta calidad /24/.

Situación internacional.

Asia es el continente que más instalaciones de biogás ha reportado. Desde 1973 se estableció la Oficina de Difusión del Biogás y posteriormente el Centro Regional de Investigación en Biogás para Asia y el Pacífico Sur adjunto al Ministerio de la Agricultura. En la república Popular China la situación actual en las zonas rurales se caracteriza por una grave escasez de energía donde alrededor de 130 millones de familias carecen de combustible para uso doméstico durante tres meses del año. El 70 % de combustible para uso doméstico proviene de paja y tallos de cultivos. El estado solo puede solucionar el 13 % de las necesidades energéticas individuales para el sector rural /16; 24/.

En la india, alrededor de 500 000 familiares utilizaron plantas de biogás, para producir energía como sustituto del combustible doméstico. Hoy existen plantas demostrativas multifamiliares donde el gas se hace llegar por tuberías a cada vivienda sobre la base de un precio módico por consumidor. En la localidad de MASUDPUR el estado ha construido una planta de biogás multifamiliar a partir de excrementos humanos y vacunos. El digestor de alrededor de 194 m3 de capacidad tiene una campana de acero de 85 m3 y el biogás se envía a 12 viviendas separadas de la instalación productora en 1 km de distancia. Hoy 31 comunidades cuentan con plantas de biogás multifamiliares que trabajan eficientemente porque son atendidas con esmero.

En Europa existen alrededor de 564 instalaciones productoras de gas biológico que representan unos 269 000 m3 de digestores. De estas 174 000 m3 digestores corresponden a instalaciones industriales. El resto, 95 000 m3 de digestores corresponden a instalaciones agrícolas. Al inicio el desarrollo del biogás fue más fuerte en la zona rural. Hoy el tratamiento de desechos municipales mediante instalaciones productoras de energía y abonos llevan el peso fundamental en el desarrollo de esta tecnología donde se trabaja fuertemente por lograr cada día una eficiencia más óptima de procesos con tiempo de retención extremadamente bajos (3 a 10 h) /14; 16; 24/. .

En Estados Unidos de América existen algunas plantas de biogás de gran tamaño y que funcionan bien.

Otra instalación significativa resulta la de una planta de biogás construida para el procesamiento de excreta de vacas lecheras en la ciudad de MONROE, y WASHINGTON. Esta instalación posee un digestor de 190 m3 de capacidad comenzó a trabajar en 1977 concebida para 200 vacas estabuladas. En América Latina se hacen esfuerzos aislados en distintos países, con el propósito de extender la tecnología del biogás a las condiciones de vida e idiosincrasia de nuestros pueblos /16; 24/.

Situación nacional.

La solución de tratamiento a los residuales en forma anaerobia (sin oxigeno), es más efectiva y controlada que las soluciones tradicionales de tratamiento que acostumbramos a hacer mediante lagunas de oxidación, vertimientos a cañadas, ríos o al mar directamente en algunos casos. No hay problemas de desastres ecológicos. En Cuba existen ejemplos convincentes de vertimientos biodegradantes que han destruido bancos de ostiones, bancos de mangles, muertes de peces en ríos y presas, contaminación de agua para uso social, destrucción de la vida marina en la desembocadura de los ríos contaminados /11; 16; 24/.

Cuba aún no sanciona o penaliza el desastre ecológico diario que provocan los organismos vertedores de residuos. El tratamiento de residuales mediante fermentación anaerobia elimina los malos olores de la descomposición de cualquier materia orgánica, no atrae moscas u otros vectores evita los problemas de infiltración de materia orgánica sin digerir al manto freático o cursos de agua /5; 11; 16/.

En el país se construyeron alrededor de 550 instalaciones pequeñas de biogás en vaquerías rústicas, con el propósito de sustituir el mechón o lámpara de kerosina artesanal para el alumbrado de las instalaciones durante la jornada del ordeño manual en horas de la madrugada. Cada día estas plantas de biogás han ido abandonándose, llegando hoy a la cifra de 4 000 instalaciones y donde sólo trabajan el 70 % de ellas /5; 11; 16; 24/. .

Este proceso de desactivación, ha desarrollado una mala imagen del biogás. Las causas de esta mala imagen del biogás por abandono de las instalaciones son /5; 11; 16; 24/:

  • No se elaboraron buenos proyectos o soluciones de biogás. Se construyeron buenas ideas sin un análisis adecuado y con el decursar del tiempo empezaron los problemas constructivos. Unido a esto no se realizó labor de capacitación adecuada al personal encargado de su atención.
  • La idiosincrasia del cubano no esta adaptada a trabajar con residuos de animales de forma gustosa. Por esta razón debió estimularse mejor este trabajo adicional al ordeño manual y otras labores ganaderas.
  • No ha existido atención adecuada a estas instalaciones desde la base hasta la dirección en el territorio. El biogás se ha comportado como un problema más dentro de las grandes problemáticas que enfrenta el ministerio de la agricultura.
  • El campesino vio que el biogás es la solución a la cocción de alimentos.

Qué es el biogás.

Se llama biogás al gas que se produce mediante un proceso metabólico de descomposición de la materia orgánica sin la presencia del oxigeno del aire. Este biogás es combustible, tiene un alto valor calórico de 4 700 a 5 500 kcal/m3 y puede ser utilizado en la cocción de alimentos, para la iluminación de naves y viviendas, así como para la alimentación de motores de combustión interna que accionan, máquinas herramientas, molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículos agrícolas o de cualquier otro tipo. La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono.  El metano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente /5; 11; 16; 24/. . 

El biogás esta compuesto por:

  1. Metano (CH4) 55 a 70 %.
  2. Anhídrido carbónico (CO2) 35 a 40 %.
  3. Nitrógeno (N2) 0.5 a 5 %.
  4. Sulfuro de hidrógeno (SH2) 0.1 %.
  5. Hidrógeno (H2) 1 a 3 %.
  6. Vapor de agua Trazas.

Como se observa el aporte calórico fundamental lo ofrece el metano cuyo peso especifico es de alrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos limpiarlo de CO2. De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede llegar hasta 8 260 kcal / m2 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina. El uso del biogás en motores de combustión interna permite que se soporten altas compresiones sin detonaciones /5; 11; 16; 24/.

Biomasa.

La biomasa, primera fuente de energía utilizada por el hombre, es toda aquella materia orgánica originada como consecuencia de procesos biológicos. Por tanto las plantas y todo producto vegetal, los animales que directa o indirectamente se alimentan de ellas, y todos los residuos generados por la actividad de los seres vivos /3; 8/.

El componente energético de la biomasa procede de la energía solar, que las plantas son capaces de transformar, mediante el proceso de la fotosíntesis, en energía química, almacenada en forma de hidratos de carbono. Se suelen encontrar tres tipos de biomasas, vegetal, animal y residual /3; 8/.

Factores a tener en cuenta para un buen funcionamiento de una planta de biogás.

El proceso de producción de biogás depende de varios parámetros que afectan la actividad bacteriana /16; 24/:

  • Temperatura
  • Tiempo de retención.
  • Relación Carbono / Nitrógeno.
  • Porcentaje de sólidos.
  • Factor PH.

Beneficios de la tecnología del Biogás.

Los sistemas de biogás pueden proveer beneficios a sus usuarios, a la sociedad y al medio ambiente en general//5; 11; 16; 24/:

Producción de energía (calor, luz, electricidad)

Transformación de desechos orgánicos en fertilizante de alta calidad.

Mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la reducción de patógenos, huevos de gusanos y moscas.

Reducción en la cantidad de trabajo relacionado con la recolección de leña para cocinar (principalmente llevado a cabo por mujeres)

Ventajas ambientales a través de la protección del suelo, del agua, del aire y la vegetación leñosa, reducción de la deforestación.

Beneficios micro económicos a través de la sustitución de energía y fertilizantes, del aumento en los ingresos y del aumento en la producción agrícola ganadera.

Por lo tanto, la tecnología del biogás puede contribuir sustancialmente a la conservación y el desarrollo.  Sin embargo, el monto de dinero requerido para la instalación de las plantas puede ser en muchos casos prohibitivo para la población rural.  Por ello, se deben concentran los esfuerzos en desarrollar sistemas más baratos y en proveer a los interesados de créditos u otras formas de financiación.   El financiamiento del gobierno podría verse como una inversión para reducir gastos futuros relacionados con la importación de derivados del petróleo y fertilizantes inorgánicos, con la degradación del medio ambiente, y con la salud y la higiene /24/.

Materiales y métodos.

Para la elección del diseño se tomó en cuenta /16/:

a) Inversión que se está dispuesto a realizar.

b) Energía que se quiere obtener.

c) Los materiales con que se cuenta (biomasa).

d) El tamaño del digestor.

e) Las características del lugar en cuanto a profundidad del manto freático.

f) La simplicidad que se quiere lograr en el manejo.

g) Uso del efluente del biodigestor.

h) Temperaturas medias del lugar donde se instalará.

Para el dimensionamiento del digestor se partió de la cantidad de gas que se quiere lograr del digestor diariamente. Con este dato se dimensiona el digestor para una determinada temperatura de funcionamiento, calculándose la cantidad de material a introducir por día y verificando con posterioridad si alcanza la biomasa disponible. Para el diseño de la planta de biogás se tuvieron en cuenta algunas consideraciones desde el punto de vista tecnológico constructivo, para garantizar la menor inversión de recursos materiales por parte de los beneficiarios. Para ello se realizaron los cálculos para un tubo de alcantarillado estandarizado de dimensiones 800 x 1500 mm y un tanque de 0.22 m3 (55 gal) el primero como digestor y el segundo como campana almacenadora del biogás.

Metodología para el cálculo:

1 - Volumen de biogás necesario (Vbn), en m3/ día.

Donde:

Vbnc – Volumen de biogás necesario diario para la cocción para una persona, (0.20 a 0.3 m3/ día- persona).

2 - Volumen de biogás adicional, (Vba), en m3/ día.

3 - Volumen de biogás real, (Vbr), en m3/ día.

4 - Volumen necesario del digestor, (Vnd), en m3.

5 - Volumen del digestor preseleccionado, (Vdp), en m3.

Donde:

d – diámetro del tubo de alcantarillado (800 mm), en m;

h– altura del tubo de alcantarillado (1 500 mm), en m.

6 - Comparación entre el volumen del digestor necesario y el volumen del digestor preseleccionado.

Coeficiente de comparación geométrica (cg).

Donde:

cg- su valor debe encontrarse de 0.4 a 1.4.

7 - Volumen de almacenamiento del biogás (Vab), en m3.

8-Peso de la campana, (Gc), kg.

Donde:

Pg – Presión de salida del gas (Pg = 1 200 a 3 000 Pa).

9 - Cantidad de excreta total para la carga inicial (Cet), en kg.

10 - Volumen de carga diaria (Vcd), en m3.

Donde:

Tr – Tiempo de retención ( 20 a 30 días), en días.

11 - Cantidad de excreta diaria (Ced), en kg.

12 - Cantidad de biofertilizante diario producido (Cbp), en kg.

CONCLUSIONES

  1. El diseño establecido garantiza el abastecimiento de biogás para la cocción de alimentos de una familia compuesta aproximadamente por cinco miembros.
  2. Conociendo la cantidad de excreta diaria podemos determinar la cantidad de biofertilizante diario a obtener en el digestor.
  3. El plazo de recuperación de la inversión es relativamente corto.
  4. El uso del biogás como combustible es más ecológico que la leña.
  5. Construir la planta de biogás lo más cerca posible a los consumidores y donde reciba la mayor cantidad de sol durante el día.

BIBLIOGRAFÍA.

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MSc. Luis Zamora González

Dpto de Mecanización. Universidad de Granma.

Ing. Yusleidis Cisnero Reyna

Ing. Idalberto Macías Socarrás

Dpto de Mecanización. Universidad de Granma.

Ing. Antonio López Varela

Dpto de de Ciencias Técnicas. Universidad de Granma.


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