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División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Licenciatura en Ingeniería en Energía

Producción de biogás a partir de excretas ganaderas

Presenta: David Sampablo Cruz

Matricula: 207340437

[email protected]

Seminario de Proyecto I y II

Área: Plantas térmicas e impacto ambiental

Asesor: MIQ. Alejandro Torres Aldaco

Profesor Investigador del Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica

Dr. Gilberto Espinosa Paredes

Coordinador de la licenciatura en Ingeniería en Energía

México D.F., Marzo 2015

mailto:[email protected]

Producción de biogás a partir de excretas ganaderas UAM-I PP2

2

Agradecimientos

A mi madre Hilda Cruz, por todo el amor que me ha dado y ser la mujer más fuerte que me ha

guiado, mi padre Lorenzo Sampablo†, siempre pienso en ti, y que sin su apoyo, nunca hubiera

logrado llegar hasta donde estoy.

A mis hermanas Adriana y Alejandra Sampablo, porque me enseñaron a crecer en la vida y

siempre creer en mí, gracias.

A mi familia, por su apoyo incondicional y porque siempre están ahí en los momentos indicados

para aconsejarme.

A Carolina Sandoval porque siempre me animo a seguir adelante y confiar en mí, gracias.

A mis asesores el M.I.Q. Alejandro Torres Aldaco y el Dr. Raúl Lugo Leyte, por el apoyo formativo,

académico, moral y ayudarme a concluir satisfactoriamente el presente trabajo, y principalmente

por tener la paciencia y dedicación en mí.

A la Planta Piloto 2 y amigos, porque en ellos encontré una familia y mi segundo hogar.

Al SECITI del D.F. por el apoyo al proyecto “Biocentral de potencia integrada a una planta de

tratamiento de aguas residuales para una ciudad sostenible” PICSO12-107.


3

Contenido

Página

Agradecimientos ....................................................................................................................... 2

Lista de Tablas .......................................................................................................................... 6

Lista de Figuras ......................................................................................................................... 7

Nomenclatura .......................................................................................................................... 10

Resumen .................................................................................................................................. 12

Introducción ............................................................................................................................ 13

Objetivo general ...................................................................................................................... 16

Objetivos particulares ............................................................................................................. 16

Justificación ............................................................................................................................ 17

Capítulo 1 ....................................................................................................................................... 20

Estado del Arte ............................................................................................................................... 20

1.1 Antecedentes del biogás .................................................................................................. 21

1.2 Definición del biogás ....................................................................................................... 22

1.3 Etapas de la digestión anaerobia ...................................................................................... 22

1.4 Clasificación de los sustratos ........................................................................................... 27

1.5 Características generales del biogás ................................................................................ 29

Capítulo 2 ....................................................................................................................................... 31

Tipos de biodigestores anaerobios ................................................................................................. 31

2.1 Biodigestor anaerobio ...................................................................................................... 32

2.2 Características de un biodigestor de biogás ..................................................................... 32

2.3 Tipos de biodigestores ..................................................................................................... 33

2.4 Modelo Chino .................................................................................................................. 34

2.5 Modelo Hindú .................................................................................................................. 35

2.6 Biodigestores Horizontales .............................................................................................. 36


4

2.7 Digestor Batch (discontinuo o régimen estacionario) ..................................................... 37

2.8 Consideraciones de construcción ..................................................................................... 38

Capítulo 3 ....................................................................................................................................... 40

Tecnologías del Biogás .................................................................................................................. 40

3.1 Calidad del biogás como combustible ............................................................................. 41

3.2 Cromatógrafo de gases .................................................................................................... 42

3.3 Utilización del biogás ...................................................................................................... 46

3.4 Producción de calor o vapor ............................................................................................ 46

3.5 Producción de electricidad y cogeneración ..................................................................... 47

3.6 El biogás como Combustible ........................................................................................... 48

3.7 Motores reciprocantes a gas para generación de potencia ............................................... 49

3.8 Micro Turbinas ................................................................................................................ 54

Capítulo 4 ....................................................................................................................................... 62

Acondicionamiento del Biogás ...................................................................................................... 62

4.1 Acondicionamiento del biogás ........................................................................................ 63

4.2 Efectos del CO2 en el biogás ............................................................................................ 63

4.3 N2 y O2 presente en el biogás .......................................................................................... 64

4.4 Amoniaco presente en el biogás ...................................................................................... 65

4.5 H2S presente en el biogás ................................................................................................ 65

4.6 Procesos biológicos ......................................................................................................... 65

4.7 Procesos físicos................................................................................................................ 66

4.8 Depuración de biogás al grado equivalente al gas natural ............................................... 66

4.9 Absorción en soluciones acuosas .................................................................................... 67

4.10 Absorción en soluciones químicas .................................................................................. 68

4.11 Etapa final de la depuración ............................................................................................ 68

Capítulo 5 ....................................................................................................................................... 69

Instalación del equipo de biodigestión PP2 – UAM I .................................................................... 69


5

5.1. Diseño de la instalación de biodigestión PP2 .................................................................. 70

5.2. Diagrama esquemático de la instalación de biodigestión PP2 ........................................ 70

5.3. Metodología utilizada ...................................................................................................... 71

5.4. Construcción del bioreactor PP2 UAM-I ........................................................................ 71

5.5. Experimentación bioreactores 20 l .................................................................................. 76

5.6. Objetivos y metas alcanzadas .......................................................................................... 81

5.7. Resultados ........................................................................................................................ 81

Bibliografía ..................................................................................................................................... 96

Anexos ............................................................................................................................................ 99


6

Lista de Tablas

Tabla 1 Rangos de temperatura para la digestión anaerobia [3] .................................................... 26

Tabla 2 Características generales del biogás [10] .......................................................................... 29

Tabla 3 Característica del metano [10] .......................................................................................... 30

Tabla 4 Comparación de parámetros técnicos entre el gas natural y el biogás [10] ...................... 41

Tabla 5 Motogenerador Tipo 2 GE ............................................................................................... 50

Tabla 6 Motogenerador Tipo 3 GE ................................................................................................ 50



Tabla 9 Plantas de biogás de tecnología GE, contexto internacional ............................................. 52

Tabla 10 Modelos de microturbinas Capstone ............................................................................... 55

Tabla 11 Planta de tratamiento de aguas residuales Sheboygan [17] ............................................ 56

Tabla 12 Granja Den Dulk Dairy [17] ........................................................................................... 56

Tabla 13 Planta de tratamiento de aguas residuales Cossato Spolina [17] .................................... 57

Tabla 14 Planta de biogás Kupferzell [17] ..................................................................................... 57

Tabla 15 Planta de tratamiento de aguas Revico [17] .................................................................... 57

Tabla 16 Planta de tratamiento de aguas residuales Melton [17] ................................................... 58

Tabla 17 Número de biodigestores instalados en México .............................................................. 58

Tabla 18 Algunas unidades productoras apoyadas por el FIRCO para el aprovechamiento del

biogás (biodigestor y motogenerador) hasta el 2011 ..................................................................... 59

Tabla 19 Componentes del biogás y su efecto [21] ....................................................................... 63

Tabla 20 Características del bioreactor de 20 l .............................................................................. 80

Tabla 21 Masa molecular de los principales compuestos del biogás ............................................. 84

Tabla 22 Condiciones de operación del GC ................................................................................... 85

Tabla 23 Ecuaciones para el cálculo del trabajo o calor suministrado en la turbina de gas .......... 89

Tabla 24 Características climatológicas típicas de tres estados de México ................................... 90

Tabla 25 Potencias obtenidas con la turbina de gas, variando la concentración de metano para el

biogás en los tres estados de México ............................................................................................. 90


7

Lista de Figuras

Figura 1 Etapas de la digestión anaerobia ...................................................................................... 25

Figura 2 Biodigestor tipo Chino ..................................................................................................... 34

Figura 3 Biodigestor tipo Hindú ..................................................................................................... 36

Figura 4 Biodigestor horizontal ...................................................................................................... 37

Figura 5 Cromatógrafo de gases típico para análisis de gases y líquidos ...................................... 42

Figura 6 Partes externas del GC 7820A Agilent ............................................................................ 43

Figura 7 Vista trasera de GC 7820A Agilent ................................................................................. 43

Figura 8 Inyectores frontal y trasero .............................................................................................. 44

Figura 9 Horno y columna del GC 7820A Agilent ........................................................................ 44

Figura 10 Detector frontal y trasero del GC ................................................................................... 45

Figura 11 Relleno Sanitario, SEMEPRODE Bioenergía de Nuevo León ...................................... 61

Figura 12 Relación átomos de carbono y %Vol. de CH4 en el biogás ........................................... 64

Figura 13 Esquema de purificación de biogás por absorción acuosa ............................................. 67

Figura 14 Esquema de purificación de biogás por absorción acuosa cogeneración de agua ......... 68

Figura 15 Diagrama esquemático de la instalación de biodigestión PP2 ....................................... 70

Figura 16 Diagrama esquemático de producción de biogás a partir de deyecciones ganadera ..... 71

Figura 17 Recolección de estiércol ................................................................................................ 72

Figura 18 Acondicionamiento del sustrato ..................................................................................... 72

Figura 19 Bioreactor PP2 UAM-I para la producción de biogás ................................................... 72

Figura 20 Tubería requerida para el sistema de biodigestión PP2 UAM-I .................................... 73

Figura 21 Construcción de las bases para colocar los postes ......................................................... 74

Figura 22 Colocación de los cuadros y bases para las mallas ........................................................ 74

Figura 23 Instalación del piso de adoquín ...................................................................................... 74

Figura 24 Malla de protección terminada ..................................................................................... 74

Figura 25 Medidor de pH y temperatura ........................................................................................ 75

Figura 26 Medición del pH al sustrato ........................................................................................... 75

Figura 27 Salida del sustrato ya digerido ....................................................................................... 75

Figura 28 Módulo de compresión .................................................................................................. 75

Figura 29 Tapa del compresor ........................................................................................................ 76

Figura 30 Pruebas al compresor para evitar fugas en las mangueras ............................................. 76


8

Figura 31 Bioreactor de 20 l con estiércol de becerro.................................................................... 76

Figura 32 Bioreactores de 20 l instrumentados antes de iniciar el proceso biológico ................... 77

Figura 33 Tapas de salida del biogás, conectadas con una manguera y una válvula de gas .......... 77

Figura 34 Termómetro digital para la medición de temperatura .................................................... 78

Figura 35 Preparación de la mezcla agua/estiercol ........................................................................ 78

Figura 36 Se muestra el manómetro para monitorear la presión del biogás .................................. 79

Figura 37 Tanque de almacenamiento, quema del biogás producido en el bioreactor construido en

la PP 2 de la UAM .......................................................................................................................... 80

Figura 38 Monitoreo de la temperatura a lo largo de un día .......................................................... 81

Figura 39 Monitoreo de la temperatura a lo largo del proceso ...................................................... 81

Figura 40 Monitoreo del pH a lo largo del proceso ....................................................................... 82

Figura 41 Manómetro de baja presión conectado al biodigestor ................................................... 83

Figura 42 Cromatográma del biogás, Muestra no. 1 ...................................................................... 86



Figura 45 Esquema del desarrollo de una planta de biogás para producción de electricidad

utilizando una turbina de gas Solar Saturno de 1 MW ................................................................... 89

Figura 46 Diagrama esquemático de la turbina de gas Solar Saturno para la generación de energía

eléctrica .......................................................................................................................................... 89

Figura 47 Diagrama T-s de la turbina de gas Solar Saturno .......................................................... 89

Figura 48 Arreglo de la turbina de gas Solar Saturno de 1 MW .................................................... 92

Figura 49 Arreglo de un motor de gas Jenbacher GE de 1 MW .................................................... 92

Figura 50 Poder calorífico inferior del biogás a diferentes concentraciones volumétricas de CH4

........................................................................................................................................................ 92

Figura 51 Flujo de combustible obtenido, para tres estado de México con diferentes temperaturas

ambiente, a la turbina de gas Solar Saturno ................................................................................... 92

Figura 52 Presión atmosférica, potencia generada en la turbina de gas Solar Saturno, con diferentes

concentraciones volumétricas de CH4 en el biogás ........................................................................ 93

Figura 53 Flujo de combustible obtenido a diferentes concentraciones volumétricas de metano CH4

........................................................................................................................................................ 93


9

Figura 54 Potencia generada de la turbina de gas obtenida a diferentes concentraciones

volumétricas de CH4 ....................................................................................................................... 94

Figura 55 Flujo de combustible obtenido para el motor, variando la concentración volumétrica de

CH en el biogás, ubicado en Puebla ............................................................................................... 94


10

Nomenclatura

4CH Metano

2CO Dióxido de carbono

2H S Sulfuro de hidrógeno

2H O Agua

pH Potencial de Hidrógeno

C Temperatura en grados centígrados

K Temperatura en grados kelvin

P Presión

3m Metros cúbicos

m Metros

MM Masa molecular kg kgmol

TR Tiempo de retención

uR Constante universal de los gases J kgmolK

COMw Trabajo de compresión kJ kg

TURBw Trabajo de la turbina kJ kg

SIC Eficiencia isoentrópica

Acp Calor específico del aire J kg C

COM Relación de presiones

SUMq Calor suministrado kJ kg

1T Temperatura a la entrada del compresor C


11

SIT Eficiencia de expansión en la turbina

gcp Calor específico de los gases de combustión J kg C

PCI Poder Calorífico Inferior kJ kg


12

Resumen

Hasta el día de hoy 90% de nuestras necesidades energéticas son cubiertas por fuentes fósiles

(petróleo, carbón, gas natural y otros derivados), principalmente en la generación de energía

eléctrica y energía térmica.

En la actualidad surge la necesidad de diversificar las fuentes de energía para incrementar la matriz

energética y cubrir una parte de la creciente demanda de energía. Mediante la implementación de

energías renovables en este contexto, destaca la implementación de biodigestores para la

producción de biogás, utilizado primordialmente en las comunidades rurales como fuente de

energía calorífica para cocción, calefacción y producción de energía eléctrica, aprovechando los

desechos orgánicos que se generan en su propio medio. El desarrollo de la tecnología del biogás se

muestra como una solución a favor del medio ambiente y de tratamiento a residuos de origen

orgánico, que pueden ser digeridos en un sistema anaerobio el cual contribuye a dar solución,

como: disminuir la carga contaminante, disminuir problemas sanitarios en zonas ganaderas,

eliminar olores desagradables, mejora de las tierras utilizado como fertilizante entre otros.

El 16 de Diciembre de 2013 se llevó a cabo la recolección de estiércol de becerro, el equipo de

biodigestión que se diseñó, se instaló dentro de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM),

específicamente en la Planta Piloto 2 de la Unidad Iztapalapa. Se instaló un Bioreactor PP2 tipo

batch o por lotes de 1 m3, a partir de excretas de becerro a nivel planta piloto, con una dilución de

3:1, es decir, tres partes de agua por una parte de estiércol, con el finalidad de que la mezcla

estiércol/agua no se solidificara en la parte superior dentro del Bioreactor PP2.

Para la instalación de biodigestión, inicialmente se llevó acabo la experimentación en dos

bioreactores tipo batch de 20 l donde se vertió estiércol de becerro, con una relación de 3:1, con

agua como disolvente, posteriormente se escaló el volumen del bioreactor hasta 1000 litros. Se

monitoreó y midió con un potenciómetro la temperatura y pH, la presión con un manómetro de

baja presión, para determinar la producción de biogás. Todos los experimentos han sido

bioreactores tipo batch.

En las experimentación de diciembre del 2013 se obtuvo 0.0016 kg de biogás para los bioreactores

de 20 l y para el bioreactor PP2 se obtuvo una producción de 1.05 kg.


13

Introducción

Desde los inicios de la revolución industrial, los combustibles fósiles han constituido una gran parte

de nuestros energéticos, para el desarrollo de las actividades humanas, esto ha ocasionado severos

problemas sociales y económicos, aunados al crecimiento de la población, dando lugar a que estos

recursos se vean reducidos, causando además un serio problema al medio ambiente, debido a la

combustión de estos combustibles fósiles, especialmente el monóxido y dióxido de carbono (CO,

CO2, respectivamente) siendo los principales actuadores de lo que hoy se conoce como Gases de

Efecto Invernadero (GEI).

Con el esfuerzo de reducir las emisiones debido a los GEI, las fuentes de energía renovables se han

reconocido como algunas de las alternativas más prometedoras para superar los problemas del

presente sistema energético basado en combustibles fósiles. A fin de diversificar la matriz

energética, en este contexto destaca la implementación de tecnologías que permitan un desarrollo

de manera sustentable con el medio ambiente, como son; solar, eólica, hidráulica, geotérmica y

bioenergía, que en su conjunto pueden tener un rol importante en la transición energética, tanto por

su capacidad para reducir emisiones de GEI como por ser aplicables a una gran diversidad de usos

finales. En particular, la biomasa puede procesarse para obtener biocombustibles sólidos, líquidos

y gaseosos, renovables y de bajas emisiones en comparación a los combustibles fósiles [1].

La bioenergía o energía producida a partir de la biomasa, recibe mucha atención tanto a nivel de

políticas como de opinión pública [2], para promover la transición hacia un patrón energético más

sustentable, dominado por las energías renovables. El desarrollo de la bioenergía, va desde

iniciativas globales para el desarrollo de sistemas masivos de producción, distribución, uso y

certificación; de biogás, biodiesel y bioetanol, con aplicaciones competitivas y complementos

necesarios y estratégicos de los combustibles fósiles [1].

La biomasa es una fuente de energía renovable y limpia, con un amplio portafolio de tecnologías

maduras para la mayoría de sus distintas aplicaciones. A nivel internacional, la bioenergía

representa el 10% del consumo total de energía y 77% de las energías renovables. Se espera que

para el año 2035 podría contribuir con cerca del 25% de la energía requerida en el mundo, y

contribuir así uno de los pilares de la transición a fuentes renovables de energía. La bioenergía en

nuestro país abastece el 5% (432 PJ hasta el 2008) del consumo de energía primaria. Se utilizan

principalmente la leña, el bagazo de caña y el carbón vegetal [1].


14

En México existe una experiencia importante en el área de biodigestores, captura de metano y

generación de electricidad en rellenos sanitarios, manejada de manera sustentable, la bioenergía

presenta numerosas ventajas desde la óptica socioeconómica y ambiental: es versátil, escalable,

brinda aplicaciones para los principales usos finales de la energía (calor, electricidad, combustibles

para el transporte), permite crear sinergias importantes entre los sectores agrícola, energético,

industrial, ambiental y social, puede promover el desarrollo rural sustentable a través de la creación

de fuentes de trabajo e inversiones en ese medio y puede transferir importantes recursos

económicos desde las áreas urbanas hacia las áreas rurales. Además, la producción sustentable de

biomasa brinda numerosos servicios ambientales de tipo local y global, lo que incluye la

transformación de residuos en recursos económicos, control de la erosión del suelo, regulación del

ciclo hidrológico, preservación del hábitat para la fauna silvestre, así como la contaminación local.

En el año 2030, la bioenergía podría abastecer hasta un 16% del consumo de energía en México y

permite una reducción anual de emisiones de 110 Mt de CO2 a la atmósfera o 23% de la mitigación

total estimada en este año. A las ventajas globales del uso de la bioenergía, se sumarían numerosos

beneficios tangibles en lo local; por ejemplo, el aprovechamiento de desechos urbanos y agrícolas,

reducción de los riesgos y la contaminación del agua y el aire, por su parte el biogás permiten

reducir la contaminación intramuros en las viviendas rurales [1].

Los rumiantes son grandes contribuyentes al calentamiento global y deterioro de la capa de ozono,

por la liberación de altas cantidades de gases a la atmósfera, entre ellos, el gas carbónico y el

metano. El metano producido se genera principalmente por los procesos fermentativos del alimento

que ingresa al rumen. El principal factor biótico a nivel del rumen en la producción de metano son

las bacterias anaerobias metanógenas. Estas bacterias utilizan diferentes sustratos para la

producción de metano, pero los principales son el H2 y el CO2.

Por otro lado, existe el problema de la distribución de energía eléctrica en comunidades rurales, sin

embargo se tienen grandes cantidades de desechos orgánicos constituyendo una oportunidad para

desarrollar tecnología de gasificación de biogás. La actividad agropecuaria y el manejo adecuado

de residuos rurales pueden contribuir significativamente a la producción y conversión de residuos

animales y vegetales (biomasa) en distintas formas de energía. Durante la digestión anaeróbica de

la biomasa, mediante una serie de reacciones bioquímicas, se genera el biogás, que está constituido


15

principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Este biogás puede ser capturado y

usado como combustible y/o electricidad [3].

Las diversas aplicaciones del uso del biogás en México, como es, el tren metropolitano

regiomontano (metro) es el primer transporte colectivo de su tipo en México que utiliza energía

generada a través de residuos sólidos para desplazarse. La energía eléctrica utilizada es generada a

partir de los gases producidos en la descomposición de los residuos orgánicos de un relleno

sanitario ubicado en el municipio de Salinas Victoria en la ciudad de Monterrey, N.L.,México [4].

En el presente trabajo se realizó la construcción de un Biodigestor a nivel laboratorio, en la Planta

Piloto 2 de la UAM-I, utilizando materia orgánica proveniente de excretas de becerro, con la

finalidad de obtener una producción de biogás.

En el diseño del biodigestor se considera también la instrumentación para un buen desempeño y

manejo, a fin de disponer del biogás al cual se comprimió previo a un lavado, posteriormente el

análisis cromatográfico, para obtener la composición de metano (CH4) principalmente en el biogás.


16

Objetivo general

Diseñar y construir un biodigestor a nivel laboratorio en la Planta Piloto 2 de la UAM-I, para la

producción de biogás, utilizando como sustrato excretas provenientes de becerro, así como el

análisis y caracterización del biogás.

Objetivos particulares

Los objetivos particulares son:

Dimensionar el tipo de biodigestor a utilizar.

Proponer los componentes principales de la instalación y una adecuada instrumentación

para el manejo del biodigestor.

Determinar la mejor relación excreta/agua para ser utilizada en el proceso y obtener mayor

producción de biogás.


17

Justificación

La alta dependencia que existe en el país de los combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón

etc.) como fuente primaria para la generación de energía eléctrica y térmica determina la

insustentabilidad de la matriz energética. Aunado al crecimiento de la población, ha dado lugar a

que estos recursos se vean agotados, causando además un serio problema en el medio ambiente

debido a los Gases de Efecto Invernadero (GEI). De esta manera surge la necesidad de diversificar

las fuentes de energía y cubrir una parte de la creciente demanda de energía.

Resulta necesario implementar nuevas tecnologías, de manera que tengan un impacto positivo en

lo social y ambiental; darle una utilización a los residuos de la aguas y a las excretas de animales

(bovino, porcino, etc.) mediante un proceso biológico (anaerobio), para obtener un nuevo

biocombustible, como el biogás.

Una opción muy interesante para la sustitución de hidrocarburos por fuentes renovables de energía

es el aprovechamiento del biogás, es una fuente de energía renovable y limpia, con un portafolio

extenso de tecnologías maduras para la mayoría de sus distintas aplicaciones.

En México existe una experiencia importante en el área de biodigestores, captura de metano y

generación de electricidad en rellenos sanitarios. Manejada de manera sustentable, la bioenergía ha

vuelto a ser considerada como una opción clave en la transición energética, en vista de la

inseguridad y altos costos del abastecimiento de petróleo, y los impactos ambientales negativos del

uso de fuentes fósiles. Presenta numerosas ventajas desde la óptica socioeconómica y ambiental:

es versátil; escalable; brinda aplicaciones para los principales usos finales de la energía; permite

crear sinergias importantes entre los sectores agrícola-forestal, energético, industrial, ambiental y

social; puede promover el desarrollo rural sustentable a través de la creación de fuentes de trabajo

e inversiones en ese medio y puede transferir importantes recursos económicos desde las áreas

urbanas hacia las áreas rurales. Además, la producción sustentable de biomasa brinda numerosos

servicios ambientales de tipo local y global, lo que incluye la transformación de residuos en

recursos económicos, control de la erosión del suelo, regulación del ciclo hidrológico y

preservación del hábitat para la fauna silvestre.

A nivel mundial se postula que por razones ambientales, sociales y económicas es necesaria una

transición energética, entendida como un proceso de cambio en los modelos de producción y


18

utilización de energía, hacia sistemas más equitativos, mejor distribuidos geográficamente, y

menos contaminantes.

El biogás es un recurso energético que constituye una opción hacia la transición energética, ya que

puede ser empleado como combustible para generar electricidad, calor y/o energía mecánica a

partir de una fuente renovable como lo son los cultivos energéticos, o bien a través de residuos

agropecuarios, agroindustriales y municipales, entre otros. Por otra parte, desempeña un papel

importante en la mitigación de gases de efecto invernadero.

Las tecnologías que se desarrollan actualmente, para la solución del problema energético y de

contaminación que representa usar petróleo y sus derivados como fuente principal en la generación

de energía eléctrica y térmica [1,2], se destaca la tecnología de obtención de biogás a partir de

desechos orgánicos, término genérico referido a cualquier producto biológico que puede

convertirse en energía [3], favoreciendo en este sentido a las zonas rurales, ranchos o ganaderías

para aminorar los costos de energía eléctrica y en la zonas urbanas donde el problema de los

desechos sólidos y aguas negras crece día con día. Ayuda a la obtención de biofertilizante y

tratamiento de problemas sanitarios en algunos casos, hacen que replicabilidad y difusión en los

sectores con abundancia de materia orgánica de desecho sea atractivo. Despertando un gran interés

como fuente de energía renovable, siendo tal vez una de las tecnologías de más fácil

implementación, sobre todo en sectores rurales.

Para abastecer un sistema de generación de electricidad en zonas ganaderas, debido al problema

actual de manejo de residuos del ganado en todo el país. En 2011 México contaba con 31 millones

de cabezas de ganado bovino y en promedio producen 20 kg de desecho por día, que corresponden

a 620,000 toneladas al día de los cuales se aprovechan menos del 50% como abono en tierras de

cultivo. Resulta un problema ambiental y de salud de gran importancia. Este problema puede ser

revertido por la utilización racional de los desechos que pueden producir alrededor de 6 millones

de kg de gas por día, que pueden producir 300 MW de energía eléctrica, disponiendo del 50% de

los desechos.

El biogás es una fuente de energía renovable, que al ser aprovechada reduce las emisiones de gases

de invernadero a la atmosfera apoyando las estrategias nacionales de mitigación y adaptación al

cambio climático [5]. Existe un gran potencial del recurso biomásico. Los bioenergéticos en


19

México pueden producir sosteniblemente 3,569 PJ, el equivalente al 46% de la oferte interna bruta

de energía primaria en el año 2008, y 10 veces más que su uso actual [1].

Capítulo 1

Estado del Arte

Imagen: Biodigestores [22,000 m3] de una planta de biogás instalada en una zona rural. Oberlauterbach,

Hallertau, Alemania 2012.


21

1.1 Antecedentes del biogás

La fermentación anaerobia de la materia orgánica es un proceso complejo, el cual se realiza por

microorganismos existentes en la naturaleza, desde aproximadamente unos 3,400 millones de años,

cuando la atmósfera no tenía oxígeno en la proporción que hoy se tiene y estaba compuesta por

nitrógeno (N), dióxido de carbono (CO2), argón (Ar) y vapor de agua. En muchos aspectos este

proceso es idóneo para el tratamiento de residuos y se fundamenta en la oxidación biológica de la

materia orgánica mediante la actuación de un consorcio de bacterias específicas en ausencia de

oxígeno molecular, descomponen la materia orgánica en productos gaseosos o biogás, con un

potencial energético considerable y un efluente con alto valor fertilizante [6].

Las primeras menciones del biogás se ubican en el año 1667 por Shirley el cual llamo “gas de los

pantanos”, se produce en forma natural, siendo responsable de los llamados “fuegos fatuos”. A

finales del siglo XVIII, el físico Alessandro Volta fue el primero en reconocer una relación entre

el gas de los pantanos y la vegetación en descomposición en el fondo de los lagos e identificó por

primera vez el metano (CH4) como el gas inflamable en las burbujas que emergían de los pantanos.

En 1808 Sir Humphrey Davy colectó el metano e inició la experimentación que puede considerarse

como el principio de la investigación en este campo; sin embargo, su interés no estaba enfocado a

resolver problemas de energía sino a la producción agrícola. Pasteur y Gayón en el año de 1883,

concluyeron que la fermentación de estiércol en ausencia de aire producía un gas que podía ser

usado para calefacción e iluminación. En 1896 el biogás fue utilizado en el alumbrado de una calle

en Exeter, Inglaterra, siendo esta su primera aplicación importante. Posteriormente, en el año de

1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India, y en 1895, en Inglaterra las

lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los digestores que

fermentaban los lodos cloacales de la ciudad.

En India, a mediados del XX, se impulsó notablemente la tecnología de producción de biogás a

partir de estiércol bovino con el doble propósito del aprovechamiento energético y la obtención de

un biofertilizante. En 1970 China, fomento la construcción de digestores, mediante programas de

ámbito nacional. En los países industrializados la historia de la tecnología de biodigestión ha sido

diferente y el desarrollo ha respondido más bien a motivaciones medioambientales que puramente

energéticas, constituyendo un método clásico de estabilización de lodos activos de las plantas de


22

tratamiento de aguas residuales domiciliarias. Durante la década de los ochenta, volvió a adquirir

cierta importancia como forma de recuperación energética en explotaciones agropecuarias y

agroindustriales. Sin embargo, con la disminución de los precios del petróleo, a finales del siglo

XX, el interés por la tecnología de digestión anaeróbica volvió a decaer, aunque en algunos países

industrializados se han desarrollado importantes programas de desarrollo de plantas anaeróbicas a

escala industrial y doméstica. En la actualidad, el biogás se utiliza en todo el mundo como una

fuente de combustible tanto a nivel industrial como doméstico. Su explotación ha contribuido a

impulsar el desarrollo económico sostenido y ha proporcionado una fuente energética renovable

alternativa al carbón y el petróleo.

En muchos aspectos, el proceso fermentativo anaerobio es idóneo para el tratamiento de residuos

y se fundamentan en la oxidación biológica de la materia orgánica mediante la actuación de un

consorcio de bacterias específicas en ausencia de oxígeno molecular descomponen la materia

orgánica en productos gaseosos o biogás, compuesto principalmente por metano y dióxido de

carbono, con un potencial energético considerable; además se obtiene un efluente con una mezcla

de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) con alto valor fertilizante [7].

1.2 Definición del biogás

El biogás es un producto de la descomposición anaerobia de materia orgánica, que está compuesto

principalmente por CH4 y CO2 y es el producto final de una serie de reacciones en distintas etapas

de degradación, relacionadas con la actividad de un consorcio microbiano de diversas bacterias y

arqueas (productoras de metano) [8].

Etapas de la digestión anaerobia

1.3 Etapas de la digestión anaerobia

El proceso de la digestión anaerobia se efectúa en etapas de cada grupo microbiano, relacionado

tróficamente, aprovecha como sustrato los productos generados por el metabolismo de los

microorganismos responsables del paso anterior [8]. Consta de cuatro etapas fundamentales:

hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.


23

Hidrólisis

La primera etapa de digestión anaerobia, es donde se produce la ruptura de macromoléculas

orgánicas formadas por carbohidratos, proteínas y grasas hasta subunidades pequeñas que puedan

atravesar la pared celular. Así, las proteínas son degradadas a aminoácidos, los polisacáridos a

monómero de azucares y las grasas a polioles y ácidos grasos de cadena larga. La hidrólisis se

produce por la acción de exoenzimas secretadas por las bacterias de la microbiota acidogénica

Las proteínas constituyen un sustrato muy importante en el proceso de digestión anaeróbia, debido

a que, además de ser fuente de carbono y energía, los aminoácidos derivados de su hidrólisis tienen

un elevado valor nutricional [3]. La hidrólisis es limitante en la biodegradación de residuos con

una fracción de materia orgánica muy refractaria, constituida por celulosas, hemicelulosas y

ligninas, como el caso de los residuos agroindustriales. La hidrólisis es fundamental para

suministrar los compuestos orgánicos necesarios de forma que puedan ser utilizados por las

bacterias responsables de las etapas siguientes [9].

Acidogénesis

Durante esta etapa los compuestos solubles obtenidos en la hidrólisis son transformados por las

bacterias acidogénicas en ácidos grasos de cadena corta (ácidos grasos volátiles son principalmente

ácido acético, propiónico, butírico, capriónico láctico y valérico). En la etapa acidogénica se debe

controlar la cantidad de hidrógeno, porque el metabolismo de las bacterias acidogénicas depende

de él y no sólo radica en el hecho que produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan

posteriormente, sino que, además eliminan cualquier traza del oxígeno disuelto del sistema. Este

grupo de microorganismos, se compone de bacterias facultativas y anaeróbias obligadas,

colectivamente denominada bacterias formadoras de ácidos [3].

Acetogénesis

Las bacterias acetogénicas son microorganismos que viven en estrecha colaboración con las

Archaeas metanogénicas. Estos microorganismos son capaces de transformar los ácidos grasos

resultantes de la etapa acidogénica en resultados propios de la metanogénesis (acetato, dióxido de

carbono e hidrógeno) [3].


24

Microorganismos acetogénicos como son Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini. Un

tipo especial de microorganimos acetogénicos, son los llamados homoacetogénicos. Este tipo de

bacterias son capaces de crecer heterotróficamente en presencia de azúcares o compuestos

monocarbonados (mezcla H2/CO2) produciendo como único producto acetato. Al contrario que las

bacterias acetogénicas, éstas no producen hidrógeno como resultado neto del metabolismo

homoacetogénico como sustrato. Los principales microorganismos homoacetogénicos que han

aislado son Acetobacterium woodii o Clostridium aceticum.

A esta altura del proceso, la mayoría de las bacterias anaeróbica han extraído todo el alimento de

la biomasa y, como resultado de su metabolismo, eliminan sus propios productos de desecho de

sus células. Estos productos, ácidos volátiles sencillos, son los que van a utilizar como sustrato las

bacterias metanogénicas en la etapa siguiente [3].

Metanogénesis

En esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaeróbicas estrictas, actúa sobre los productos

resultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados

como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los

responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de los productos de los

grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general de biometanización.

Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaeróbica mediante la

formación de metano, a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos

por un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.

Los organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea y tienen características

comunes que los diferencian del resto de procariotas.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del sustrato principal

que metabolizan: hidrogenotróficos, que consumen H2/CO2 y fórmico y acetoclásticos, que

consumen acetato, metanol y algunas aminas [3].

Alrededor del 70% del metano producido ocurre por la primera vía. Este proceso es lento y

constituye también, en muchos casos, la etapa limitante del proceso, además de ser muy sensibles

a distintas condiciones ambientales como son, pH y temperatura [8].


25

La Figura 1 muestra la descripción esquemática de las etapas de la digestión anaerobia, en donde

se puede observar cada una de ellas contiguas para la obtención del biogás.

Figura 1 Etapas de la digestión anaerobia

Como todo proceso biológico, la digestión anaerobia debe ser controlada, ya que existen diversos

factores que influyen considerablemente en el éxito de la misma. Un desequilibrio en algunos de

estos factores puede provocar un desequilibrio entre las comunidades microbianas y por

consiguiente, un mal funcionamiento del biodigestor, ocurriendo un inadecuado tratamiento de los

residuales. Entre los factores de mayor importancia que influyen en el proceso de la digestión

anaerobia se destacan: tipo de sustrato, temperatura, relación C/N, pH, población microbiana y su

crecimiento, metales pesados y antibióticos, oxígeno.

La temperatura afecta directamente a la velocidad de producción de ácidos en el interior del

digestor e incluso al rendimiento del proceso. A medida que aumenta la temperatura, también

aumenta la actividad metabólica de las bacterias, requiriéndose menor tiempo de retención para


26

que se complete el proceso de fermentación. Si el tiempo de retención es demasiado corto, las

bacterias son desalojadas del biodigestor más rápidamente de lo que pueden reproducirse,

limitándose así el proceso. La Tabla 1 muestra los rangos de temperaturas para la operación de los

biodigestores.

Tabla 1 Rangos de temperatura para la digestión anaerobia [3]

Bacterias Rangos de Temperaturas (°C)

Tiempo de

retención (días) Sensibilidad

Mínimo Óptimo Máximo

Psicrofílicas 4 - 10 15 - 18 25 - 30 100 2 °C/hora

Mesofílicas 15 - 20 28 - 33 35 - 45 30 - 60 1 °C/hora

Termofílicas 25 - 45 50 -60 75 - 80 10 - 160 0.5 °C/hora

En el desarrollo del proceso para la relación C/N es necesario, además de una fuente de carbono y

energía, la presencia de una serie de nutrientes minerales (nitrógenos, azufre, fósforo, potasio,

calcio, magnesio, etc.). En el medio a digerir debe haber una relación adecuada entre dichos

nutrientes para el desarrollo de la flora bacteriana. La relación C/N es una de las más controladas

y debe estar comprometidas entre 15/1 y 45/1, ya que valores inferiores o superiores disminuyen

la velocidad de reacción, llegándose a inhibir el proceso

Otro aspecto que se debe controlar es el pH del sistema, pues una disminución del mismo puede

traer como resultado la inhibición del crecimiento de las bacterias metanogénicas.

Este parámetro de control es uno de los más habituales, debido a que en cada fase del proceso los

microorganismos presentan máxima actividad en un intervalo de pH diferente. Así, el intervalo de

pH óptimo de los microorganismos metanogénicos es entre 6.5 y 7.5. La mayoría de éstos no puede

tolerar niveles de pH mayores a 9.5 o por debajo de 4

Siendo el pH un parámetro habitual de control, una vez que se encuentra un desajuste del mismo,

parte de la biota presente en el reactor, ya no se encuentra disponible y toma un tiempo recuperar

el sistema.

Otro parámetro, propio del digestor y del residuo empleado, que influye en el desarrollo del proceso

anaerobio es la carga orgánica que se suministra, donde determina la cantidad de sustrato


27

disponible por la biomasa presente en el sistema. Con el aumento del contenido de sólidos, las

bacterias metanogénicas limitan su movilidad en el substrato, lo cual puede afectar en la eficiencia

y producción de biogás.

La producción de biomasa depende de la concentración del sustrato en el medio, así como la

velocidad a la que es suministrado. Para concentraciones de sustrato muy bajas, los

microorganismos la utilizan prácticamente toda para el mantenimiento de la población existente, y

como consecuencia no hay producción neta de microorganismos. En concentraciones altas de

sustrato, la fuerza iónica del medio se modifica y el tamaño de la población es insuficiente para

realizar la degradación del sustrato lo cual conlleva a periodos de latencia.

El tiempo de retención se define como el tiempo que el sustrato está sometido a la acción de los

microorganismos en el reactor. Es importante señalar que este parámetro se puede definir en los

reactores tipo batch, ya que el tiempo de retención coincide con el tiempo de permanencia del

substrato dentro del digestor. Para los reactores continuos que operan en condiciones estacionarias,

la variable tiempo definida en el reactor tipo batch se reemplaza por el tiempo de residencia, que

se define como el valor, en días, del cociente entre el volumen efectivo del digestor y el volumen

de carga diaria. El tiempo de residencia indica, el tiempo que el sustrato permanece por término

medio en el digestor. Este parámetro está íntimamente ligado con el tipo de sustrato y la

temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y en consecuencia,

serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de

material.

En el proceso de digestión anaerobia de un residuo sólido, la velocidad de solubilización de la

materia orgánica está relacionada con el tamaño de grano del residuo. Otra limitante en la velocidad

del proceso que se plantea, es la transferencia del material de las partículas sólidas del residuo al

medio líquido en fermentación. Así, cuando se reduce el tamaño de la partícula hay un aumento de

la superficie disponible, mejorando el proceso biológico y produce mejoras en la producción de

biogás.

1.4 Clasificación de los sustratos

Los sustratos que actualmente son utilizados en este proceso fermentativo, comprenden los campos

de cultivos energéticos, residuos agrícolas, residuos orgánicos secundarios derivados de procesos


28

industriales, desechos sólidos y aguas residuales. La generación de biogás a partir de cultivos

energéticos (utilizado en Europa) compite por el terreno agrícola, que es necesario para la

producción alimenticia, esto ocasiona que el costo del sustrato sea considerablemente mayor que

las otras opciones mencionadas. Los residuos de origen agrícola por su naturaleza se generan en el

campo, lo que favorece en muchas ocasiones su procesamiento en digestores a pequeña escala, que,

dependiendo de la entidad de producción, no generan costos de logística, de igual forma, los

residuos orgánicos secundarios, que también se generan paralelamente en el campo, como el

estiércol, se usan convenientemente en codigestión (digestión simultánea de dos o más sustratos)

para obtener una relación adecuada entre el carbono y el nitrógeno en el digestor. Esto es necesario

porque las células microbianas necesitan una fuente adecuada de carbono como de nitrógeno para

la formación de nueva biomasa celular. En la industria alimentaria se generan efluentes orgánicos

secundarios de gran variedad con elevados flujos másicos y diferente contenido de agua (en los

casos donde éste es elevado, se les puede considerar aguas residuales). Es común el uso de

digestores anaerobios para el tratamiento y procesamiento de estos residuos secundarios, como son

de jugo de frutas, en rastros y en centrales lecheras, incluso a industrias como la biotecnológica.

En el caso de los desechos municipales y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales, estos

requieren un trato especial debido a la contaminación microbiológica por lo cual no se recomienda

su uso en codigestión con sustratos libre de contaminación. La digestión en condiciones

termofílicas lleva a cabo una higienización del sustrato que puede ser utilizada para reducir la

contaminación microbiológica en estos residuos [5].

Para poder garantizar un crecimiento significativo de microorganismos, es indispensable la

presencia de nutrientes en el medio, los cuales la mayoría de los casos son aportados por el sustrato.

Sin embargo, es aún más importante la relación entre las masas de carbono y nitrógeno en el

sustrato, la cual debe encontrarse entre 16:1 y 25:1. Esta relación tiende a disminuir durante la

digestión debido a la remoción del carbono, mejorando de esa manera la calidad de los residuos

para su uso como fertilizante, debido a su contenido nitrogenado y de otros minerales. En el caso

particular del uso del estiércol de ganado como sustrato, la relación es de sólo 8:1 e incluso esta

relación es aún menor con estiércol porcino y aviar, por lo que se encuentra fuera del intervalo

óptimo para la digestión.


29

Una forma de obtener la relación carbono-nitrógeno deseada es realizar una cofermentación

añadiendo un sustrato secundario. Tal es el caso de la paja de trigo, cuya relación C:N es de 80:1.

Otros nutrientes también deben encontrarse en cierta proporción, por ejemplo, el fósforo y el azufre

deben de tener una relación C:P:S de (500-1000):5:3.

Si el desempeño de un digestor se reduce después de varios meses, una causa probable es la falta

de algún nutriente. Esto suele pasar cuando el digestor se alimenta con un único sustrato

(monosustrato). Como medida preventiva, se puede solicitar a laboratorios especializados un

análisis de nutrientes y así determinar la causa de la disminución del desempeño y así poder hacer

ajustes en la operación y agregar el o los nutrientes faltantes al digestor.

1.5 Características generales del biogás

El gas natural del cual existen diferentes orígenes y se diferencian de su composición química, y

sus coeficientes de los elementos químicos.

En general, el biogás y el metano tienen las siguientes características las cuales se muestran en las

siguientes tablas (Tabla 2 y Tabla 3).

Tabla 2 Características generales del biogás [10]

Composición 55-70 % (CH4) / 30-45 % (CO2) / Trazas de otros gases

Contenido energético 6.0-6.5 kWhm-3

Combustible equivalente 0.60-0.65 lcombustible/m3 biogás

Límites de explosión 6-12 % biogás en aire

Temperatura de ignición 650-750 °C (con el contenido de metano mencionado

arriba)

Presión crítica 75-89 bar

Temperatura crítica -82.5 °C

Densidad normal 1.2 kgm-3

Olor Huevo podrido (el olor de biogás desulfurado es apenas

perceptible)

Masa molar 16.043 kgkmol-1


30

Tabla 3 Característica del metano [10]

Temperatura Presión [bar] Densidad [kgL-1]

Punto critico -82.59 °C (190.56 K) 45.98 0.162

Punto de ebullición a 1.013 bar -161.52 °C (111.63 K) - 0.4226

Punto triple -182.47 °C (90.68 K) 0.117 -

Capítulo 2

Tipos de biodigestores anaerobios

Imagen: Planta de tratamiento de aguas residuales de Jumex – La Costeña, México D.F. que opera con biogás/gas

natural. CHP 960 kWe y 1040 kWt. Cortesia GE Power and Water – Jenbacher gas engines 2012.


32

2.1 Biodigestor anaerobio

Un digestor de desechos orgánicos o biodigestor es, en su forma más simple, un contenedor

cerrado, hermético e impermeable (también llamado reactor), donde se introducen los residuos

orgánicos, en determinada dilución de agua para ser digeridos por microorganismos [11] y se

descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y

potasio.

El Biogás producido por la fermentación se puede almacenar en este mismo depósito, en la parte

superior del digestor, llamada domo o campana de gas. Esta campana de almacenamiento puede

ser rígida o flotante. En algunos casos, está separada del digestor y se le llama gasómetro. Este

gasómetro es una campana invertida, sumergida en un tanque de agua, que además de almacenar

el gas, ejerce presión sobre el gas para que pueda ser consumido. Los digestores se pueden construir

enterrados o sobre el suelo, utilizando diferentes materiales de construcción, como por ejemplo,

ladrillos o vaciado de cemento. La campana puede ser metálica, de madera recubierta de plástico

o de una construcción de hormigón de poco espesor. La carga y descarga de los residuos puede ser

por gravedad o bombeo.

Principales biodigestores existentes:

Biodigestor de domo flotante

Biodigestor de domo fijo

Biodigestor de estructura flexible

Biodigestor flotante

Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno

Biodigestores de alta velocidad o flujo inducido

Instalaciones industriales de biodigestión

2.2 Características de un biodigestor de biogás

Características:

a) Ser hermético con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere con la digestión

anaeróbica y a la vez, impedir las fugas del biogás producido.


33

b) Estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de temperatura, lo que usualmente

se consigue construyéndolos enterrados.

c) Aun no siendo en recipiente de alta presión, el contenedor primario de gas deberá contar

con una válvula de seguridad.

d) Contar con medios para efectuar la carga y descarga del sistema.

e) Tener acceso para el mantenimiento.

f) Contar con un medio para romper las natas o costras que se forman.

2.3 Tipos de biodigestores

Los biodigestores varían ampliamente de acuerdo con su complejidad y utilización. Los más

simples caen dentro de la clasificación de digestores discontinuos o de cargas por lotes y los más

complejos se caracterizan por poseer dispositivos que permiten alimentarlos, proporcionándoles

calefacción y agitación. Resulta conveniente clasificarlos según su modo de operación con relación

a su alimentación o carga en los siguientes tipos:

Continuos: Cuando la alimentación del digestor es un proceso ininterrumpido, el efluente que

descarga es igual al afluente o material de carga (que entra al digestor), con producciones de biogás,

uniformes en el tiempo. Son utilizados principalmente para el tratamiento de aguas negras.

Corresponde a plantas de gran capacidad, tipo industrial, en las cuales se emplean equipos

comerciales para alimentarlos, proporcionándoles calefacción y agitación, así como para su

control. Dado que se genera una gran cantidad de biogás, habitualmente, éste se aprovecha en

aplicaciones industriales.

Semi continuos:Cuando la primera carga que se introduce al digestor consta de una gran cantidad

de materias primas. Posteriormente, se agregan volúmenes de nuevas cargas de materias primas

(afluente), calculados en función del tiempo de retención hidráulico (TRH) y del volumen total del

digestor. Se descarga el efluente regularmente en la misma cantidad del afluente que se incorporó.

Este proceso es usado en el medio rural, cuando se trata de sistemas pequeños para uso doméstico.

Los diseños más populares son el digestor Hindú y Chino.

Discontinuos o régimen estacionario: Los digestores se cargan con las materias primas en una sola

carga o lote. Después de un cierto período de fermentación, cuando el contenido de materias primas

disminuye y el rendimiento de biogás decae a un bajo nivel, se vacían los digestores por completo


34

y se alimentan de nuevo dando inicio a un nuevo proceso de fermentación. Esto se conoce también

como digestores Batch

2.4 Modelo Chino

Los biodigestores de este tipo son tanques cilíndricos con el techo y el piso en forma de domo

esférico (Figura 2) y se construyen totalmente enterrados [12].

Al arranque del digestor, se llena con residuos agrícolas compostados mezclados con lodos activos

de otro digestor, a través de la cubierta superior removible. Una vez cargado así, es alimentado

diariamente con residuos que se encuentren disponibles, provenientes de la letrina de los animales

domésticos, a través del tubo de carga que conecta a la parte media del digestor.

Figura 2 Biodigestor tipo Chino

En este tipo de digestores no existe gasómetro, almacenándose el biogás dentro del sistema. A

medida que aumenta el volumen del gas almacenado en el domo del digestor, aumenta su presión

forzando al líquido, en los tubos de entrada y salida a subir y alcanzando presiones hasta 100 cm

de columna de agua. Se generan entre 0.15 y 0.20 volúmenes de gas por volumen de digestor/día.

Como consecuencia de la variación de presión, que aumenta al generarse el gas y disminuye al

consumirse éste, provocando la reducción de la eficiencia en los equipos consumidores.


35

Periódicamente se extrae una parte del líquido en fermentación a través del tubo de salida, mediante

una cubeta de una a dos veces al año, el digestor se vacía completamente aplicando el residuo

(sólido) a los campos de cultivo. A pesar que el digestor chino es poco eficiente para generar biogás,

es excelente en la producción de bioabono, el principal problema son los tiempos de retención

grandes y se obtiene gran cantidad de bioabono material cuando se necesita para mezclar con el

suelo antes de la siembra. Los tiempos de retención de operación para los biodigestores tipo chino

son de 30 a 60 días, para alcanzar el 50% de reducción de la materia orgánica de 1/2 a 1/3 de este

tiempo de retención se requiere en los biodigestores tipo hindú.

2.5 Modelo Hindú

Estos digestores en general son enterrados y verticales, semejante a un pozo. Se cargan por

gravedad una vez al día, con un volumen de mezcla que depende del tiempo de fermentación o

retención y producen una cantidad diaria aproximadamente constante de biogás si se mantienen las

condiciones de operación [13].

El gasómetro está integrado al sistema, en la parte superior del pozo flota la campana donde se

almacena el gas. De esta forma, la presión del gas sobre la superficie de la mezcla alrededor de 30

cm de columna de agua. Con esta campana se logra, además, una presión constante, que permite

una operación eficiente de los equipos que alimenta. La campana también ayuda al rompimiento

de la espuma que se forma en muchos biodigestores (ver Figura 3).


36

Figura 3 Biodigestor tipo Hindú

La entrada de la carga diaria por gravedad hasta el fondo del pozo, además de producir agitación,

provoca la salida de un volumen equivalente de lodos digeridos, desde la superficie o desde el

fondo, según el diseño del sistema, que los hace fluir hasta una pileta, para su posterior aplicación

en los cultivos. Para aumentar la retención de la materia prima, posee un tabique central. Los

materiales usados son preferentemente excretas, que deben estar bien diluidas y mezcladas

homogéneamente [3].

Este tipo de digestor presenta una buena eficiencia de producción de biogás, generándose entre

0.5 y 1,0 volumen de gas por volumen de digestor por día.

2.6 Biodigestores Horizontales

Estos digestores se construyen generalmente enterrados, son poco profundos y alargados,

semejando un canal, con relaciones de largo a ancho de 5:1 hasta 8:1 y sección transversal circular,

cuadrada o en “V”. Se operan a régimen semi continuo, la carga entra por un extremo del digestor

y los lodos salen por el extremo opuesto. La cúpula puede ser rígida o de algún material flexible

que no presente fugas y resista las condiciones del ambiente (Figura 4).

Este tipo de digestores se recomiendan cuando se requiere trabajar con volúmenes mayores de 15

m3, la excavación de un pozo vertical resulta muy problemática.


37

Figura 4 Biodigestor horizontal

2.7 Digestor Batch (discontinuo o régimen estacionario)

Consiste en una batería de tanques o depósitos herméticos (digestores) con una salida de gas

conectada con un gasómetro flotante, donde se almacena el biogás [14].

El objetivo es disponer de más de un digestor para tener siempre uno de ellos en carga o en

descarga, mientras el resto se encuentra en producción de biogás.

La alimentación o carga del digestor con la materia prima, sólida, seca, se realiza por lotes y la

carga de los residuos estabilizados se efectúa una vez que ha finalizado la producción de biogás.

Este sistema discontinuo es aplicable en situaciones particulares, como sería la de materias primas

que presentan problemas de manejo en un sistema semi continuo y continuo, o materiales difíciles

de digerir metanogénicamente o cuando las materias primas a procesar, están disponibles en forma

intermitente, como el caso de rastrojos de cosecha. Se utiliza a pequeñas y grandes explotaciones

agropecuarias, uso a escala doméstica resulta poco práctico.

Ventajas del digestor discontinuo.

1 Ocupa menor volumen de digestor por volumen de biogás producido, debido a la alta

concentración de materia seca en el sustrato (40 – 60%).

2 Ocupa de 60 – 80% menos de agua que los digestores continuos y semi continuos.

3 No forma costra ni necesita agitación diaria.


38

4 No sufre cambios de temperaturas violentos.

5 Ocupa menos mano de obra, ya que no necesita carga diaria, sino cada 2 o 3 meses para

carga y descarga. Durante el resto del tiempo, basta amontonar el material a usar.

6 La mayor parte del bioabono se obtiene en forma sólida, siendo más fácil de esparcir en la

preparación de suelos.

7 La corrosión de las tapas de los digestores es menor, debido a que éstas están insertas en un

sello de agua.

8 No requiere de cuidados especiales que pueda causar accidentes en la fermentación

anaeróbica.

9 Se puede construir sobre el suelo o semi enterrado. Es ideal para localidades de nivel

freático superficial o terreno en rocas.

2.8 Consideraciones de construcción

La Tecnología del Biogás presenta características propias que hacen su análisis complejo, pues o

sólo interviene el aspecto energético, también un importante impacto de difícil evaluación en

conservación del medio ambiente, mejoramiento de suelos, alimentación de animales y en general

mejoramiento de las condiciones de vida.

Existen factores que se deben tener en cuenta al realizar la evaluación económica de la

implementación de ésta tecnología, pues pueden resultar limitantes en muchos lugares. Estos son:

Recolección de las materias primas, transporte y acondicionamiento.

Almacenamiento del biogás, transporte y uso

Almacenamiento del efluente, transporte y uso

En cuanto al lugar

La elección del sitio donde se ubicara el digestor es de gran importancia pues incidirá en el éxito o

fracaso de la operación del sistema. Hay que tener en cuenta las siguientes premisas para escoger

el lugar adecuado:

a) Debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas, pues las tuberías son caras y las

presiones obtenibles no permiten el transporte a distancias mayores de 30 metros.


39

b) Se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los desperdicios para evitar el acarreo

que tarde o temprano atentará contra una operación correcta del biodigestor, e implicara

mayores costos.

c) Debe estar en un lugar cercano al de almacenamiento del efluente y con una pendiente

adecuada para facilitar el transporte y salida del mismo.

d) Debe estar a por lo menos 10 – 15 metros de cualquier fuente de agua para evitar posibles

contaminaciones.

e) Debe ubicarse preferentemente protegido de vientos fríos y donde se mantenga

relativamente estable la temperatura, tratando de que reciba el máximo de energía solar.

En cuanto al tipo de biodigestor

Esta decisión debe tomarse teniendo en cuenta algunos criterios tales como:

a) Inversión que se está dispuesto a realizar.

b) Energía que se quiere obtener.

c) La biomasa con que se cuenta para alimentar el digestor.

d) El tamaño requerido del digestor

e) Las características del lugar en cuanto a profundidad del nivel freático o mantos rocosos.

Capítulo 3

Tecnologías del Biogás

Imagen: Uno de los motores de gas Jenbacher Tipo 4 de GE, listo para el banco de pruebas después de haberse

ensamblado en la planta de manufactura en Austria.


41

3.1 Calidad del biogás como combustible

El poder calorífico del biogás es determinado por la fracción del metano, puede variar entre 40%

hasta 80%, siendo el dióxido de carbono, gas inerte, el principal componente del gas restante;

aunque es importante mencionar que se tienen compuestos traza en composiciones menores al 2%.

El poder calorífico del biogás con concentraciones mayores del 40% de metano, oscila entre 14.3

MJ/m3 y 28.6 MJ/m3. El biogás, al salir del digestor, está saturado de vapor de agua, lo cual reduce

el poder calorífico. Dependiendo de la temperatura del digestor, el contenido de vapor de agua

puede llegar hasta el 6%, por lo que el poder calorífico del biogás, en el sitio es hasta un 15%

menor que el valor determinado en el laboratorio. Pequeñas cantidades de nitrógeno y oxígeno sólo

reducen el poder calorífico del biogás, otros compuestos traza, como el ácido sulfhídrico (H2S) y

los siloxanos, son particularmente dañinos para los sistemas de combustión, aún cuando estos

últimos aparecen con una concentración muy baja (pocas ppm), pueden causar daños severos en

los motogeneradores debido a la transformación en silicatos abrasivos durante la incineración [5].

Los siloxanos son compuestos traza encontrados principalmente en el biogás de rellenos sanitarios.

Otros compuestos que contaminan el biogás en menor concentración son los clorofluorocarbonos

(CFC). Es por ello que se debe hacer un análisis exhaustivo en la composición del biogás.

El H2S en el biogás de rellenos sanitarios puede alcanzar hasta 8000 ppm durante las diferentes

etapas del ciclo de vida en un relleno sanitario [10]. En los digestores anaerobios apenas pueden

llegar a tener concentraciones mayores de 2000 ppm, ya que la solubilidad de este compuesto en

la fase líquida inhibe fuertemente la metanogénesis [15]. Para evitar que se inhiba, suelen agregarse

sales de hierro que precipiten sulfuro ferroso (FeS) disminuyendo de esa manera la concentración

de H2S. Como eso sucede en la fase líquida del digestor, se le considera la primera etapa de

desulfuración del biogás [5].

Tabla 4 Comparación de parámetros técnicos entre el gas natural y el biogás [10]

Gas natural Biogás (Digestor) Biogás (Relleno sanitario)

Poder calorífico inferior [kW/m3],

([MJ/m3])

9.3-10 (36.2) 5-7.5 (22.5) 4.5-5.5 (18)

Número de metano 70-94 124-150 136

Metano [m3CH4/ 100 m3] 84-98 45-75 45-55


42

Dióxido de metano [m3CO2/100 m3] < 2 25-55 25-30

Nitrógeno [m3O2/100 m3] < 10 <5 < 25

Oxígeno [m3O2/100 m3 < 3 < 2 < 5

Requerimiento teórico de aire para

combustión [m3Biogás/m3]

9.5 6.6 6

3.2 Cromatógrafo de gases

La cromatografía de Gases (GC) es una tecnología más para aplicaciones de biogás, es la técnica

de análisis orgánico más popular en el mundo. Prácticamente todas las grandes empresas tienen la

cromatografía de gases, GC, para la investigación y control de calidad. La limitación fundamental

de GC es la volatilidad de la muestra.

La cromatografía es la separación de una mezcla de compuestos en sus componentes individuales.

Se requiere tres pasos principales en la separación y la identificación de los componentes de una

mezcla mediante un GC

1. Inyectar una muestra en el GC (se realiza en el inyector).

2. Separar la muestra en componentes individuales (se realiza dentro de la columna del

horno).

3. Detectar qué compuestos había en la muestra (se realiza en el detector).

Componentes principales de un cromatógrafo de gases

Figura 5 Cromatógrafo de gases típico para análisis de gases y líquidos


43

Las etapas básicas sucesivas que sigue el GC se muestran en la Figura 5, Gas de arrastre: transporta

la muestra a través del sistema GC. Detector de gases: Apoya las funciones del detector, es decir,

el FID necesita aire e hidrogeno. La función de la columna es separar la muestra en sus

componentes, y con esto el detector, reconoce y responde a los componentes de la muestra de la

columna, finalmente el sistema de datos convierte la señal del detector a un cromatográma y ayuda

a realizar el análisis de datos.

A continuación se describe un cromatógrafo de gases Agilent modelo 7820-A con el cual se

hicieron algunos análisis del biogás, producido en la PP2 UAM-I.

Partes del cromatógrafo de gases Agilent 7820 A

La Figura 7 del cromatógrafo muestra la vista trasera del GC 7820A de Agilent, ventilación del

inyector, conexiones de suministro de gas, conexiones de cables electrónicos, ventilación de

entrada y salida para enfriar el horno, conexión de alimentación.

Figura 6 Partes externas del GC 7820A Agilent

Figura 7 Vista trasera de GC 7820A Agilent

Inyectores

Los inyectores son los dispositivos por donde se inyectan las muestras en el GC. El GC 7820A de

Agilent puede tener un máximo de dos inyectores, que se identifican como Front Inlet y Back

Inlet.

Se ofrecen dos tipos de inyectores: con y sin división, y empaquetados con purga.


44

El tipo de inyector se elegirá en función del tipo de análisis que se haga, el tipo de muestra que se

analice y la columna que se utilice. Las muestras se pueden inyectar en forma manual Figura 8,

con una jeringa o usando un dispositivo de muestreo automático (como el muestreador automático

de líquidos de Agilent).

Figura 8 Inyectores frontal y trasero

Columna y horno del GC

Las columnas del GC (Figura 9) se encuentran dentro de un horno de temperatura controlada. Por

lo general, un extremo de la columna está unido al inyector y el otro extremo está unido al detector

Las columnas varían en longitud, diámetro y recubrimiento interno. Cada columna está diseñada

para su uso con diferentes compuestos.

El propósito de la columna y del horno es separar la muestra inyectada en sus compuestos

individuales a medida que pasa por la columna. Para contribuir a este proceso, el horno del GC

puede programarse para acelerar el flujo de la muestra a través de la columna.

Figura 9 Horno y columna del GC 7820A Agilent


45

Detector frontal y trasero

Los detectores (Figura 10), identifican la presencia de compuestos cuando éstos salen de la

columna. A medida que cada uno de los compuestos entre en el detector, se genera una señal

eléctrica proporcional a la cantidad de compuesto detectada. Esta señal se envía normalmente a un

sistema de análisis de datos, como ChemStation de Agilent, donde aparece como pico de un

cromatograma.

El GC 7820A de Agilent puede tener hasta dos inyectores automáticos, que se identifican como

Front Det y Back Det (FID, TCD). El tipo de detector se elegirá en función del tipo de análisis

que se requiera.

Figura 10 Detector frontal y trasero del GC

¿Qué es un método?

Un método es el grupo de ajustes que se requieren para analizar de forma precisa una mezcla

específica. Como cada tipo de muestra reacciona de forma diferente en el GC (algunas muestras

requieren una temperatura mayor del horno, otras requieren una presión de gas más baja o un

detector diferente), es preciso crear un método exclusivo para cada tipo de análisis específico.

Algunos de los ajustes guardados en un método definen cómo se procesará la muestra cuando se

utilice ese método. Entre los ejemplos de ajustes de métodos se incluyen:

• El programa de temperatura del horno que se requiere.

• El tipo de gas portador que se requiere.

• El tipo de detector que se va a utilizar.


46

• El tipo de inyector que se va a utilizar.

• El tipo de columna que se va a utilizar.

• El tiempo que se tardará en procesar una muestra.

Los parámetros del análisis de datos y la creación de informes se guardan también en los métodos

cuando éstos se crean en un sistema de datos de Agilent, por ejemplo EZChrom Elite Compact.

Estos parámetros describen cómo interpretar el cromatográma que genera la muestra y qué tipo de

informe se va a imprimir.

3.3 Utilización del biogás

Existen diversas opciones para la utilización del biogás. Dentro de éstas destacan la producción de

calor o vapor, generación de electricidad y combustible de vehículos.

3.4 Producción de calor o vapor

El uso más simple del biogás es para la obtención de energía térmica (calor). En aquellos lugares

donde los combustibles son escasos, los sistemas pequeños de biogás pueden proporcionar la

energía calórica para actividades básicas como cocinar y calentar agua. Los sistemas de pequeña

escala también se pueden utilizar para iluminación. [3]

Los quemadores de gas convencionales se pueden adaptar fácilmente, únicamente es necesario

ajustar las boquillas para obtener el mayor flujo posible de combustible, para operar con biogás,

simplemente cambiando la relación aire-gas. El requerimiento de calidad del biogás para

quemadores es bajo. Se necesita alcanzar una presión de gas de 8 a 25 mbar y mantener niveles de

H2S inferiores a 100 ppm para conseguir un punto de rocío de 150°C.

Al incinerar biogás con concentraciones de H2S mayores a 150 ppm en una caldera, existe el peligro

de corrosión de las paredes que están en contacto con los gases debido a la condensación de ácidos

sulfurosos y sulfúricos, los cuales reducen considerablemente la temperatura de rocío (temperatura

a la que inicia la condensación) de la mezcla. Por tal motivo, es necesario mantener una temperatura

mínima en el agua del boiler y no dejar enfriar los escapes debajo de la temperatura de rocío si no

se cuenta con superficies resistentes a la corrosión [5].


47

3.5 Producción de electricidad y cogeneración

El biogás en México es un bioenergético capaz de sustituir a los combustibles fósiles en la

generación de energía. La Secretaría de Energía (SENER) considera que existe un potencial de

3000 MW para la generación de energía eléctrica a través de biogás proveniente de la recuperación

y aprovechamiento del metano; éste último es producto de la descomposición de los residuos

animales, residuos sólidos urbanos (RSU) y el tratamiento de aguas negras. [16]

Tiene gran sentido, puesto que se consigue una mayor eficiencia energética cuando se emplea

biomasa para generar electricidad que cuando se convierte en combustible para el transporte. Por

ejemplo se ha reportado, que 1 MJ de biomasa puede reemplazar alrededor de 0.95 MJ de

combustible fósil en la producción de calor y electricidad, mientras que 1 MJ de biomasa puede

reemplazar sólo alrededor de 0.35 a 0.45 MJ de petróleo crudo en el sector transporte [18]

Al mismo tiempo, la emisión de gases de efecto invernadero del biogás son menores en

comparación con otros combustibles. Investigaciones plantean que el biogás empleado como

combustible en los vehículos produce 80% menos Óxido Nitroso (N2O) que el Diesel; además de

menos emisiones de partículas [19]

Los sistemas combinados de calor y electricidad utilizan la electricidad generada por el

combustible y el calor residual que se genera. Algunos sistemas combinados producen

principalmente calor y la electricidad es secundaria. Otros sistemas producen principalmente

electricidad y el calor residual se utiliza para calentar el agua del proceso. En ambos casos, se

aumenta la eficiencia del proceso en contraste si se utilizara el biogás sólo para producir

electricidad o calor. Las turbinas de gas (microturbinas, desde 25 hasta 1000 kW) se pueden utilizar

para la producción de calor y energía, con una eficiencia comparable a los motores de encendido

por chispa y con un bajo mantenimiento. Sin embargo, los motores de combustión interna son los

usados más comúnmente en este tipo de aplicaciones. El uso de biogás en estos sistemas requiere

la remoción de H2S (bajo 100 ppm) y vapor de agua. [3]

Otra opción de la generación de electricidad con biogás puede llevarse a cabo con motores de

combustión interna de tres diferentes tipos: cuatro tiempos (para motogeneradores pequeños de una

capacidad Pel< 100 kW), motor operado encendido por compresión llamado Diesel (para

motogeneradores grandes Pel> 400 kW), “ignition oil engine” (para motogeneradores de escala


48

intermedia), turbinas de gas o celdas de combustible. Por tener el menor costo de inversión, los

motores de combustión interna que están arriba de 1000 USD/kWel son el sistema más aplicado

para la generación de electricidad. Dichos motores son ajustados al menor poder calorífico del

biogás y trabajan aproximadamente a 1,500 rpm en el caso de motogeneradores grandes. Los

motogeneradores de cuatro tiempos trabajan a revoluciones mayores, y por termodinámica tienen

una eficiencia eléctrica menor. Los motores Diesel de tipo “ignition oil engine” requieren, como

desventaja para su operación, la inyección del equivalente del 2 hasta el 10% del poder calorífico

de biogás, que asegura la explosión de la mezcla en los cilindros. La ventaja es la eficiencia mayor

en comparación con el motor de 4 tiempos. En sistemas de cogeneración, donde se aprovecha

también la energía térmica, la eficiencia total es de alrededor de 85% y con sistemas de

condensación de los escapes hasta el 95% [5].

3.6 El biogás como Combustible

El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace bastante tiempo.

Para esto, el biogás debe tener una calidad similar a la del gas natural, para usarse en vehículos que

se han acondicionado para el funcionamiento con gas natural. La mayoría de vehículos de esta

categoría han sido equipados con un tanque de gas y un sistema de suministro de gas, además del

sistema de gasolina normal de combustible. El biogás puede ser utilizado en motores de combustión

interna tanto a gasolina como Diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila

entre 100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica

de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.

Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas:

A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en

contenedores cilíndricos de alta presión (200 a 300 bar); este tipo de almacenamiento

implica que el mismo deba ser lavado antes de su compresión.

La conversión de los motores es costosa (instalación similar a la del gas natural) y el peso

de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehículos.

Finalmente la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energía involucrada en la

compresión a gran escala de este tipo de uso. [3]


49

El uso del biogás directamente en el sitio de producción a una distancia generalmente menor de

100 metros es imprescindible debido a la falta de una red de distribución así como los

requerimientos técnicos para poder introducirlo en dicha red. El transporte de biogás a distancias

cercanas es impulsado por la misma presión del gas que se acumula en el digestor y contenedores

de almacenamiento, la cual por lo general es superior a 20 mbar. Las tuberías son instaladas con

cierta pendiente y tienen trampas de agua en los niveles más bajos para poder garantizar un flujo

estable, además de ser una manera de remover parcialmente el contenido de agua del biogás

derivado de un digestor mesofílico o termofílico que se acumula por condensación a bajas

temperaturas. [5]

3.7 Motores reciprocantes a gas para generación de potencia

Los motores reciprocantes, o a pistón, es la más común y técnicamente madura de tecnología Flue

Gas Desulfuration (FGD). También son llamados motores de combustión interna (IC: internal

combustion), los motores reciprocantes requieren combustible, aire, compresión y una fuente de

combustión para trabajar. Dependiendo de la fuente de ignición estos se agrupan en dos categorías:

1. Motores de ignición por chispa (SI: Spark-ignited), típicamente emplean la gasolina o el gas

natural como combustible, 2. Motores de ignición por compresión (CI: compression ignition),

usualmente trabajan con combustible diesel. [16]

Los motores reciprocantes comerciales disponibles están en un rango de potencias de 0.25 a 6.5

MW. Ofrecen un bajo costo de capital, fácil instalación, proveen confiabilidad, una muy buena

característica de seguimiento de la carga y la posibilidad de recuperación de calor. Las

posibilidades de aplicación de los motores reciprocantes incluye: generación primaria o continua,

peak shaving, respaldo, Premium power, generación remota, generación en Stand-by. Los motores

pueden operar con combustible generado por tratamiento de desechos (metano) y otros

biocombustibles [16]

Los motores reciprocantes a gas para la generación de potencia, que fabrica General Electric (GE)

ofrece una amplia gama de motogeneradores en un rango de potencia desde 0.25 MW a 3 MW,

con cuatro plataformas de 10 productos. Estos ofrecen una flexibilidad de combustible: gas natural

o una amplia variedad de combustibles renovables o alternativos (gas de relleno sanitario, biogás,


50

gas de carbón, etc.). Se presentan equipos conteinerizados, módulos de cogeneración y

motogeneradores.

A continuación se muestran los 4 tipos de motogeneradores que ofrece GE para generar energía

eléctrica y térmica (Tabla 5-8).

Tabla 5 Motogenerador Tipo 2 GE

Tipo 2

Potencia eléctrica 250 a 350 kW

Numero de cilindros 8 cilindros en línea

Velocidad de giro 1,500 rpm y 1,800rpm

Paquetizado Contenedores ISO de 20 o 40 pies

Principales aplicaciones Biogás, gas de plantas de tratamiento de aguas residuales, cogeneración,

pequeñas plantas de generación eléctrica


Tipo 3

Potencia eléctrica 500 a 1,100 kW

Numero de cilindros V12, V16 y V20

Velocidad de giro 1,500 rpm y 1,200 rpm o 1,800 rpm

Paquetizado Contenedores ISO de 40 pies

Principales aplicaciones Biogás, gas de plantas de tratamiento de aguas residuales, cogeneración, gas

de pozo de petróleo, generación distribuida


51


Tipo 4

Potencia eléctrica 800 a 1,500 kW

Numero de cilindros V12, V16 y V20

Velocidad de giro 1,500 rpm y 1,200 rpm

Paquetizado Contenedores ISO de 40 pies y ancho especial

Principales aplicaciones Biogás, gas de minas de carbón, gas de rellenos sanitarios, cogeneración,

fertilización mediante CO2 en invernaderos generación distribuida


Tipo 6

Potencia eléctrica 1.8 a 3 MW

Numero de cilindros Configuraciones; V12, V16 y V20

Velocidad de giro 1,500 rpm

Principales aplicaciones Cogeneración, gas de minas de carbón, gas de acerías, grandes plantas de

generación distribuida


52

Algunos lugares donde se está desarrollando esta tecnología con motores de biogás (Tabla 9).

Tabla 9 Plantas de biogás de tecnología GE, contexto internacional

Nombre Combustible Tipo de Motor Potencia

Planta de tratamiento de aguas

Residuales Strass i.

Zillertal, Austria. (1999)

Biogás 1x JMS 208 GS B.LC

Eléctrica: 330 kW

Térmica: 420 kW

Relleno Sanitario de

Nent, Hongkong.

(1997).

Biogás 2x JGC 320 GS L.L Eléctrica: 1,844 kW

Relleno Sanitario

Bootham Lane, R.U. (2001)

Biogás 2x JGC 420 GS L.L Eléctrica: 2,666 kW

Planta de

gasificación de biomasa Güssing,

Austria. (2002)

Gas Madera 1x JMS 620 GS S.L

Eléctrica: 1,964 kW

Utilización de

biogás de relleno

sanitario, Murcia, España.

Biogás 2x JGC 320 GS L.L

Eléctrica: 2 x 1,006

kW


53

Utilización de

biogás de relleno

sanitario

SIMEPRODESO, México. (2003)

Biogás 7 x JGC 320 GS L.L

Eléctrica: 7 x 1060 kW

Planta de biogás a

partir de maíz, St. Veit/Glan, Austria.

(2004)

Biogás 1 x JMC 320 GS B.LC


Planta de biogás de Kogel, Alemania.

(2004)

Biogás 1 x JMC 420 GS B.L


Térmica: 751 kW

Planta de biogás de

RWP Bioenergie,

Austria. (2004)

Biogás 1 x JMS 212 GS-B.L Eléctrica: 500 kW

Térmica: 570 kW

Planta de biogás de

Highmark, Canadá

(2004)

Biogás/Gas

Natural 1 x JMC 320 GS-

B/N.LC


Térmica: 1,240 kW

Planta de biogás de Biogaspark Penkun,

Alemania

Biogás 40 x JMS 312 GS-B.L Eléctrica 20 MW

Térmica: 22 MW


54

Planta de

tratamiento de aguas

residuales de

Annacis Island, Vancuver, Canadá

(1997)

Biogás/Gas

Natural 4 x JMS 320 GS-

B/N.L


Térmica: 3,932

Planta de

tratamiento de aguas residuales de Jumex-

La Costeña, México

(2004)

Biogás/Gas

Natural 1 x JMS 320 GS-

B/N.L

Eléctrica: 960 kW

Térmica: 1040 kW

3.8 Micro Turbinas

Las micro turbinas son pequeños generadores de electricidad que queman combustible (gaseoso o

líquido) para crear una rotación de alta velocidad en un generador de electricidad. Evolucionaron

de los turbo cargadores de automóviles y camiones, unidades de potencia auxiliar de aviones, y

motores de pequeños aeroplanos. Las micro turbinas constituidas por un compresor, cámara de

combustión, turbina, alternador, recuperador (intercambiador de calor interno) y generador. Las

maquinas generalmente rotan sobre las 40,000 rpm, empleando rodamientos en aceite o aire. [16]

Las micro turbinas se pueden clasificar según el arreglo físico de sus partes componentes. Por el

número de ejes: eje sencillo o recuperado. Un solo eje es el diseño más común debido a que es

simple y menos costoso de construir, mientras que el diseño de eje partido no requiere un inversor

para cambiar la frecuencia de la potencia AC. Por su parte, la micro turbina de ciclo simple tiene

un costo inferior, la confiabilidad más alta, y más calor está disponible para aplicaciones de

cogeneración que en la unidades recuperadas, pero estas últimas poseen un ahorro del 30 – 40% de

combustible de precalentamiento. [16]

Las microturbinas ofrecen un número de ventajas potenciales: pequeño de partes móviles, tamaño

compacto, peso ligero, gran eficiencia, electricidad de bajo costo, y oportunidad de emplear

combustibles renovables. [16]


55

A continuación se muestran una amplia gama de micro turbinas que ofrece Capstone utilizando

como combustible biogás (Tabla 10).

Tabla 10 Modelos de microturbinas Capstone

Nombre Combustible Potencia

Eléctrica: Eficiencia

eléctrica

CTU (MJ/kWh Contenido de

H2S (ppm)

CR 1000 Power

Package

Gas de vertedero (13.0-

22.3 MJ/m3)

Gas de Digestor (20.5-32.6 MJ/m3)

1000 kW 33 % 10.9 MJ/kwh < 5,000

CR 200 Micro

Turbina


22.3 MJ/m3)

Gas de Digestor (20.5-32.6 MJ/m3)

200 kW 33 % 10.9 MJ/kwh < 5,000

CR 30 Microturbina Gas de

Vertedero/Digestor

30 kW 26 % 13.8 MJ/kWh < 70,000

CR 600 Power

Package


22.3 MJ/m3)

Gas de Digestor (20.5-

32.6 MJ/m3)

600 kW 33 % 10.9 MJ/kWh < 5,000

CR 65 Micro

Turbina


22.3 MJ/m3)


32.6 MJ/m3)

65 kW 29 % 12.4 MJ/kWh < 5,000


56

CR 800 Power

Package


22.3 MJ/m3)


32.6 MJ/m3)

800 kW 33 % 10.9 MJ/kWh < 5,000

Las tecnologías a través de las microturbinas para generación de energía eléctrica o térmica

utilizando como combustible biogás son aplicadas en todo el mundo. Muchas marcas entre ellas

Capstone ofrece su amplia gama de productos, para aplicar en diferentes procesos.

A continuación se muestra en donde se están desarrollando este tipo de tecnologías para su

aprovechamiento (Tabla 11-16).

Tabla 11 Planta de tratamiento de aguas residuales Sheboygan [17]

Ubicación: Sheboygan, Wisconsin, USA

Puesta en marcha: Febrero 2006

Combustible: Gas metano de aguas residuales

Tecnología: 10 micro turbinas C30 Capstone

Potencia eléctrica: 300 kW

Comentarios: En el 2007, el sistema produjo

1,681 MW de electricidad con un valor de 12,000

US$ y 61,00 MW térmicos con un valor de casi

57,000 US$, a partir del biogás.

Tabla 12 Granja Den Dulk Dairy [17]

Ubicación: Ravenna, Michigan USA

Puesta en marcha: Enero 2008

Combustible: Biogás de desechos ganaderos

Tecnología: Micro turbinas C30 Capstone

Potencia : 30 kW eléctricos – 45 kW térmicos

Comentarios: La granja lechera cuenta con 1000

vacas no solo para los 20 l de leche que produce

cada una, sino para producir el biogás de desecho

de estas y generar energía limpia y verde a partir

de las micro turbinas.


57

Tabla 13 Planta de tratamiento de aguas residuales Cossato Spolina [17]

Ubicación: Cossato, Italia

Puesta en marcha: Abril 2009

Combustible: Biogás de agua residuales

Tecnología: Micro turbinas CR200 Capstone con

instalación externa de un intercambiador de calor.

Potencia : El sistema inicia operaciones y

prospecta 1.7 millones kWe y 2.3 millones kW

térmicos anuales

Comentarios: Reducción de las emisiones de

gases de efecto invernadero será de 1.8 ton de CO2

al año.

Tabla 14 Planta de biogás Kupferzell [17]

Ubicación: Kupferzell, Alemania

Puesta en marcha: 2007

Combustible: Biogás

Tecnología: Micro turbinas CR65, CR200

Capstone

Potencia : 1,500 MWe y 2,800 th anuales

Comentarios: Reducción de las emisiones a

través del sistema de cogeneración son 500-1160

kg de CO2/MWh

Tabla 15 Planta de tratamiento de aguas Revico [17]

Ubicación: Cognac, Francia

Puesta en marcha: Noviembre 2009

Combustible: Biogás

Tecnología: Micro turbinas C800 Capstone

Potencia : 3,000 MWe y 4,000 th

Comentarios: La energía térmica calienta 4

digestores anaerobios de 5,000 m3 cada uno. La

energía generada es vendida a Électricité de

France (EDF) para su utilidad


58

Tabla 16 Planta de tratamiento de aguas residuales Melton [17]

Ubicación: Shire of Melton, Melbourne,

Victroria, Australia

Puesta en marcha: Noviembre Julio 2010

Combustible: Biogás de digestión anaerobia

Tecnología: Micro turbinas CR200 Capstone

Potencia : 1,700 MWh al año

Comentarios: La energía de calor residual se

reutiliza para mantener el digestor a 35°C de

temperatura.

En la actualidad, la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación

(SAGARPA) a través del Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) ha emprendido el desarrollo

de proyectos para el aprovechamiento de biogás en el sector ganadero. Se han identificado en el

país, alrededor de 966 sistemas de biodigestión beneficiados por proyectos relacionados con la

reducción de emisiones como los Project Design Document (PDD), proyectos bajo la iniciativa

Metano a Mercados (M2M) para la comercialización de bonos de Carbono y los proyectos en el

sector agropecuario apoyados por el FIRCO que se muestra en la Tabla 17.

Tabla 17 Número de biodigestores instalados en México

Proyectos de Biodigestión Documentados

México Tipo de apoyo para el biodigestor

PDD FIRCO* M2M

Total de sistemas

Total 563 399 4

966

*Instalados hasta Mayo de 2012 FIRCO.

El número biodigestores instalados en el país no es una cantidad suficiente para la población

ganadera actual. Sin embargo, visualizando la necesidad de mejorar las condiciones ambientales,

energéticas, productivas y económicas en el sector, la SAGARPA a través del FIRCO otorga

apoyos económicos a unidades productivas para la instalación de sistemas de biodigestión, así

como equipos para el aprovechamiento de biogás (motogeneradores). En los últimos 4 años se han

duplicado el número de proyectos que tienen que ver con la instalación de estos sistemas


59

ambientales. De estas acciones emprendidas por el FIRCO durante el periodo 2008-2011, se estima

una reducción de 679 mil Ton de CO2 por los sistemas de biodigestión instalados; asimismo con la

incorporación de sistemas integrales (biodigestor + motogenerador) se alcanzó la reducción de

1,989 Ton CO2 y un desplazamiento de energía eléctrica de 3.70 GWh. Ésta generación de energía

podría abastecer el consumo anual de alrededor de 10,000 viviendas de interés social, considerando

un consumo promedio de éstas de 200 kWh/mensuales. La reducción total de emisiones en el

periodo equivaldría a dejar de circular alrededor de 346,100 autos anualmente, considerando que

cada auto en promedio recorre 20,000 km/año y estableciendo un factor de emisión por km

recorrido de 100 gCO2e. Esto corresponde a 2 Ton CO2 por automóvil al año.

Ejemplo de unidades productivas en el sector ganadero las cuales aprovechan el biogás

provenientes de sus desechos son las siguientes Tabla 18.

Tabla 18 Algunas unidades productoras apoyadas por el FIRCO para el aprovechamiento del biogás (biodigestor y

motogenerador) hasta el 2011

Estado/Re

gión

Razón

Social

Tipo de

Unidad

Existencia

animal

(cabezas)

Generación

de excretas

(t/año)

Producción

de biogás

(m3/año)

Consumo de

energía

(kWh/año)

Producción

de energía

(kWh/año)

%

Reducción

de

Emisiones

Yucatán Grupo

Porcícola

Mex. S.A.

de C.V.

Granja

Porcina

32,483 115,315 2,538,389 52,072 255,528 14,027

Yucatán Chan

Rancho

S.P.R. de

R.L. de

C.V.

Granja

Porcina

10,058 35,706 785,984 93,552 87,873 4,334

Comarca

Lagunera

Establo

Chilchota

S.A. de

C.V.

Establo

lechero

2,000 7,100 401,500 1,082,176 691,891 367

Comarca

Lagunera

La

Torreña

Agroindus

trias S.A.

de C.V.

Establo

Lechero

650 2,307 36,500 810,032 615,014 327

La unidad productiva “La Torreña Agroindustrias S.A de C.V” la cual se encuentra ubicada en la

Comarca Lagunera, recibió el apoyo de FIRCO en los años 2009 y 2010, para la construcción de

un biodigestor y adquisión de un motogenerador. El costo total de proyecto fue de $4,923,209.00,

en donde el apoyo por FIRCO fue $1,235, 961 y la inversión del beneficiario fue de $3,667,248.

Si se visualiza el desplazamiento de energía de este proyecto por el motogenerador (615,014


60

kWh/año), se tendrían ahorros (considerando a 1.6 pesos/kWh) del orden de $984,022.4 anuales.

El periodo simple de recuperación sería de 3.7 años, sólo tomando en cuenta las aportaciones de

los beneficiarios.

Otro ejemplo, es el sistema de biodigestión instalado en la granja “La Pilarcita” en Yucatán. El

costo del proyecto (construcción del sistema de biodigestión) fue de $1,200,000 pesos y del

motogenerador $250,000 pesos (aproximadamente). La población animal atendida es de 8,500

cerdos. La producción de biogás que se genera diariamente en este establecimiento es de 1,500 m3,

lo que permite producir 120 kWh de electricidad. El 50% de esta energía es suficiente para

abastecer a la granja. Además, genera 15 bonos de carbono al día, los cuales pueden ser vendidos

en el mercado de carbono a otros países (15 euros por bono) [5].

Como vemos, uno de los principales usos del biogás en este sector es el aprovechamiento de las

excretas para la generación de energía eléctrica, que posteriormente puede ser interconectada a la

red del servicio público (CFE), para su posible porteo entre socios y/o autoconsumo del

establecimiento. También se obtienen beneficios económicos cuando el proyecto está dedicado a

la comercialización de “Bonos de Carbono” [5].

Otro de los casos de éxito sobre el aprovechamiento del biogás en México, se da en el sector de los

desechos y en este sentido los rellenos sanitarios juegan un papel importante. El metano que se

genera en éstos sitios de disposición final es el principal componente del biogás. Por lo que los

rellenos sanitarios son considerados la fuente más grande de metano proveniente de actividades

humanas [20]

El primer relleno sanitario instalado en México para el aprovechamiento de biogás se encuentra en

Nuevo León (Figura 11). El Proyecto “Bioenergía”, involucró el establecimiento de un relleno

sanitario, operado por la empresa SIMEPRODE en Salinas Victorias, Nuevo León. Dicho proyecto

se basa principalmente en el aprovechamiento del biogás, producto de la descomposición de los

desechos, para la generación de energía eléctrica, alrededor de 7 MW. El sistema está compuesto

de 7 motogeneradores de 1 MW cada uno, instalados de manera modular para su posible expansión.

Fue un proyecto que se llevó a cabo con donativos del Fondo Mundial para el Medio Ambiente

(GEF) y del Banco Mundial.


61

Figura 11 Relleno Sanitario, SEMEPRODE Bioenergía de Nuevo León

La energía generada se aprovecha para el alumbrado público (52% de la ciudad), el Metro, edificios

públicos y el bombeo de agua potable en la zona metropolitana de Monterrey, así como para cubrir

los requerimientos energéticos en las instalaciones de la propia empresa. Por otro lado, en 2005 la

SEDESOL reporta en cuanto a la reducción de emisiones de gases contaminantes, se estima que

están en el orden de un millón de toneladas de CO2. Una tonelada de residuos sólidos urbanos

puede generar hasta 223 m3 de biogás y 1 m3 de biogás puede generar hasta seis horas de luz

equivalente a un foco de 60 watts.

Recientemente, otra fase del proyecto Bioenergía es la adquisición de “Bonos Verdes”, los cuales

serán producto de la compra de emisiones de Carbono, alrededor de un millón de toneladas de

CO2e, por parte del gobierno de Dinamarca a través de Danis Carbon Fund.

Capítulo 4

Acondicionamiento del Biogás

Imagen: planta de tratamiento de aguas residuales Sheboygan, Wisconsin, Estados Unidos. Operando con

microturbinas Capstone de 30 y 200 kW.


63

4.1 Acondicionamiento del biogás

El biogás además de contener CH4, CO2 y vapor de agua, con frecuencia también puede contener

trazas de otros componentes en menor proporción, dependiendo de la utilización que se le asigne.

Aunque las concentraciones de impurezas son relativamente bajas estas, pueden tener un efecto

negativo en su disposición. La Tabla 19 muestra los componentes más comunes del biogás y su

efecto en los equipos.

Tabla 19 Componentes del biogás y su efecto [21]

CO2 25 – 50 % vol Baja el poder calorífico

Causa corrosión

Daña celdas alcalinas de combustible

H2S 0 – 0.5 % vol Corrosión en equipos y tubería

Emisiones de SO2 después de los quemadores

Emisión de H2S en combustión imperfecta

Inhibición de la catálisis

NH3 0 – 0.05 % vol Emisión de NOx

Daño en las celdas de combustible

Vapor de agua 1 – 5 % vol Corrosión en equipo y tubería

Daños de instrumentación por condensado

Riesgo de congelar y bloquear tuberías y

válvulas

Daños en los sistemas de compresión

Polvo > 5𝜇𝑚 Bloquea las boquillas y celdas de combustible

N2 0 – 5 % vol Disminuye el poder calorífico

Siloxanos 0 – 50 [mg/m3] Actúan como abrasivos, dañando motores

4.2 Efectos del CO2 en el biogás

La presencia de CO2 en el gas se establece en la razón de CO2/CH4 [% vol] y en la etapa de

metanogénesis de la digestión puede ser controlada parcialmente debido a que es esencial en la

formación de metano en el gas por esta razón no se busca hacerlo desaparecer [21].


64

Los factores que afectan la composición de CO2 son:

1. La presencia de compuestos con largas cadenas de hidrocarburos por ejemplo compuestos

con alto contenido en grasas ayudan a mejorar la calidad del gas cuidando de no afectar la

acidez, la cantidad de átomos de Carbono presentes en el substrato se relaciona

directamente con el porcentaje en volumen de metano presente en el biogás, ver figura 4.1.

2. Generalmente la descomposición anaeróbica de la biomasa mejora con el tiempo de

exposición, cercano el final del tiempo de residencia, el contenido de CH4 aumenta

desproporcionadamente a medida que el contenido de CO2 va desactivando el proceso de

hidrólisis.

3. El proceso de fermentación toma lugar de manera más rápida si el material en el reactor

está distribuido homogéneamente.

4. Un alto contenido de líquido en el reactor influye en una alta concentración de CO2 disuelto

en el agua, lo que disminuye el nivel de CO2 presente en la fase gaseosa.

5. A mayor temperatura de fermentación, disminuye la cantidad de CO2 disuelto en el agua.

6. Una alta presión durante el proceso lleva a una mayor concentración de CO2 presente en

el agua, esto se pude aprovechar si se purga material con alto contenido en CO2 disuelto en

el agua (claramente una vez iniciado el proceso de proliferación bacteriana).

Figura 12 Relación átomos de carbono y %Vol. de CH4 en el biogás

4.3 N2 y O2 presente en el biogás

El nitrógeno y oxígeno presente en el biogás se encuentran normalmente en proporción 4:1 y

usualmente se incorporan en las etapas de ventilación que tienen como objetivo eliminar el ácido


65

sulfhídrico presente en el reactor, estos gases pueden entrar también normalmente en pequeñas

cantidades si el sistema de tuberías no está perfectamente hermético [21].

4.4 Amoniaco presente en el biogás

Normalmente la concentración de amoniaco es baja (<0,1 mg/m3), cuando los substratos usados

provienen de excremento de aves o algunos casos particulares de basura la presencia de amoniaco

se puede incrementar hasta no superar los 1.5 mg/m3, por arriba de este límite existe riesgo para la

vida útil de los quemadores inclusive para la vida de los motores utilizados [21].

4.5 H2S presente en el biogás

La cantidad de H2S presentes en los gases de escape depende principalmente del proceso utilizado

para la obtención del biogás y del tipo de sustrato involucrado, si no existe un paso de

desulfuración, la concentración de H2S puede exceder el 0.2% vol. Cuando el sustrato fermentado

es viscoso el contenido de H2S es menor que en el caso de un sustrato líquido. [21]

Un objetivo primordial es mantener el contenido de ácido sulfhídrico a los niveles más bajos

posibles, porque la mayoría de los componentes sufren daños irreversibles debido al alto potencial

de corrosión del H2S, usualmente el biogás es desulfurizado aún mientras permanece en el reactor

[21].

El sulfuro de hidrógeno contenido en el biogás, junto a la humedad de éste, se convierte en ácido

sulfúrico (H2SO4), el cual es nocivo para ciertos equipos como calentadores de agua, motores o

refrigeradores. Por lo tanto, la reducción del sulfuro de hidrógeno se hace necesaria cuando el

biogás presenta sobre 2% en volumen de este compuesto. Sin embargo, la desulfuración no es

necesaria si el biogás contiene menos de 1% de este compuesto [21].

4.6 Procesos biológicos

La desulfuración dentro del digestor es la más económica entre las opciones de proceso y da

resultados satisfactorios para la utilización de biogás en el sitio. Los microorganismos oxidantes

del sulfuro de hidrógeno colonizan las superficies encima de la fase líquida del digestor. El oxígeno

necesario para esa reacción bioquímica se encuentra en una concentración del 1 al 3%, por lo que

tiene que ser inyectado en forma de aire al digestor mediante un pequeño soplador [5].


66

Además, es posible conducir el biogás enriquecido con oxígeno sobre un filtro de percolación fuera

del digestor que permite el crecimiento de microorganismos oxidantes del H2S. La eficiencia de

remoción en el filtro de percolación es muy alta y permite formar en continuo los productos de la

oxidación. Para eso, en un tanque previo a la bomba de recirculación se sedimenta el azufre y el

sulfato, productos que pueden ser utilizados como fertilizantes [5].

4.7 Procesos físicos

Los procesos de adsorción en carbono activado o zeolitas son muy comunes para aplicaciones a

pequeña escala. Este proceso consta de una columna del adsorbente, la cual se satura con el H2S y

también de otros compuestos traza. Al momento de llegar al punto de saturación se puede regenerar

el cartucho con un gas libre de contaminante (aire) a temperaturas elevadas o vacío, o

intercambiarlo por uno nuevo, como es la práctica para plantas pequeñas [5].

4.8 Depuración de biogás al grado equivalente al gas natural

La razón para depurar el biogás a un grado de ser equivalente al gas natural es para poder

introducirlo en una red de distribución de gas natural y así reemplazarlo. Para México existe

potencial ya que la compañía de gas Natural Fenosa cuenta actualmente con redes de distribución

en el Distrito Federal, Aguascalientes, Guanajuato, Tamaulipas, San Luis Potosí y el Estado de

México, cuya extensión es de más de 16000 km. Al biogás depurado con características

equivalentes al gas natural se le denomina biometano [5].

Al utilizar el biogás en un sitio ajeno a la planta se obtiene la ventaja de poder utilizarse en un

proceso de cogeneración, mientras que en la generación de energía eléctrica en el sitio no se suele

aprovechar la energía térmica que disipan los motores. Además, actualmente se abren nuevos

caminos para el biogás como el de poder almacenarlo por un periodo prolongado en el sistema de

distribución o su utilización como combustible para transportes [5].

En Alemania existen aproximadamente 70 digestores en operación con sistemas de producción de

biometano, así como el esfuerzo en las ciudades de Berlín y Munich, de llegar a una cobertura de

biometano en el 100% de las gasolineras que ofrecen metano como combustible [5].

En la depuración del biogás, la remoción del dióxido de carbono es parte del tratamiento principal.

Esto permite que el biogás alcance un poder calorífico de entre 36 y 43 MJ/kg. Para realizar esta


67

remoción y la del sulfuro de hidrógeno se han establecido varios procesos, muchos de ellos son

derivados del tratamiento del gas natural llamados “procesos de endulzamiento”. En la actualidad,

los procesos más comunes son la absorción con una solución acuosa o dietanolamina y la adsorción

en materiales sólidos porosos [5].

4.9 Absorción en soluciones acuosas

Es muy común la operación de lavado del gas en una torre de absorción con una solución acuosa,

donde la solubilidad del dióxido de carbono es 30 veces mayor que la del metano; debido a la

polaridad del dióxido de carbono y su disociación en el agua. Esa característica se aprovecha para

absorber el CO2 en agua mientras que está en contacto en una columna de percolación a una presión

de aproximadamente de 10 bar, dejando una concentración residual de CO2 de 2 a 3%. Como parte

del proceso, también es removido el H2S. El líquido enriquecido en CO2 es desorbido en una

segunda columna con la ayuda de aire a presión atmosférica [5].

Figura 13 Esquema de purificación de biogás por absorción acuosa


68

4.10 Absorción en soluciones químicas

La absorción de CO2 es mayor en soluciones químicas, como la dietanolamina, que permite realizar

el proceso a presión atmosférica y para la desorción es necesario elevar la temperatura del solvente.

La concentración residual de CO2 que se alcanza con este proceso es menor de 0.1%. Los diferentes

absorbentes químicos tienen una diferente selectividad para el sulfuro de hidrógeno [5].

4.11 Etapa final de la depuración

Adicionalmente, los sistemas de producción de biometano requieren secadores criogénicos, así

como equipos de análisis trabajando en continuo para el control de calidad del biometano antes de

que sea introducido a la red de distribución [5].

Es necesario mencionar que los procesos de separación de los gases liberan metano a la atmósfera

cuyo efecto invernadero es 25 veces mayor al de dióxido de carbono, y dependiendo del proceso

empleado para la separación puede ser mayor al 2% del metano total. Sin embargo, el impacto

ambiental que causa dicha emisión, es menor que el beneficio que es obtenido al reemplazar al gas

natural (beneficio 5 veces mayor por la reducción del uso de combustibles fósiles) o el mayor

aprovechamiento energético por la generación de electricidad en cogeneración (el beneficio es 2

veces mayor).

Figura 14 Esquema de purificación de biogás por absorción acuosa cogeneración de agua

Capítulo 5

Instalación del equipo de biodigestión

PP2 – UAM I

Imagen: Tanque de almacenamiento, quema del biogás producido en el biodigestor construido en la Planta Piloto

2 de la UAM – Iztapalapa 2014.


70

5.1. Diseño de la instalación de biodigestión PP2

El equipo de biodigestión que se diseñó e instaló dentro de la Universidad Autónoma Metropolitana

(UAMI), específicamente en la Planta Piloto 2 de la Unidad Iztapalapa, busco no interferir en las

prácticas habituales dentro de las instalaciones de la unidad y así contribuir al desarrollo de práctica

e investigación.

5.2. Diagrama esquemático de la instalación de biodigestión PP2

Se diseñó y construyó un Bioreactor PP2 tipo bach o por lotes. A partir de excretas de becerro. En

la Figura 15 se muestra el diagrama esquemático de la instalación de biodigestión, para la

producción de biogás.

Figura 15 Diagrama esquemático de la instalación de biodigestión PP2

(1) Entrada del sustrato

(2) Sustrato

(3) Bomba electro sumergible para

agitación

(4) Biogás producto del proceso de

biodigestión

(5) Pivote para toma de muestras de biogás

(6) Salida del sustrato digerido

(7) Sistema de purificación de biogás

(8) Compresor

(9) Tanque de almacenamiento de biogás

(10) Biofertilizante


71

5.3. Metodología utilizada

Se llevó a cabo la construcción de un biodigestor tipo batch de 1m3 a nivel planta piloto, para la

producción de biogás. Con una dilución de 3:1 agua-estiércol. La Figura 16 muestra el diagrama

esquemático de la experimentación realizada, 1. Deyecciones ganaderas, 2. Recolección de la

materia orgánica, 3. Preparación (dilución) estiércol/agua, 4. Colocación del sustrato en el

biodigestor, 5. Proceso biológico, 6. Medidor de temperatura y pH, 7. Medidor de presión, 8.

Biogás y 9. Tanque de almacenamiento.

Figura 16 Diagrama esquemático de producción de biogás a partir de deyecciones ganadera

5.4. Construcción del bioreactor PP2 UAM-I

Recolección de la materia orgánica

El 16 de Diciembre de 2013 se llevó a cabo la recolección de estiércol de becerro. Posteriormente

se realizó la dilución 3:1, es decir, tres partes de agua por una parte de estiércol, con la finalidad de

que la mezcla estiércol/agua no se solidificara en la parte superior dentro del bioreactor.


72

En la Figura 17 a se presenta la recolección de la materia orgánica (estiércol) para posteriormente

realizar el acondicionamiento del sustrato (Figura 18), para su ingreso al bioreactor.

Figura 17 Recolección de estiércol

Figura 18 Acondicionamiento del sustrato

La construcción del bioreactor tipo batch Figura 19, de volumen de 1 m3 donde se vertió el estiércol

diluido, en la relación de dilución 3:1 mencionada anteriormente.

Figura 19 Bioreactor PP2 UAM-I para la producción de

biogás

• Tanque de 1 m3

• Válvulas tipo esfera

• Medidor de temperatura y pH

• Compresor reciprocante

• Tubería de PVC ¾” y ½”

• Manómetro

• Silicón automotriz

• Manguera de PVC


73

Montaje del equipo de biodigestión PP2 UAM-I

Tubería

Se instaló la tubería necesaria para tener instrumentado el bioreactor (Figura 20). Se requirió de

tres tuberías de PVC. (I) tubería de salida de biogás, adaptada a una conexión tipo T para montar

el manómetro, y válvula para regular el flujo de biogás. (II) la segunda tubería es para la entrada

del sustrato, conectado a una válvula, (III) la tercera tubería es para la salida de sustrato, acoplado

a un conector tipo “T”, para montar el potenciómetro, y medir temperatura y pH.

Figura 20 Tubería requerida para el sistema de biodigestión PP2 UAM-I

Malla de seguridad

Fue necesario instalar una malla de seguridad, por protección de los operarios así como de la

comunidad estudiantil y del personal de la Unidad, debido a que el producto del proceso biológico

es un gas flamable, de igual manera tener mejor acceso al área de trabajo y evitar que sea

manipulada la instrumentación del equipo.

En la Figura 21 se presenta la base de cemento de los 3 postes para montar los cuadros y

posteriormente la malla. En la Figura 22 se observa como son colocados los cuadros de la malla.

I

II

III


74

Figura 21 Construcción de las bases para

colocar los postes

Figura 22 Colocación de los cuadros y bases para las mallas

La Figura 23 muestra la instalación del adoquín para tener un piso uniforme y mantener nivelado

el bioreactor. En la Figura 24 se muestra la protección terminada.

Figura 23 Instalación del piso de adoquín

Figura 24 Malla de protección terminada


75

Medidor de temperatura y pH

En la Figura 25 se muestra el medidor de pH y temperatura que se utilizó durante el proceso de

biodigestión. La Figura 26 se muestra una de las mediciones que se le hicieron al sustrato, para

conocer las etapas del proceso anaerobio.

Figura 25 Medidor de pH y temperatura

Figura 26 Medición del pH al sustrato

Módulo de compresión y confinamiento

La Figura 27 se muestra la salida del sustrato ya digerido para tomar muestras de pH y temperatura

y/o para bioabono. En la Figura 28 se observa el módulo de compresión con el cual se extrajo el

biogás producido en el bioreactor.

Figura 27 Salida del sustrato ya digerido

Figura 28 Módulo de compresión


76

en la Figura 29 se muestra la tapa del compresor en la cual fue adaptada una pieza para poder

conectarla al tanque de confinamiento, por otro lado en la Figura 30 se observa una de las pruebas

que realizamos para evitar las fugas en las mangueras y así garantizar el confinamiento del biogás.

Figura 29 Tapa del compresor

Figura 30 Pruebas al compresor para evitar fugas en las

mangueras

5.5. Experimentación bioreactores 20 l

Inicialmente se llevó acabo la experimentación en dos bioreactores tipo batch de 20 l, donde se

vertió en ellos estiércol de becerro (ver Figura 31), con una relación de 3:1, es decir, tres partes de

agua por una parte de estiércol, con agua como disolvente. Se monitoreo la temperatura y la presión

con un manómetro de baja presión, para determinar la producción de biogás, ambos de estiércol de

ecerro. Todos los experimentos han sido con bioreactores tipo batch. Dichos experimentos se

iniciaron el 16 de Diciembre de 2013.

Figura 31 Bioreactor de 20 l con estiércol de becerro


77

Material:

Termómetro (-10°C a 50°C) Manguera latex 20 cm

Recipiente de 20 l Abrazaderas

Silicón automotriz Manómetro baja presión

Manguera PVC 3/8” transparente Válvula de gas de 3/8”

Bomba de vacío

En la Figura 32 Se muestran los prototipos de bioreactores de 20 l instrumentados con un

termómetro y manguera de salida del sustrato, listos para ser puestos en operación e iniciar el

proceso biológico, por otra parte en la Figura 33 se muestran las tapas y las válvulas acopladas a

las mangueras para la salida del biogás.

Figura 32 Bioreactores de 20 l instrumentados antes de iniciar

el proceso biológico

Figura 33 Tapas de salida del biogás, conectadas con una

manguera y una válvula de gas

La Figura 34 muestra el termómetro digital para la medición de la temperatura del sustrato dentro

del bioreactor, asi como la manguera para la salida del sustrato.


78

Figura 34 Termómetro digital para la medición de temperatura

Observación

Con una buena agitación se tiene un mejor mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana,

así evitando la formación de costra dentro del digestor, se unifica la densidad bacteriana y se evita

la formación de espacios “muertos” sin actividad biológica.

En la experimentación para evitar espacios “muertos” o costra, se tomó una dilución de 3:1 y con

ello evitar esos escenarios dentro del bioreactor.

En la Figura 35 se muestra la preparación de la mezcla agua/estiércol de 3:1, para evitar espaciós

“muertos” entre la materia orgánica.

Figura 35 Preparación de la mezcla agua/estiercol


79

Producción de biogás bioreactores de 20 l

La producción del biogás depende directamente del volumen del bioreactor, y del tiempo de

residencia de los microorganismos, para poder digerir la materia orgánica.

A demás de considerar los parámetros de diseño, se debe tomar en cuenta la agitación, para evitar

la solidificación de la solución en la parte superior del bioreactor o en este caso elegir una buena

dilución que se estableció fue 3:1; también se deben tener sellos herméticos para mantener un

medio ausente de oxígeno.

Figura 36 Se muestra el manómetro para monitorear la presión del biogás

Después de 25 días de almacenamiento del sustrato dentro del bioreactor batch, se procedió abrir

la válvula de paso, permitiendo el escape del biogás generado el cual fue almacenado en un tanque

de gas Figura 37.


80

Figura 37 Tanque de almacenamiento, quema del biogás producido en el bioreactor construido en la PP 2 de la UAM

El proceso degradativo de la digestión anaerobia se lleva a cabo en etapas y un parámetro

característico de cada etapa es el pH, es decir, el cambio del pH determina la duración de las etapas

del proceso, donde la etapa de acidogénesis determina la velocidad del proceso degradativo.

Tabla 20 Características del bioreactor de 20 l

Bioreactor

Sustrato Estiércol de becerro

Relación de dilución 3:1

Monitoreo de pH Si

Monitoreo de temperatura Si

El monitoreo de la temperatura es un parámetro importante para el buen desarrollo del proceso

biológico, en la Tabla 1 se presentan los rangos donde las bacterias pueden actuar y también el

cambio de temperatura que soportan las bacterias en un medio dado, es decir, las bacterias

metanogénicas que se desarrollan en un medio psicrofílico soportan cambios de hasta 4 °C por

hora, las desarrolladas en un medio mesofílico soportan cambios de hasta 2°C por hora y las

termofílica soportan cambios de 1°C/hr.


81

5.6. Objetivos y metas alcanzadas

Experimentación

Se alcanzaron los siguientes objetivos:

1. Construcción y Montaje del bioreactor batch de 1 m3 y 20 l instrumentado para el monitoreo

de pH, temperatura y presión, sin perder simplicidad del proceso.

2. Determinación de las condiciones como: temperatura, pH y dilución, es decir, de 3:1, para

la producción de biogás a partir de materia orgánica.

3. Se determinó la producción de biogás.

4. Aplicación de la metodología establecida.

5.7. Resultados

Figura 38 Monitoreo de la temperatura a lo largo de un día

Figura 39 Monitoreo de la temperatura a lo largo del proceso

En la Figura 38 se presenta el monitoreo de la temperatura a lo largo del día la mayor temperatura

fue de 28.3°C y la menor de 21.2, analizando los cambios de temperatura se muestra que entre las

9 de la noche y las 10 de la mañana se tiene un decremento de 1.9°C, es decir, aproximadamente

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

8 13 18 23

T (

°C)

tiempo (hr)


82

0.17°C/hr, el cambio de temperatura durante el día de 10 am a 9 pm, aumenta 1.56°C, es decir,

0.14°C por hora, ubicando al proceso dentro del rango aceptable mostrado en la Tabla 1, y por lo

tanto, no habría problema para realizar el proceso biológico y la producción de biogás.

En la Figura 39 se muestra la temperatura registrada en el bioreactor de 20 l en un tiempo de 36,000

minutos, equivalentes a 25 días, la menor temperatura registrada fue de 17°C durante el día número

19 del proceso, los picos de temperatura se encuentran entre las 14:00 y las 16:30 hrs de cada día.

También se muestra que se tiene monitoreada la temperatura para los 25 días del proceso, y que

durante los días 3 y 5 se obtuvo la temperatura máxima 31°C, sin embargo no sobrepaso el estado

termofílico.

Otro parámetro importante durante el proceso anaerobio fue el pH, el cual se empezó a incrementar

después del día 25 (Ver Figura 40).

Figura 40 Monitoreo del pH a lo largo del proceso

En la Figura 40 se muestra el crecimiento bacteriano, a medida que transcurre el tiempo de

retención del sustrato dentro del bioreactor, también se muestra que existen en el proceso

degradativo 3 etapas en el crecimiento bacteriano: (I) la de arranque, (II) la de estabilización y

(III) la de declinación. La etapa de arranque va de 1 a 11 días; la etapa de estabilización de 12 a 17

días; y la etapa de declinación de 18 a 40 días; asimismo, se muestra que aproximadamente a los

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30

pH

t (día)

I II

III


83

25 días, el crecimiento es menor, lo que significa que las bacterias consumirán los nutrientes del

sustrato y empezarán a morir y con ello la producción será nula.

Para saber la producción de gas generada en el proceso fue necesario conectar el manómetro de

baja presión. Con esto la presión al día número 25 fue de 1.5 psi, ver Figura 41.

Figura 41 Manómetro de baja presión conectado al biodigestor

Considerando un gas ideal, se tiene la siguiente expresión para obtener la masa de biogás

producida.

PVm

RT (1)

La temperatura promedio registrada dentro del bioreactor fue de 27.3.7°C (300.45 K) al momento

de abrir la válvula de paso.

La constante universal de los gases es:

8314u

JR

kgmolK (2)

La constante particular del biogás es igual a la constante universal de los gases entre el peso

molecular del biogás.


84

El peso molecular se obtiene con base a la Tabla 21, considerando la existencia de CH4, y CO2,

despreciando los otros componentes presentados anteriormente. El porcentaje de volumen para el

CH4 se considera de 60%, CO2 de 40%.

La masa molecular del biogás es:

4 2

0 60 0 40biogás CH COMM MM MM . . (3)

Tabla 21 Masa molecular de los principales compuestos del biogás

Compuesto MM (kg/kgmol)

CH4 16.0

CO2 44.0

Sustituyendo la masa molecular de los elementos mostrados en la Tabla 21 y desarrollando, se

tiene:

27 2biogás

kgMM

kgmol .

(4)

La constante particular del biogás se determina de la siguiente manera:

ubiogás

biogás

RR

MM

(5)

Sustituyendo los valores correspondientes de la siguiente manera:

305 66biogás

JR

kgK .

(6)

La presión dentro del tanque fue de 1.5 psi, o también, 0.103421 bar

Sustituyendo la presión, la constante particular, la temperatura (27.3°C) en unidades absolutas. El

volumen ocupado por el biogás en el tanque de 20 litros es de 14 litros (0.014 m3).


85

10342 14 0 014

300 45 305 66

. .

. .m

(7)

Se obtiene el biogás producido

0 0016 .m kg (8)

Es la cantidad de biogás producido al día 30 de haber iniciado el proceso.

Para el bioreactor PP2 se obtuvo:

1 05 .m kg ……(9)

Es la cantidad de biogás producido al día 30 de haber iniciado el proceso.

La producción de biogás, es relativamente baja, debido a que el bioreactor en la primera etapa,

presento fugas en la tapa y eso represento una merma en la producción. Sin embargo se recomienda

sellar debidamente tapas y tubería para evitar esto.

Análisis cromatográfico del biogás bioreactores 20 l

Para el análisis de los componentes del biogás se utilizó un cromatógrafo de gases de Agilent

modelo 7820 A, en el cual se trabajó para identificar sus componentes individuales del biogás que

se generó en los bioreactores de 20 l.

Las condiciones de operación del GC fueron las siguientes:

Tabla 22 Condiciones de operación del GC

TCD

Inyector 50 °C

Detector 115 °C

Columna 40 °C

FID


86

Inyector 170 °C

Detector 150 °C

Columna 100 °C

Figura 42 Cromatográma del biogás, Muestra no. 1


En la Figura 42, se muestra el cromatográma del biogás de los bioreactores de 20 l. donde se

observa el pico característico del CH4 y del CO2. Con un tiempo de residencia de la muestra de

aproximadamente 4 a 4.5 min. Con una composición de meano de 34%



aproximadamente 4 min. Con una composición de metano de 36%.



aproximadamente 3.5 min. Con una composición de metano de 37 %.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 1 2 3 4 5

Áre

a [m

V*s]

Tiempo de retención [min]

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 1 2 3 4

Áre

a [m

V*s]


CH4

CO2

CH4

CO2


87


Bioreactor Composición Vol (%)

CH4 – CO2

Dilución

A muestra 1 34 -12 3:1

B muestra 2 36 - 14 3:1

B muestra 3 37 - 15 3:1

La muestra 3 resulto la mejor composición de metano en el biogás (37%), aun así es baja debido a

pequeñas fugas en los bioreactores como fue mencionado anteriormente.

Caso de estudio de aplicación del biogás

Este trabajo fue presentado dentro del Coloquio de Investigación Multidisciplinarias CIM 2014,

realizado en el Instituto Tecnológico de Orizaba, con la ponencia: Dimensionamiento de una planta

de biogás para producción de energía eléctrica. Publicado en la Revista de Investigación ISSN:

2007-8102 Volumen 2. Número 1. Octubre de 2014.

Dimensionamiento de una planta de biogás para producción de energía eléctrica

Con la utilización del simulador Thermoflex Lite 24 y a partir de una potencia establecida en los

equipos de 1 MW, se realiza el dimensionamiento de los equipos de una planta de biogás y se

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 1 2 3 4 5

Áre

a [m

V*s]


CH4

CO2


88

diseñó un proceso de producción de biogás a partir de datos experimentales a escala laboratorio,

donde se obtuvo los parámetros para diseñar un proceso a mayor escala, la Figura 45, muestra cada

una de la etapas del desarrollo para la generación de electricidad, la cual se compone de las

deyecciones ganaderas, una zona de recepción de residuos orgánicos (excretas) en forma líquida

y/o sólida, seguido se hace un acondicionamiento y/o mezcla de residuos orgánicos, con ello se

alimenta al biodigestor donde se lleva a cabo las etapas del proceso de fermentación anaerobia, los

desechos líquidos que salen del biodigestor son llevados a un tanque para deshidratación y el resto

a un deposito (fracción liquida). El biogás que se produce se lleva a un gasómetro o gas holder,

previo a un sistema de lavado del biogás para eliminar trazas de ácido sulfhídrico (H2S) y en su

caso reducir el dióxido de carbono (CO2). Una vez con el biogás contenido en el gasómetro es

llevado al motor o turbina de gas a las condiciones necesarias para su adecuado funcionamiento de

los equipos, también se incluye un flare a la salida del gasómetro como gas de escape y quema del

biogás en caso de una contingencia.


89

Figura 45 Esquema del desarrollo de una planta de biogás para producción de electricidad utilizando una turbina de gas Solar

Saturno de 1 MW

La Figura 46 muestra el diagrama esquemático de la turbina de gas Solar Saturno, asimismo, la

turbina de gas consta de un compresor, el cual comprime el aire succionado, incrementando su

presión y temperatura, el aire comprimido pasa a la cámara de combustión donde es mezclado con

el combustible (biogás) y se lleva a cabo una reacción exotérmica, conocida como combustión, los

gases de combustión pasan a través de la turbina de gas Solar Saturno la cual genera la potencia

necesaria para el generador eléctrico.

Figura 46 Diagrama esquemático de la turbina de gas Solar Saturno

para la generación de energía eléctrica

Figura 47 Diagrama T-s de la turbina de gas Solar Saturno

La Figura 47 muestra el diagrama Temperatura - Entropía de una turbina de gas simple; En la Tabla

23 se muestran las expresiones para el cálculo de los procesos termodinámicos para la turbina de

gas Solar Saturno, el aire a condiciones ambientales a la entrada del compresor (1), después de la

compresión (2), el aire comprimido y el combustible se suministran a la cámara de combustión, a

la salida de la cámara de combustión (3) los gases de combustión se expanden en la turbina de gas

(4).

Tabla 23 Ecuaciones para el cálculo del trabajo o calor suministrado en la turbina de gas

Procesos Termodinámicos Trabajo o Calor Suministrado

(1-2) - Compresión del aire

1 1xACOM COM

SIC

cp Tw

Tem

per

atura

Entropía

1

2

3

4


90

(2-3) - Calor suministrado

31

1

11 1x

SUM g COM

SIC

Tq cp T

T

(3-4) - Expansión en la turbina

3

11

gTURB gc SIT x

T

w Cp T

A continuación se hace el análisis del flujo de combustible y la potencia generada por medio de

una turbina de gas marca Solar modelo Saturno de 1 MW de energía eléctrica, utilizando como

combustible biogás y el de un motor modelo Jenbacher J320 de 1 MW de GE diseñado

especialmente para trabajar con biogás.

La Tabla 24, muestra las variaciones climatológicas que existe en los tres diferentes estados de

México los cuales influyen en el desempeño de la turbina de gas Solar Saturno y el motor

Jenbacher.

Tabla 24 Características climatológicas típicas de tres estados de México

Estado msnm Temperatura [ºC] Humedad % Presión atmosférica [bar]

Veracruz 10 34 79 1.012

Sonora 216 40 20 0.9877

Puebla 1 633 26 59 0.8318

La Tabla 25 muestra la variación de CH4 para el dimensionamiento de los biodigestores necesarios

para obtener la potencia requerida para los tres diferentes estados de México.

Tabla 25 Potencias obtenidas con la turbina de gas, variando la concentración de metano para el biogás en los tres estados de

México

Combustible

Estado kg/día kg/s No. Biodigestores

Potencia

eléctrica [kW]

Concentración

% mol


91

Veracruz 27397.44 0.3171 74 970

Sonora 25704 0.2975 70 903.2

50 CH4

50 CO2

Puebla 23328 0.27 63 826.2

Veracruz 19232.64 0.2226 52 949.3

Sonora 20502.72 0.2373 55 883.3

60 CH4

40 CO2

Puebla 17452.8 0.202 48 808.9

Veracruz 12070.08 0.1397 33 923.3

Sonora 11318.4 0.131 31 858

80 CH4

20 CO2

Puebla 10281.6 0.119 28 787.4

La Figura 48 y Figura 49 obtenidas del simulador Thermoflex Lite 24 muestra los arreglos de

turbina de gas y motor de gas analizado, ahora bien, la Figura 48 muestra el arreglo de un

compresor, cámara de combustión, turbina de gas y un generador eléctrico, la corriente 3 representa

el aire del medio ambiente a la entrada del compresor, la corriente 5 es el flujo de combustible que

se introduce en la cámara de combustión y la corriente 4, son los gases de escape de la turbina, por

otra parte la Figura 49 muestra la corriente de agua de enfriamiento al motor denotada por 6 y 7, la

corriente 8 es el flujo de aire para realizar la mezcla aire combustible, la corriente 11 es el flujo de

combustible para generar la combustión dentro del pistón y la corriente 9 son los gases de escape

del motor.


92

Figura 48 Arreglo de la turbina de gas Solar Saturno de 1

MW

Figura 49 Arreglo de un motor de gas Jenbacher GE de 1 MW

Figura 50 Poder calorífico inferior del biogás a diferentes

concentraciones volumétricas de CH4

Figura 51 Flujo de combustible obtenido, para tres estado de

México con diferentes temperaturas ambiente, a la turbina de

gas Solar Saturno

La Figura 50 muestra que a mayores concentraciones volumétricas de CH4 incrementa el poder

calorífico inferior (PCI), debido a que el combustible utilizado es biogás proveniente de

deyecciones ganaderas, se espera que la concentración de CH4 esté por encima del 50 % del total

del combustible empleado, asimismo, existen procesos para incrementar la concentración de CH4

en el biogás a través de un tratamiento previo de purificación.

La Figura 51 muestra la variación del flujo de combustible y la potencia que entrega la turbina de

gas para los tres estados citados anteriormente. Para el estado de Veracruz, al incrementar el flujo

de combustible de 0.1077 kg/s a 0.1397 kg/s la potencia aumenta en 0.94%, ahora bien al comparar

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

50 60 70 80 90 100

PC

I

[kJ/

kg]

CH4 [% mol]

750

800

850

900

950

0.06 0.16 0.26

Po

tenci

a gen

erad

a d

e la

TG

[kW

]

Flujo de combustible [kg/s]

Puebla

Veracruz

Sonora


93

la potencia generada entre Veracruz y Sonora a las mismas condiciones de flujo (0.1397 kg/s), la

potencia generada por Sonora es menor en 6.85% a la de Veracruz.

Figura 52 Presión atmosférica, potencia generada en la turbina

de gas Solar Saturno, con diferentes concentraciones

volumétricas de CH4 en el biogás

Figura 53 Flujo de combustible obtenido a diferentes

concentraciones volumétricas de metano CH4

La Figura 52 muestra una diferencia del 12%, en la potencia eléctrica generada, entre una presión

atmosférica de 0.8 bar que sería el caso de Puebla y 1 bar para el estado de Veracruz. Al variar la

concentración de metano desde 50% hasta el 100% en el biogás, se mantiene constante esa

diferencia del 12%. La turbina de gas presenta variaciones importantes en la potencia eléctrica

generada y en flujo de combustible, por variaciones en la presión, temperatura y concentración

volumétrica de metano en la composición de biogás.

La Figura 54 muestra una gran variación en la potencia eléctrica, al variar la concentración de

metano en el biogás, la mayor potencia eléctrica generada se produce al tener la turbina de gas a

las condiciones ambientales de Veracruz.

760

810

860

910

960

0.8 0.9 1 1.1

Po

tenci

a gen

erad

a d

e la

TG

[k

W]

Presión atmosférica [bar]

PCI-50% mol

CH4PCI-60% mol

CH4PCI-70% mol

CH4PCI-80% mol

CH4PCI-90% mol

CH4

Veracru

Sonora

Puebl

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

50 70 90

Flu

jo d

e co

mb

ust

ible

[kg/s

]

Metano [% mol]

Puebla

Veracruz

Sonora


94

Figura 54 Potencia generada de la turbina de gas obtenida

a diferentes concentraciones volumétricas de CH4

La Figura 54 muestra el estado de Veracruz con una potencia de 970 kW, para concentraciones de

50% CH4 - 50% CO2 y una potencia de 914.7 kW para concentraciones de 90% CH4 - 10% CO2,

se esperaría tener un aumento en la potencia eléctrica generada, al tener concentraciones mayores

de metano en el biogás, esto se debe al flujo de combustible, ya que para concentraciones altas de

metano, se requiere mucho menor flujo de combustible para generar una potencia eléctrica,

mientras que al disminuir la concentración de metano en el biogás, el flujo de combustible aumenta

y esto provoca un aumento en la potencia eléctrica generada por la turbina de gas.

Finalmente para el caso de Puebla, que se encuentra a 1633 msnm, con una temperatura promedio

de 26°C, humedad relativa del 59% y una presión atmosférica de 0.813 bar, se varía el porcentaje

de metano en el biogás y ver el comportamiento en el equipo; con 50%, 60% y 80% de metano.

Con el 50% de metano la turbina de gas genera 826.2 kW de potencia eléctrica, dadas las

condiciones ambientales a las que se somete el equipo, con un flujo de combustible de 0.27 kg/s,

contra, una potencia eléctrica de 822kW generada por el motor Jenbacher, con un flujo de

combustible de 0.167 kg/s, donde se aprecia que el motor necesita 38.1% menos combustible que

la turbina para generar una misma potencia. Al 60% de metano la turbina de gas genera 808.9 kW

de potencia eléctrica, con un flujo de combustible de 0.202 kg/s, mientras que el motor para una

potencia eléctrica de 822kW necesita un flujo de combustible de 0.167 kg/s, donde se aprecia un

37.7% menos combustible que la turbina. Y cuando se tiene 80% de metano la turbina genera 787.4

kW con un flujo de combustible de 0.119 kg/s, mientras que el motor con una potencia eléctrica de

750

800

850

900

950

1000

50 100

Po

tenci

a gen

erad

a d

e la

TG

[kW

]

Metano [% mol]

Puebla

Veracruz

Sonora

250

350

450

550

650

750

850

950

1050

0.03 0.13

Po

tenci

a gen

erad

a d

el m

oto

r

[kW

]

Flujo de combustible [kg/s]

PCI con 50% de

CH4PCI con 60% de

CH4PCI con 70% de

CH4PCI con 80% de

CH4

Figura 55 Flujo de combustible obtenido para el motor, variando la

concentración volumétrica de CH en el biogás, ubicado en Puebla


95

750kW, requiere un flujo de combustible de 0.07 kg/s que representa un 41.2% menos de

combustible en la turbina.

Conclusiones

Los bioreactores operaron en el régimen mesofílico. Es un proceso que se puede inhibir muy

fácilmente. El proceso biológico es vulnerable a distintos parámetros, tales como, el pH, la

temperatura, alcalinidad.

La actividad biológica y, por lo tanto, la producción de gas aumentan con la temperatura. A medida

que aumenta la temperatura aumenta la producción, pero adquiere una mayor sensibilidad que

afecta a la población de bacterias; asimismo, afecta duración del sustrato dentro del bioreactor.

La agitación en el bioreactor es muy importante, porque proporciona un mejor desarrollo del

proceso.

El comportamiento del pH del sustrato determina la duración de las etapas biológicas.

En el bioreactor en la experimentación de diciembre del 2013 se obtuvo 0.0016 kg de biogás con

una temperatura promedio de 27.3°C, utilizando una dilución de 3:1.

En el bioreactor PP2 se obtuvo una producción de 1.05 kg, a una dilución de 3:1, debido a que se

presentó una fuga en la tapa.

El análisis cromatografico de los bioreactores de A y B fue de 35% y 37% de metano.


96

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Interscience, 2004.


99

Anexos

Participación (divulgación)

Participación en The Fouth Internacional Symposium

on Environmental Biotechnology and Engineering, con el

poster “Dimensionado de una planta de biogás para

producción de energía eléctrica mediante el análisis

termodinámico en una turbina de gas”, CINVESTAV

2014.

Participación en el Coloquio de Investigación

Multidisciplinaria, por la presentación de la ponencia

“Dimensionamiento de una planta de biogás para

producción de energía eléctrica”, Instituto Tecnológico

de Orizaba 2014.

Participación en la Primera Cumbre Nacional de Innovación en Bioenergía Cluster

BIOGÁS a través de la Secretaria de Innovación, Ciencia y Tecnología del Estado de

Morelos 2014.

división de ciencias básicas e ingeniería148.206.53.84/tesiuami/uami16720.pdf · estado del arte...

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