Considerations on the use of the
biogás. Methodology for the construction of a small plant
of biogás
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.
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.
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:
- Metano (CH4) 55 a 70 %.
- Anhídrido carbónico (CO2) 35
a 40 %. - Nitrógeno (N2) 0.5 a 5
%. - Sulfuro de hidrógeno (SH2) 0.1
%. - Hidrógeno (H2) 1 a 3 %.
- 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.
- El diseño establecido garantiza el
abastecimiento de biogás para la cocción de
alimentos de una familia
compuesta aproximadamente por cinco miembros. - Conociendo la cantidad de excreta diaria podemos
determinar la cantidad de biofertilizante diario a obtener en
el digestor. - El plazo de recuperación de la
inversión es relativamente corto. - El uso del biogás como combustible es
más ecológico que la leña. - Construir la planta de biogás lo más
cerca posible a los consumidores y donde reciba la mayor
cantidad de sol durante el día.
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