pim biogas final
TRANSCRIPT
U N I V E R S I D A D D E E L S A L V A D O R
FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
PROYECTO DE INGENIERIA MECANICA
“DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA
PLANTA DE COMPOSTAJE UBICADA EN EL MUNICIPIO DE SANTA TECLA”
DOCUMENTO FINAL
CATEDRÁTICO ASESOR: Ing. ALVARO AGUILAR.
ALUMNOS:
BELLOSO, WILLIAM ALEXANDER
FLAMENCO, IMMER ABIMAEL
CIUDAD UNIVERSITARIA, 05 DE JULIO DE 2012
Contenido
INTRODUCCION..................................................................................................................3
1.0 GENERALIDADES DE LA BIOMASA.............................................................................4
1.1 BIOMASA....................................................................................................................4
1.2 FUENTES DE BIOMASA............................................................................................5
1.2.1 Plantaciones energéticas......................................................................................5
1.2.2 Residuos forestales..............................................................................................6
1.2.3 Desechos agrícolas..............................................................................................6
1.2.4 Desechos industriales...........................................................................................6
1.2.5 Desechos urbanos................................................................................................7
1.3 PROCESOS DE CONVERSION DE BIOMASA.........................................................7
1.3.1 Conversión Termoquímica............................................................................7
1.3.2 Conversión Bioquímica..................................................................................7
1.3.3 Conversión Fisicoquímica (Prensado/extracción).........................................8
1.4 DESCOMPOSICION ANAEROBICA..........................................................................8
2.0 BIOGAS..........................................................................................................................9
2.1 COMPOSICION DEL BIOGAS..................................................................................10
3.0 BIODIGESTORES........................................................................................................10
3.1 Clasificación de biodigestores...................................................................................10
3.1.1 Biodigestor de domo flotante (indio)......................................................................11
3.1.2 Biodigestor de domo fijo (China)............................................................................12
3.1.3 Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno...13
3.1.4 Reactor de mezcla completa sin recirculación.................................................13
3.1.5 Reactor de mezcla completa con recirculación................................................14
3.1.6 Reactor con retención de biomasa, sin recirculación......................................15
3.1.7 Sistemas discontinuos............................................................................................18
3.2 PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DE UN BIODIGESTOR...........................18
3.2.1 PH (Potencial Hidrógeno)...................................................................................19
3.2.2 DQO (demanda química de oxigeno).................................................................19
3.2.3 Ácidos grasos.....................................................................................................21
3.2.5 Temperatura.......................................................................................................24
3.2.6 Temperatura de llama.........................................................................................24
4.0 JUSTIFICACION...........................................................................................................26
4.2 RESIDUOS FORESTALES...........................................................................................28
4.3 APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA FORESTAL.............................................29
4.3.1 Cambio climático, sostenibilidad y ventajas de la biomasa forestal.......................30
4.3.2 La biomasa forestal como fuente de energía.........................................................30
4.3.3 Ventajas Ambientales.............................................................................................31
4.3.4 Captura masiva de emisiones de CO2...............................................................32
4.3.5 Reducción de incendios y reforestación.............................................................32
4.3.6 Reutilización de residuos forestales, agrícolas e industriales............................33
5.0 DETERMINACION DEL POTENCIAL TEORICO DEL BIOGAS..................................34
6.0 OPCIONES DE APROVECHAMIENTO DE ESTE BIOGÁS........................................38
6.1 ¿QUÉ ES EL BIOGÁS?.............................................................................................38
6.2 APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS PARA ENVASADO (LBG)............................39
6.2.1 EL BIOGÁS (LBG) PURIFICACIÓN Y EMBOTELLADO....................................40
6.2.2 CASO DE EMBOTELLAMIENTO EL BIOGÁS EN CILINDROS.......................41
6.2.3 BIOGAS DE ENERGÍA BASADA EN SISTEMA DE GENERACIÓN................43
6.2.4 ENRIQUECIMIENTO DE BIOGAS Y TECNOLOGÍA DE ENVASADO PARA
USO VEHICULAR........................................................................................................44
6.3 Aprovechamiento del biogás para generación eléctrica local..................................45
6.3.1 Cantidad y calidad de biogás disponible diariamente o acumulado...................47
CONCLUSIONES...............................................................................................................49
INTRODUCCION
Las actividades humanas liberan gases de efecto invernadero a la atmósfera. La
agricultura y la ganadería son algunas de las más importantes, así como los desechos
forestales, debido a la liberación de gas metano, que es uno de los gases de efecto
invernadero responsables del calentamiento global y del cambio climático. De las
emisiones de gas metano generado por la actividad humana, el 15% proviene de la
descomposición de desechos forestales.
La mayor parte del metano liberado por la descomposición forestal es producido por la
“fermentación entérica”. La emisión de gas metano debido a la descomposición
anaeróbica del desecho forestal también contribuye en este sentido, aunque en una
menor proporción.
Por otra parte, el uso de fertilizantes químicos aumenta las emisiones de otro de los gases
que provoca el efecto invernadero: el óxido nitroso. El nitrógeno que contienen muchos
abonos y fertilizantes minerales aumenta los procesos naturales de nitrificación y des
nitrificación que producen las bacterias y otros microbios en el suelo. Estos procesos
convierten parte del nitrógeno en óxido nitroso. La cantidad de este gas emitido en cada
unidad de nitrógeno aplicado al suelo depende del tipo y cantidad de fertilizante, las
condiciones del suelo y el clima.
La tecnología aquí presentada no solamente permite el desarrollo de una energía
renovable (el biogás) sino que también contribuye a mitigar el cambio climático al reducir
las emisiones de metano de la descomposición anaeróbica del estiércol y al sustituir el
uso de fertilizantes nitrogenados.
1.0 GENERALIDADES DE LA BIOMASA
1.1 BIOMASA
El término biomasa se refiere a toda la materia orgánica que proviene de árboles, plantas
y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía; o las provenientes de la
agricultura (residuos de maíz, café, arroz, etc.), del aserradero (podas, ramas, aserrín,
cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica y otros). Esta es la
fuente de energía renovable más antigua conocida por el ser humano, pues ha sido usada
desde que nuestros ancestros descubrieron el secreto del fuego.
Atendiendo al origen es posible diferenciar, desde un punto de vista ecológico, biomasas
de distintos órdenes:
Biomasa primaria: es la materia orgánica formada directamente por los seres
fotosintéticos (algas, plantas verdes y demás seres autótrofos). Este grupo
comprende toda la biomasa vegetal, incluidos los residuos agrícolas (paja o restos
de podas) y forestales (leñas).
Biomasa secundaria: es la producida por los seres heterótrofos que utilizan en su
nutrición la biomasa primaria. Este tipo de biomasa implica una transformación
biológica de la biomasa primaria para formar un nuevo tipo de biomasa de
naturaleza distinta a la inicial. Un ejemplo sería la carne o las deyecciones debidas
a los animales herbívoros.
Biomasa terciaria: es la producida por los seres que se alimentan de biomasa
secundaria, como sería el caso de la carne de los animales carnívoros, que se
alimentan de los herbívoros.
Desde la prehistoria, la forma más común de utilizar la energía de la biomasa ha sido por
medio de la combustión directa: quemándola en hogueras a cielo abierto, en hornos y
cocinas artesanales e, incluso, en calderas; convirtiéndola en calor para suplir las
necesidades de calefacción, cocción de alimentos, producción de vapor y generación de
electricidad.
Los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de procesos más eficientes y limpios
para la conversión de la biomasa en energía; transformándola, por ejemplo, en
combustibles líquidos o gaseosos, los cuales son más convenientes y eficientes. Así
aparte de la combustión directa, se pueden distinguir otros dos tipos de procesos: el
termoquímico y el bioquímico.
Las fuentes más importantes de biomasa son los campos forestales y agrícolas pues en
ellos se producen residuos que normalmente son dejados en el campo al consumirse sólo
un bajo porcentaje de ellos con fines energéticos. En la agroindustria, los procesos de
secado de granos generan subproductos que son usados para generación de calor en
sistemas de combustión directa; tal es el caso del bagazo de caña de azúcar, la cascarilla
de café y la de arroz. Por otro lado, los centros urbanos generan grandes cantidades de
basura compuesta en gran parte, por materia orgánica que puede ser convertida en
energía, después de procesarla adecuadamente.
En economías de orientación agrícola, el uso apropiado de la biomasa ofrece una
alternativa para reducir los costos de operación por concepto de insumos energéticos,
además, es una solución para los problemas higiénico-ambientales que, en muchos
casos, presentan los desechos orgánicos.
Actualmente, los procesos modernos de conversión solamente suplen 3% del consumo de
energía primaria en países industrializados. Sin embargo, gran parte de la población rural
en los países subdesarrollados que representan cerca del 50% de la población mundial,
aún dependen de la biomasa tradicional, principalmente de leña, como fuente de energía
primaria. Esta suple, aproximadamente, 35% del consumo de energía primaria en países
subdesarrollados y alcanza un 14% del total de la energía consumida en el nivel mundial.
1.2 FUENTES DE BIOMASA
Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren un
amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la acuicultura,
los desechos urbanos y las plantaciones energéticas, se usan generalmente, para
procesos modernos de conversión que involucran la generación de energía a gran escala,
enfocados hacia la sustitución de los combustibles fósiles.
Los residuos agrícolas, como la leña y el carbón vegetal, han sido usados en procesos
tradicionales en los países en vías de desarrollo y a usos primarios en pequeña escala,
por ejemplo, la cocción de alimentos o las pequeñas actividades productivas como
panaderías, calderas, secado de granos, etc.
1.2.1 Plantaciones energéticas
Estas son grandes plantaciones de árboles o plantas cultivadas con el fin específico de
producir energía. Para ello se seleccionan árboles o plantas de crecimiento rápido y bajo
mantenimiento, las cuales usualmente se cultivan en tierras de bajo valor productivo. Su
período de cosecha varía entre los tres y los diez años. También se utilizan arbustos que
pueden ser podados varias veces durante su crecimiento, para extender la capacidad de
cosecha de la plantación.
Existen también muchos cultivos agrícolas que pueden ser utilizados para la generación
de energía: caña de azúcar, maíz, sorgo y trigo. Igualmente, se pueden usar plantas
oleaginosas como palma de aceite, girasol o soya y algunas plantas acuáticas como
Jacinto de agua o las de algas, para producir combustibles líquidos como el etanol y el
biodiesel.
1.2.2 Residuos forestales
Los residuos de procesos forestales son una importante fuente de biomasa que
actualmente es poco explotada. Se considera que de cada árbol extraído para la
producción maderera, sólo se aprovecha comercialmente un porcentaje cercano al 20%.
Se estima que un 40% es dejado en él, en las ramas y raíces, a pesar de que el potencial
energético es mucho y otro 40% en el proceso de aserrío, en forma de astillas, corteza y
aserrín.
La mayoría de los desechos de aserrío son aprovechados para generación de calor, en
sistemas de combustión directa, en algunas industrias se utilizan para la generación de
vapor. Los desechos de campo, en algunos casos, son usados como fuente de energía
por comunidades aledañas, pero la mayor parte no es aprovechada por el alto costo del
transporte.
1.2.3 Desechos agrícolas
La agricultura genera cantidades considerables de desechos: se estima que, en cuanto a
desechos de campo, el porcentaje es más del 60%, y en desechos de proceso, entre 20%
y 40%.
Al igual que en la industria forestal, muchos residuos de la agroindustria son dejados en el
campo. Aunque es necesario reciclar un porcentaje de la biomasa para proteger el suelo
de la erosión y mantener el nivel de nutrientes orgánicos, una cantidad importante puede
ser recolectada para la producción de energía. Ejemplos comunes de este tipo de
residuos son el arroz, el café y la caña de azúcar.
Por otro lado, las granjas producen un elevado volumen de residuos húmedos en forma
de estiércol de animales. La forma común de tratar estos residuos es esparciéndolos en
los campos de cultivo, con el doble interés de disponer de ellos y obtener beneficio de su
valor nutritivo. Sin embargo, cuando existen cantidades elevadas de estiércol esta
práctica puede provocar una sobre fertilización de los suelos y la contaminación de las
cuencas hidrográficas.
1.2.4 Desechos industriales
La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos, que
pueden ser usados como fuentes de energía, los provenientes de todo tipo de carnes
(avícola, vacuna, porcina) y vegetales (cáscaras, pulpa) cuyo tratamiento como desechos
representan un costo considerable para la industria. Estos residuos son sólidos y líquidos
con un alto contenido de azúcares y carbohidratos, los cuales pueden ser convertidos en
combustibles gaseosos. Otras industrias también generan grandes cantidades de
residuos que pueden ser convertidas para su aprovechamiento energético, entre estas
tenemos a la industria del papel, del plástico, las destilerías, etc.
1.2.5 Desechos urbanos
Los centros urbanos generan una gran cantidad de biomasa en muchas formas, por
ejemplo: residuos alimenticios, papel, cartón, madera y aguas negras. La carencia de
sistemas adecuados para el procesamiento de estos residuos genera grandes problemas
de contaminación de suelos y cuencas, sobre todo por la inadecuada disposición de la
basura y por sistemas de recolección y tratamiento con costos elevados operación.
Por otro lado, la basura orgánica en descomposición produce compuestos volátiles
(metano, dióxido de carbono, entre otros) que contribuyen a aumentar el efecto
invernadero. Estos compuestos tienen considerable valor energético que puede ser
utilizado para la generación de energía limpia.
1.3 PROCESOS DE CONVERSION DE BIOMASA
Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, tiene que ser convertida
en una forma más conveniente para su trasporte y utilización. A menudo, la biomasa es
convertida en formas derivadas tales como carbón vegetal, briquetas, gas, etanol y
electricidad.
Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos simples y tradicionales, como la
producción de carbón vegetal en hogueras bajo tierra, hasta procesos de alta eficiencia
como la dentro-energía y la cogeneración. Los principales procesos de conversión son:
1.3.1 Conversión Termoquímica
La conversión termoquímica está basada en la descomposición de la biomasa por medio
de calor. Esta transforma a la biomasa en productos con un más alto valor o más
convenientes y, dependiendo de las condiciones del proceso, se obtienen diferentes
proporciones de productos sólidos, líquidos y gaseosos:
1. Combustión directa
2. Pirolisis
3. Gasificación
1.3.2 Conversión Bioquímica
Consisten en la transformación de la biomasa por la acción de microrganismos o de
enzimas, que son añadidas a los medios de reacción como catalizadores. Los métodos
bioquímicos son más adecuados a biomasas con un alto contenido de humedad, debido a
que tanto los microrganismos como las enzimas sólo pueden ejercer sus acciones en
ambientes acuosos, entre los procesos de conversión bioquímica se encuentran:
1. Digestión anaerobia
2. Fermentación alcohólica
1.3.3 Conversión Fisicoquímica (Prensado/extracción)
La ruta de conversión fisicoquímica produce un biocombustible líquido a partir de la
biomasa que contiene aceite vegetal. Esta tecnología es similar a las rutas de conversión
para producir aceite vegetal en la industria alimenticia.
El aceite vegetal se produce al prensar y/o extraer el aceite de la semilla. De manera que
sólo se pueden usar especies que contienen aceite, como la semilla de colza, el girasol, el
fríjol de soya y el aceite de palma, etc.
1.4 DESCOMPOSICION ANAEROBICA
El proceso anaerobio es aquel en que se efectúa la degradación de la materia orgánica en
ausencia de oxígeno molecular como aceptor de electrones. Tal es el caso, por ejemplo,
de los procesos de producción de alcohol, los procesos de des nitrificación y de digestión
anaerobia, estos dos últimos empleados en el tratamiento de aguas residuales.
Los procesos de digestión anaerobia ocurren normalmente en la naturaleza, siendo los
nichos de estos procesos el fondo de los ríos, los lagos y el mar, las ciénagas y el tracto
intestinal de, prácticamente, todos los animales.
El proceso de digestión anaerobia se emplea en el tratamiento de residuales sólidos o
líquidos cuando la concentración de materia orgánica es tan elevada que no resulta
económico el tratamiento aerobio.
Esta situación se presenta generalmente cuando la concentración de la demanda química
de oxígeno (DQO) es relativamente elevada. Sin embargo, en los últimos años se ha
venido aplicando este proceso, con éxitos, a aguas residuales con bajo contenido de
materia orgánica.
La ventaja principal de los procesos anaerobios con relación a los aerobios se
fundamenta en la transformación de la materia orgánica a través de una tecnología de
bajo consumo energético, obteniéndose, un balance comparativo de energía y de masa
entre ambos procesos, los resultados se muestran en la tabla 1:
Tabla 1: Balance energético de los procesos aerobios y anaerobios
Proceso aerobio Proceso anaerobio
Durante los procesos aerobios cerca del Durante los procesos anaerobios casi 90%
60% de la energía se consumo durante la
síntesis de nueva biomasa (células de
microrganismos) y el 40% de la energía se
pierde en la forma de calor de reacción.
de la energía que existe originalmente en el
sustrato (residual) se retiene en el biogás
que se produce durante estos procesos
perdiendo solamente en 7% de la energía
inicial como calor de reacción.
Durante los procesos aerobios cerca del
50% del carbono contenido en el sustrato
se convierten biomasa y otros 50% pasa a
bióxido de carbono.
Durante los procesos anaerobios cerca del
95% pasa a biogás (metano (CH4, C02) y
sólo el 5% es convertido biomasa.
Lo anterior trae como consecuencia los aspectos prácticos siguientes:
En los procesos anaerobios se consume mucho menos energía externa,
fundamentalmente eléctrica, que en los procesos aerobios, no necesitándose,
además, equipos mecánicos para el desarrollo de estos (por ejemplo compresores
o agitadores mecánicos), además, se obtiene energía, en forma de gas
combustible, útil para cualquier fin energético.
En los procesos anaerobios sólo se generan del 10 al 30% de los lobos
(biomasas) que se producen en los aerobios, lo que disminuye considerablemente
los costos de disposición final de estos; además, los lobos anaerobios están
mucho más estabilizados que los aerobios.
En los procesos anaerobios no se producen aerosoles potencialmente peligrosos
para el ambiente circundante de la planta de tratamiento.
Por cada kilogramo de DQO eliminado por el metabolismo bacteriano, la vía
aerobia (lodo activado) requerirá 1 Kwh. de energía eléctrica para el equipo de
aeración. Mientras la vía anaerobia producirá el equivalente de 3 Kwh., como
energía química acumulada en el CH4, la cual puede ser convertida en una
máquina de combustión acoplada a un generador eléctrico de eficiencia media
(20%), lo que resulta en 0.6 Kwh. de energía eléctrica/Kg. de DQO removida.
La aplicación de un proceso anaerobio previo a un sistema aerobio puede mejorar
la sedimentabilidad del lodo contribuyendo a mantener valores constantes del
índice volumétrico de lodo y un control mayor del fenómeno de abultamiento en el
sistema aerobio.
2.0 BIOGAS
El biogás se produce mediante un proceso de degradación de la materia orgánica bajo
condiciones anaeróbicas, o sea en ausencia de oxígeno. La digestión anaeróbica es
producto de la acción de bacterias, las cuales se denominan metano génicas, y las cuales
degradan la materia, liberando metano en el proceso. Dichas bacterias metano génicas
son el último eslabón de una cadena de microrganismos encargados de degradar las
materias orgánicas y devolver los productos descompuestos al medio ambiente. De esta
forma el biogás es generado como una fuente de energía renovable.
La producción de biogás es un modo útil de tratar residuos biodegradables y a su vez se
puede utilizar para diversas aplicaciones tales como: producción de energía eléctrica
mediante turbinas o plantas generadoras a gas, en hornos para el calentamiento, en
diversos procesos industriales, en estufas para la cocción de alimentos, calderas, u
cualquier sistema de combustión a gas que previamente han sido adaptados para tal
efecto.
Cada año entre 590-880 millones de toneladas de metano son liberados al medio
ambiente en el mundo, todo debido a la actividad microbiológica. Cerca del 90% de dicho
metano emitido se deriva de fuentes biológicas tales como la descomposición de
biomasa.
2.1 COMPOSICION DEL BIOGAS
El biogás es un gas combustible formado en su mayoría por metano (CH4) y por dióxido
de carbono (CO2), aparte de contener pequeñas cantidades de hidrógeno, nitrógeno,
oxígeno, monóxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S) (Tabla 2) el cual le
proporciona un olor característico a azufre. La llama producida por el biogás al ser
quemado es de color azul pálido, casi invisible a la luz del día; siendo su poder calorífico
cercano a 5342 kilocalorías por m3 [ICAITI, Manual de Construcción y Operación Planta
de Biogás, 1983, p.7
Tabla 2 Composición química del biogás. [Fuente: Manual de construcción y operación
planta de biogás, ICAITI – ROCAP No 596-0089 D102-1983: p. 66]
COMPONENTE %
METANO (CH4) 54 – 70
BIOXIDO DE CARBONO (CO2) 27 – 45
NITROGENO (N2) 0.5 – 3
HIDROGENO (H2) 1 – 10
ACIDO SULFHIDRICO (H2S) 0.1
3.0 BIODIGESTORES
3.1 Clasificación de biodigestores
Un digestor de desechos orgánicos o biodigestor es, en su forma más simple, un
contenedor cerrado, hermético e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se
deposita el material orgánico a fermentar (excrementos de animales y humanos,
desechos vegetales, etcétera) en determinada dilución de agua para que se
descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno,
fósforo y potasio.
Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual
antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de presión
hidrostática y pos tratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del
reactor.
Hay muchos tipos de plantas de biogás pero los más comunes son el dosel flotante y el
domo fijo, los cuales serán descritos a continuación. La baja aceptación de muchos de
estos biodigestores ha sido principalmente debida a los costos altos, la dificultad de
instalación y problemas en la consecución de las partes y repuestos.
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.
Por importancia y simplicidad se detallarán solo algunos modelos de biodigestores
3.1.1 Biodigestor de domo flotante (indio)
Este biodigestor consiste en un tambor, originalmente hecho de acero pero después
reemplazado por fibra de vidrio reforzado en plástico (FRP) para superar el problema de
corrosión. Normalmente se construye la pared del reactor y fondo de ladrillo, aunque a
veces se usa refuerzo en hormigón. Se entrampa el gas producido bajo una tapa flotante
que sube y se cae en una guía central. La presión del gas disponible normalmente varía
entre 4 a 8 cm. de columna de agua. El reactor se alimenta semi-continuamente a través
de una tubería de entrada. Este modelo se observa en la figura 1.1
Figura 3.1: Esquema biodigestor de domo flotante.
3.1.2 Biodigestor de domo fijo (China)
Consiste en una firme cámara de gas construida de ladrillos, piedra u hormigón. La tapa y
la base son semiesferas y son unidos por lados rectos. La superficie interior es sellada por
muchas capas delgadas para hacerlo firme. Hay un tapón de inspección en la cima del
digestor que facilita el limpiado. Se guarda el gas producido durante la digestión bajo el
domo con presiones entre 1[m] y 1.5 [m] de columna de agua. Esto crea fuerzas
estructurales bastante altas y es la razón para la forma semiesférica. Se necesitan
materiales de alta calidad y recursos humanos costosos para construir este tipo de
biodigestor. Más de cinco millones de biodigestores se han construido en China y ha
estado funcionando correctamente pero, la tecnología no ha sido popular fuera de China.
Figura 3.2 Esquema biodigestor de domo fijo.
3.1.3 Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno
Otro tipo de planta de producción de biogás que ha logrado disminuir los costos hasta
30% con respecto a los prototipos tradicionales, es la que se caracteriza por tener una
estructura semiesférica de polietileno de película delgada en sustitución de la campana
móvil y la cúpula fija y un tanque de almacenamiento de piedra y ladrillo como los
empleados en los prototipos tradicionales.
Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica que los sistemas
tradicionales; por ejemplo, una instalación de 4 m3 puede costar, aproximadamente, $550
USD y la estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez años de vida
útil.
También el tipo de biodigestores utilizados para digestión anaerobia pueden clasificarse
en función de su capacidad para mantener altas concentraciones de microrganismos en el
reactor, siguiendo diferentes métodos. El reactor más simple es el de mezcla completa
(RMC, CSTR en inglés), y es el más utilizado para residuos.
3.1.4 Reactor de mezcla completa sin recirculación
Consiste en un reactor en el que se mantiene una distribución uniforme de
concentraciones, tanto de substrato como de microrganismos. Esto se consigue mediante
un sistema de agitación. Ésta puede ser mecánica (agitador de hélice o palas, de eje
vertical u horizontal) o neumática (recirculación de biogás a presión), y nunca violenta.
Esta tipología de reactor no ofrece problemas de diseño y es el más utilizado para
residuos. Comparativamente a otros reactores, el tiempo de retención necesario es alto,
debido a que la concentración de cualquier especie, que se mantiene en el reactor en
régimen estacionario, es la misma que la que se pretende en el efluente. Si la velocidad
de reacción depende de la concentración, como es el caso de los procesos biológicos, la
velocidad será baja, y la forma de compensarla es aumentando el tiempo de reacción.
3.1.5 Reactor de mezcla completa con recirculación
Este sistema tiene el nombre de reactor anaerobio de contacto y sería equivalente al
sistema de fangos activos aerobios para el tratamiento de aguas residuales.
Se comprueba que regulando la recirculación es posible conseguir tiempos de retención
hidráulica más bajos que en un reactor simple de mezcla completa. Esto es a costa de
aumentar el tiempo de retención de los microrganismos, gracias a su confinamiento en el
sistema mediante la separación en el decantador y re-circulación. Debido a la necesaria
separación de microrganismos en el decantador, este sistema sólo es aplicable a aguas
residuales de alta carga orgánica (aguas residuales de azucareras, cerveceras, etc.), para
las que sea posible una separación de fases líquido-sólido, con la fracción sólida
consistente básicamente en flóculos biológicos. Antes del decantador se debe disponer de
un sistema de desgasificación, sin el cual la decantación se puede ver impedida.
Figura 3.3 Esquema de reactores sin retención interior de biomasa. Fuente: GIRO.
3.1.6 Reactor con retención de biomasa, sin recirculación
Si se consigue retener bacterias en el interior del reactor, evitando la configuración de
reactor de mezcla completa, es posible reducir el tiempo de retención por debajo del
reactor RMC tomado como referencia. Los métodos de retención de biomasa son
básicamente dos:
a) inmovilización sobre un soporte (filtros anaerobios y lechos fluid izados);
b) agregación o floculación de biomasa y su retención por gravedad (reactores de
lecho de lodos). Estos sistemas se comentan a continuación. Aunque los reactores de
flujo pistón no estarían encuadrados en este apartado, el hecho de que la tasa de
crecimiento de microrganismos sea más elevada a la entrada del reactor, donde la
concentración de sustrato también es más elevada, hace que la concentración media en
el reactor sea superior a la correspondiente a mezcla completa, o en todo caso superior a
la de salida, con lo cual el tiempo de retención será inferior. Este tipo de reactor ha sido
aplicado a diferentes tipos de residuos orgánicos, como fracción orgánica de residuos
municipales (configuración vertical y flujo ascendente), residuos de porcino y bovino, y
una de las dificultades es la debida a la falta de homogenización en la sección transversal
a la dirección del flujo, en las configuraciones horizontales, lo cual se puede evitar
mediante un sistema de agitación transversal (reintroducción de biogás a presión en la
base del digestor si el reactor es horizontal, por ejemplo).
El filtro anaerobio. En este sistema las bacterias anaerobias están fijadas a la superficie
de un soporte inerte formando biopelículas, columna de relleno, o atrapadas en los
intersticios de éste, con flujo vertical. El soporte puede ser de material cerámico o plástico.
Su distribución puede ser irregular (filtro anaerobio propiamente dicho, con flujo
ascendente, y en este caso las bacterias se encuentran mayoritariamente atrapadas en
los intersticios, o regular y orientado verticalmente, y en este caso la actividad es debida
básicamente a las bacterias fijadas, recibiendo el nombre de lecho fijo con flujo
descendente. En caso de utilizar un soporte orientado verticalmente con flujo ascendente
y un sustrato lentamente degradable, con elevado tiempo de retención, la retención por
sedimentación de los fragmentos de biopelícula desprendidos adquiere un efecto de
importancia en la actividad del reactor.
Figura 3.4 Esquema de reactores con retención interior de biomasa. Fuente: GIRO
Este sistema ha sido extensamente aplicado para el tratamiento de aguas residuales de
industria agroalimentaria, y existen experiencias piloto para la fracción líquida de residuos
ganaderos. El coste de inversión es un limitante importante para su implantación.
El lecho fluid izado. En este sistema las bacterias se encuentran fijadas, formando una
biopelícula, sobre pequeñas partículas de material inerte que se mantienen fluid izadas
mediante el flujo ascendente adecuado del fluido. Para mantener el caudal adecuado, que
permita la expansión y fluidización del lecho, se recurre a la recirculación. Igual que el
filtro, puede ser aplicado a aguas residuales, especialmente de la industria
agroalimentaria, y a fracciones líquidas o sobrenadante de residuos ganaderos, aunque
las experiencias en este ámbito son muy limitadas.
El reactor de lecho de lodos. En este sistema se favorece la floculación o agregación de
bacterias entre ellas, formando gránulos o consorcios, de forma que por sedimentación se
mantienen en el interior del reactor, con la velocidad ascendente adecuada del fluido,
siempre que en la parte superior exista un buen separador sólido (biomasa)/líquido/gas. El
diseño más común es el Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), el cual está siendo
extensamente aplicado al tratamiento de aguas residuales de la industria agroalimentaria.
Es el diseño más simple de entre los sistemas con retención de biomasa y el único
limitante para su aplicación es que la biomasa activa granule, esto es, que forma
agregados de alta densidad. Para ello es determinante la composición del agua a tratar y
mantener una operación adecuada.
3.1.7 Sistemas discontinuos
En un sistema discontinuo, la curva de evolución temporal de la producción de biogás
sigue la misma tendencia que la curva típica del crecimiento de microrganismos (latencia,
crecimiento exponencial, estacionalidad y decrecimiento). Aquí el concepto de tiempo de
retención no tiene sentido y se hablaría de tiempo de digestión.
Para conseguir una producción de biogás cercana a la continuidad deben combinarse
varios reactores discontinuos con puestas en marcha intercaladas en el tiempo.
Estos reactores han sido aplicados a residuos con una alta concentración de sólidos que
dificultan la adopción de sistemas de bombeo, tales como residuos de ganado vacuno con
lecho de paja.
3.2 PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DE UN BIODIGESTOR
Para el buen funcionamiento de un digestor en general es muy importante el monitoreo en
forma periódica de ciertos parámetros que están estrechamente vinculados con la
generación del biogás, dichos parámetros son: temperatura, pH, DQO y ácidos grasos,
los cuales son indicadores y nos dan una idea de que tan bien o mal se puede estar
desarrollando el proceso de generación de biogás dentro de un reactor, para lo cual cada
propiedad tiene un rango de valores establecidos y los cuales se deben mantener en el
reactor en cierto rango para garantizar la buena y constante producción de biogás.
También es importante la determinación de parámetros como la cantidad de metano CH4
y dióxido de carbono CO2 contenido en el biogás así como la temperatura de la llama
generada por el mismo.
3.2.1 PH (Potencial Hidrógeno)
El pH es un parámetro de operación obligatorio, el cual nos dice si el reactor está
operando en un medio ácido o básico. En general, un reactor debe estar operando en un
medio neutro para asegurar que las condiciones sean las adecuadas para mantener las
bacterias metano génicas en un ambiente idóneo para su supervivencia y reproducción.
Para asegurar un exitoso proceso de fermentación anaeróbico dentro del biodigestor, el
valor de pH debe oscilar entre 6.5 y 7.5, o sea, cerca del valor neutro de la escala la cual
varía de 0 a 14.
[ICAITI, 1983 – “Manual de Operación y Construcción de una planta de Biogás” - p.9]
Para realizar la medición de pH se utiliza un instrumento de campo denominado phi
metro, el cual está conformado por un electrodo que mide la diferencia de potencial dentro
de la muestra, y en base a esa diferencia se mide la concentración de iones hidrógeno en
el agua Fig. 3.5
Figura 3.5 pH-imetro
3.2.2 DQO (demanda química de oxigeno)
La demanda química de oxígeno, DQO, expresada en unidades de oxígeno, mide la
porción de materia orgánica que es biodegradable o no, en una muestra que es
susceptible a oxidación por un fuerte oxidante químico. Esta prueba se realiza para
establecer una comparación entre el influente y el efluente y así determinar la carga
orgánica que queda dentro del biodigestor y la cual posiblemente se esté convirtiendo en
biogás. Por tanto, se realizan dos pruebas de DQO, una en el influente y otra en el
efluente para establecer dicho patrón de comparación.
Hay que diferenciar dos tipos de análisis de DQO que se realizan, según su propósito:
a) DQO Soluble: Es una medición del material orgánico que logra solubilizarse en el agua
y que generalmente se encuentra en la descarga de un reactor.
b) DQO Total: Es una medición que comprende los sólidos insolubles y solubles además
de las grasas, que tienden a consumir oxígeno durante su descomposición.
La DQO es toda la cantidad de oxígeno que requiere la materia o toda la especie química
que está presente en el agua residual para lograr oxidarse. Es un balance estequiométrico
exacto de la cantidad de oxígeno requerido para descomponerse.
Existen dos maneras para realizar la prueba de DQO. Uno es mediante un proceso
meramente químico, donde usualmente se utiliza como oxidante el Dicromato Potásico,
aunque pueden ser otros componentes.
El otro método más exacto y más moderno, utiliza un fotómetro tipo MERCK SQ-118, (Fig.
3.6), y el cual da mediciones con un rango de incerteza de 2 mg/L. Este equipo utiliza
unas celdas, donde dentro de las celdas viene la solución de reactivos ya preparada, y
donde solo se debe esperar la reacción química, la cual se da a 148ºC dentro de un
turborreactor (Fig. 3.7) en el cual se mantiene 2 horas a esa temperatura para que se
consuma la materia orgánica presente en la muestra. Luego, en base a un blanco de
referencia, el cual es un patrón que brinda la compañía que vende el equipo, se calibra el
aparato con dicho patrón y por último se mide la muestra, obteniendo los resultados. Si
es necesario, hay un proceso de dilución que precede a la introducción de la muestra a la
celda. Si por experiencia se sabe que la DQO que esperamos está arriba del rango que
tiene la muestra para medir, se diluye la muestra.
Los valores de DQO dependen enormemente del tipo de reactor que se analice así como
la materia orgánica que lo alimenta. Los valores de DQO permitidos en El Salvador
para poder retornar al ambiente aguas servidas que han sido tratadas, debe oscilar entre
los 200 y 1000 mg/L. [Latín Laws,
http://www.latinlaws.com/legislacion/modules/mylinks/visit.php?lid=249, Julio 2010]
Figura 3.6 Fotómetro Merck C 118
Figura. 3.7 Turborreactor
3.2.3 Ácidos grasos
El análisis de ácidos grasos volátiles es una medida de la concentración de la generación
de ácidos grasos, específicamente el acido propiónico entre otros. Dependiendo de la
naturaleza de las aguas residuales, éste se genera a partir de la descomposición
anaerobia de la materia orgánica. La descomposición de la materia orgánica está formada
por tres etapas: Hidrólisis, acidificación y metano génesis. Es en la Hidrólisis donde se
generan los ácidos grasos. La acido génesis es el paso de la hidrólisis a la metano
génesis y es donde los ácidos son utilizados por las bacterias para generar biogás.
Los ácidos grasos es una medida de esa concentración. Si nuestro reactor se queda
estancado en un pH ácido, lo que significa es que la concentración de ácidos generados
es demasiado alta y debe regularse. Dicha regulación se logra mediante la reducción de
materia prima que entra al reactor. Los valores de ácidos grasos dependen enormemente
del tipo de reactor que se analice así como la materia orgánica que lo alimenta (Fig. 3.8).
Figura 3.8 Equipo para análisis de ácidos grasos.
El rango admisible para ácidos grasos debe ser menor a 200 mg/L según la legislación
nacional [Latín Laws, http://www.latinlaws.com/legislacion/modules/mylinks/visit.php?
lid=249, Julio 2010]
3.2.4 Contenido de metano y dióxido de carbono en una muestra de biogás
El contenido de metano (CH4) del biogás producido en un biodigestor dado, se determina
mediante la extracción del volumen contenido dentro del recipiente que contiene la
muestra del biogás, mediante una jeringa especial, (Fig. 3.9). Teniendo este volumen
conocido de biogás (1 V), este se inyecta en un recipiente sellado el cual posee una
solución de 20 mL, conteniendo 20g/L de KOH o Na OH. . Este bote hermético debe ser
agitado durante 3 ó 4 minutos de tal forma que todo el dióxido de carbono sea absorbido
por la solución presente en el recipiente. El volumen de gas que queda en el recipiente (2
V) puede ser determinado utilizando la jeringa y midiéndola directamente. [University of
Central America, Marquette University – Biomechanical Methane Potential (BMP) and
Anaerobic Toxicity Assay (ASA) – p.1 a p.3] De aquí que la concentración porcentual de
metano venga dada por la siguiente ecuación:
%CH 4=Volumen finalVolumne inicial
∗100
De ahí el porcentaje de CO2 y otros contenidos en la muestra se determina por medio
de la siguiente ecuación:
%CO2 y otros=100−%CH 4
Los rangos normales de gas metano dentro de una muestra de biogás deben rondar entre
el 30% al 60% de dióxido de carbono, 50% y el 70% de CH4 y el 3% de otros gases
[ICAITI, 1983 – “Manual de Operación y Construcción de una planta de Biogás” - p.5]
Figura 3.9 Instrumentos para el análisis del biogás.
3.2.5 Temperatura
La temperatura dentro de un biodigestor es un parámetro de los más importantes para la
óptima producción de biogás en cualquier digestor. Existen diferentes rangos de
temperatura de funcionamiento, entre los que tenemos mesofílico y termofílico que son los
más comunes utilizados en digestores en El Salvador. Se ha establecido por lo general
que a mayor temperatura, se logra mayor productividad, aunque se necesita que se
reúnan otras condiciones o parámetros especiales de funcionamiento.
La temperatura ya sea alta o baja se deberá mantener lo más constante posible, ya que
las fluctuaciones perjudica en gran medida la acción bacteriana que se desarrolla dentro
del tanque y que es responsable de la fermentación.
La forma más sencilla para lograr que la temperatura dentro de un biodigestor se
mantenga constante día y noche, es construirlo enterrado, aprovechando así la propiedad
natural aislante de la tierra.
Es necesario hacer mediciones periódicas de la temperatura dentro de un reactor, lo cual
se puede realizar mediante la instalación de una termocupla, llevando así, una bitácora de
las temperaturas registradas verificando que no existan cambios bruscos que afecten la
productividad de la bacterias y que lleguen incluso a morirse.
3.2.6 Temperatura de llama
La temperatura de llama creada por una mezcla de combustibles es importante para
diagnosticar el desempeño de todo tipo de sistemas de combustión. En la operación de
calderas, la temperatura de llama es por lo general un buen indicador de su eficiencia
térmica. La temperatura teórica de la llama del biogás es una mezcla estequiométrica con
aire, incluyendo disociación la cual se da a 3849 °F (2120.56 °C). Sin embargo la
temperatura teórica de la llama disminuye por las siguientes razones:
- Presión atmosférica
- Perdida de calor hacia la atmosfera (Flama adiabática)
- Porcentaje de oxigeno contenido en la atmósfera.
- El combustible que está siendo quemado.
- Cualquier tipo de oxidación en el combustible
- Temperatura de la atmósfera.
- Humedad relativa
- Como el proceso de combustión se está dando desde el punto de vista
estequiométrico, asumiendo que no existe disociación, se obtendrá la más alta
temperatura de llama. Cualquier exceso de aire/oxígeno bajará dicho valor, así como la
insuficiencia de aire/oxígeno.
El proceso de medición de la temperatura de llama, se da mediante la utilización de
termómetros especializados. A continuación se muestra (Fig. 3.10) la temperatura teórica
de la llama del biogás en función del porcentaje de metano CH4 por volumen y de la
concentración de vapor de agua contenido en el biogás, y en donde teóricamente se
puede determinar la temperatura de la llama generada si se conoce el porcentaje de
metano CH4 contenido en el biogás.
Figura 3.10 Temperatura teórica de la llama del biogás en función del porcentaje de
metano CH4 por volumen
4.0 JUSTIFICACION
Nuestro proyecto se basa en la generación de biogás aprovechando los desechos
producidos por la ciudadanía del municipio de Santa Tecla.
El municipio de santa tecla por ser un municipio con gran población viviendo en la zona
urbana, genera enormes cantidades de basura orgánica como inorgánica.
La alcaldía municipal de Santa Tecla posee una planta de tratamiento de desechos
forestales la cual actualmente es utilizada para el compostaje, dicha planta posee una
capacidad instalada de procesamiento de 11 toneladas de desechos diarias. Actualmente
se están tratando solo 7 toneladas en promedio por día las cuales son las que en nuestro
proyecto queremos utilizar para la generación de Biogás.
Estos datos nos los ha proporcionado el Ing. Jorge Serrano el cual es el encargado del
departamento de saneamiento ambiental de la alcaldía.
En una visita que realizamos se pudo constatar la ubicación y la cantidad de desechos
que se tienen. A continuación presentamos unas fotografías de la visita realizada.
4.1 Porque utilizar desechos forestales?
Esta respuesta es simple de contestar ya que es debido a que la alcaldía cuesta ya con
este predio destinado al tratamiento de desechos forestales el cual es bien visto hacia su
explotación no solo como abono sino de el ámbito energético como nosotros lo
planteamos en este estudio.
Fig 4.1 planta de compostaje santa tecla
Fig. 4.2 planta de compostaje santa tecla
4.2 RESIDUOS FORESTALES
Los residuos de procesos forestales son una importante fuente de biomasa que
actualmente es poco explotada en el área centroamericana. Se considera que, de cada
árbol extraído para la producción maderera, sólo se aprovecha comercialmente un
porcentaje cercano al 20%. Se estima que un 40% es dejado en el campo, en las ramas y
raíces, a pesar de que el potencial energético es mucho mayor, y otro 40% en el proceso
de aserrío, en forma de astillas, corteza y aserrín.
La mayoría de los desechos de aserrío son aprovechados para generación de calor, en
sistemas de combustión directa; en algunas industrias se utilizan para la generación de
vapor. Los desechos de campo, en algunos casos, son usados como fuente de energía
por comunidades aledañas, pero la mayor parte no es aprovechada por el alto costo del
transporte
La biomasa forestal es la que procede del cultivo de madera mediante prácticas silvícolas,
de los restos de la madera y de la limpieza de los montes.
4.2.1 Biomasa forestal
La procedente de prácticas silvícolas (selección de brotes y cortas sanitarias) y la que se
aprovecha de los restos de madera (ramas y cortezas, raberones y tocones o (raíces)).
Según el tamaño de la partícula de biomasa forestal, ésta puede ser a granel (entera),
pre-triturada, triturada o astillada.
4.3 APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA FORESTAL
Uno de los grandes aprovechamientos y ventajas que se obtienen de la utilización de los
desechos forestales es: regenera montes degradados y protege bosques naturales, lo que
retiene millones de toneladas de CO2 contribuyendo así de forma activa a la lucha contra
el cambio climático.
Más de la mitad del CO2 emitido se debe a la generación de electricidad y a los medios
de transporte.
Los gobiernos e instituciones internacionales tratan de impulsar medidas que reduzcan los
llamados Gases Efecto Invernadero (GEI) y de promoción de las energías renovables.
La producción de energía mediante biomasa forestal presenta ventajas ambientales,
sociales y de eficiencia energética que la hacen única respecto a otras energías
renovables.
4.3.1 Cambio climático, sostenibilidad y ventajas de la biomasa forestal
El cambio climático, motivado en gran medida por el aumento de las emisiones
producidas por el mayor consumo de energía en el planeta, es una preocupación mundial.
Más de la mitad del CO2 aportado a la atmósfera procede de la generación de electricidad
y del transporte, dos sectores en los que se están fomentando las alternativas más
ecológicas como la biomasa y el biodiesel.
Los gobiernos e instituciones internacionales tratan de impulsar medidas que reduzcan los
llamados Gases Efecto Invernadero (GEI).
4.3.2 La biomasa forestal como fuente de energía
Específicamente, la producción de electricidad mediante biomasa forestal presenta tres
grandes ventajas que la hacen única respecto a otras energías renovables:
Es la fuente renovable más beneficiosa para el medio ambiente y multiplica la
reducción de emisiones frente a los combustibles fósiles.
Dado que se puede cultivar y potenciar su desarrollo productivo, es la fuente
renovable que más empleo genera por unidad de energía producida y su cultivo
permite la creación de riqueza y cohesión social, especialmente en ámbitos y
zonas rurales degradadas, proporcionando así una alternativa al empleo agrícola.
Es la fuente renovable más estable de todas, capaz de producir energía las 24
horas del día: no depende de que haga viento, luzca el sol o fluya el agua, es más
barata de producir, y nuestro país tiene unas condiciones únicas para su
desarrollo, lo que contribuiría a reducir las importaciones energéticas.
4.3.3 Ventajas Ambientales
Más allá de las ventajas ambientales derivadas de la gestión forestal sostenible, la
biomasa forestal como fuente de energía da respuesta a cuatro demandas ambientales
directamente relacionadas con las prioridades actuales de la Sociedad:
• Cumplimiento de los objetivos ambientales fijados internacionalmente.
• Captura masiva de emisiones de CO2.
• Reducción de incendios en nuestros montes y su reforestación.
• Reutilización de residuos forestales, agrícolas e industriales.
4.3.4 Captura masiva de emisiones de CO2
La biomasa presenta un balance positivo en captura de emisiones de CO2.
Las plantaciones de cultivos forestales actúan como sumideros masivos de CO2.
El CO2 emitido en la generación de energía es menor que el captado de la atmósfera
previamente por los cultivos forestales.
Además, el proceso de captura de CO2 es especialmente eficiente en cultivos forestales
energéticos.
Por otra parte, el ciclo completo de emisiones de CO2 en la construcción y operación de
una planta de biomasa es más favorable que el de otras renovables.
4.3.5 Reducción de incendios y reforestación
La gestión forestal sostenible, específicamente la relacionada con la recogida y limpieza
de la biomasa que se acumula en los bosques, proporciona tres ventajas de gran valor
ambiental:
• Reducción del peligro de incendios.
• Mejor utilización de los espacios.
• Apoyo a la regeneración natural de la masa principal.
• Menor riesgo de plagas forestales.
• Mejora de la calidad del arbolado.
4.3.6 Reutilización de residuos forestales, agrícolas e industriales
Asimismo, y respecto al tratamiento de residuos forestales, industriales, agrícolas,
agropecuarios y agroindustriales, el aprovechamiento de la biomasa repercute en:
• Reducción de vertidos y quemas incontroladas de residuos agrícolas.
• Cierre de la cadena monte-industria, eliminando residuos por falta de mercado o
carencia de tecnología, lo que resuelve los problemas de acumulación y eliminación.
• Menor riesgo de contaminación.
• Reducción de la contaminación visual.
• Aprovechamiento de residuos tras su transformación en el proceso de producción
energética.
• Reducción de costes de tratamiento industrial.
• Puesta en valor del bosque.
5.0 DETERMINACION DEL POTENCIAL TEORICO DEL BIOGAS
Es común encontrar en la literatura diversas definiciones sobre el concepto de potencial
energético de la biomasa. En este texto los potenciales se clasificarán según la
probabilidad de su utilización de acuerdo a lo mostrado en la Figura 3. El potencial
teórico está determinado por la cantidad total de biomasa que es producida o generada
en forma de residuos sin considerar restricciones técnicas o económicas. El potencial
disponible corresponde a la cantidad de biogás que es posible de producir a partir de la
biomasa efectivamente disponible, aplicando restricciones a la capacidad de recolección,
uso alternativo, etc. El potencial técnico corresponde a la energía eléctrica y térmica que
es posible de generarse a partir del biogás producido, aplicando restricciones tecnológicas
A la conversión, fundamentalmente en términos de eficiencias eléctrica y térmica de los
equipos de cogeneración. El potencial económico está determinado por la cantidad de
energía que puede ser producida en condiciones de rentabilidad económica.
Corresponde, entonces, a la fracción del potencial técnico que es factible
económicamente de ser producido. Este potencial depende de numerosos factores, tanto
locales y regionales, como específicos de proyecto y sólo puede ser calculado para un
lugar con sus condiciones especificas. El potencial implementable es aquel que, siendo
económicamente factible, es posible de ser implementado, aplicando restricciones
respecto del marco legal vigente, logísticas y de otro tipo. Eventualmente, el potencial
implementable puede corresponder
Al potencial económico.
Fig 5.1
En este apartado se estimará el potencial teórico de biogás, que es el que corresponde a
la metanización de toda la materia orgánica disponible estimada.
Dependiendo de la información disponible, estos factores están en términos de
productividad por unidad de materia orgánica.
Biomasa Productividad Unidades % metano en biogás
Desechos forestales 270 M3/ton. de residuo 0.70
Como se puede observar de la tabla un metro cubico de residuo forestal tiene una
productividad de 270 m3 de biogás. Este biogás posee uno de los más altos porcentajes
de metano (70%).
Toneladas mensuales Volumen generado de biogás (m3)
210 59700
El potencial teórico que posee la cantidad de materia orgánica es de 59700 m3 de biogás
lo cual a continuación se hace un estudio de su mejor aprovechamiento.
El cálculo diario de este volumen generado sería el siguiente:
Vdiario = 59700/30 = 1990 m3
Esto refleja la producción diaria de biogás en m3 lo cual utilizaremos a continuación en el
cálculo del verdadero volumen producido por nuestra planta.
5.1 Productividad del metano
Para llevar a cabo nuestros cálculos para determinar el verdadero valor de metano
generado tomaremos como muestra un día, utilizamos ese debido tiempo y así también
utilizaremos de volumen de materia prima la cual se genera en 7 toneladas de desechos
orgánicos que aproximadamente son 3 metros cúbicos, también utilizaremos el dato de el
volumen de nuestro reactor el cual debe tener margen de respecto al volumen de materia
que le estaríamos introduciendo diariamente lo cual seria 3.5 metros cúbicos. De esto
partimos para el cálculo del verdadero potencial energético de nuestra planta de
generación de biogás. Los datos anteriores se pueden observar en la siguiente tabla.
Tiempo considerado (días) Volumen de materia prima
(m3)
Volumen de reactor (m3)
1 3 3.5
Distintos autores han presentado expresiones matemáticas mediante las cuales, se trata
de estimar la cantidad total de metano generado por diferentes restos orgánicos usados
como materia prima. Pero resulta necesario contar con información más específica
respecto del proceso de generación de biogás.
Productividad de metano.
Uno de los parámetros que permite evaluar la generación de metano a partir del proceso
de fermentación de la materia orgánica es la productividad de metano o productividad
metanoica (Weiland P. 1995). Este parámetro se define como la cantidad de metano
generado en la unidad de tiempo respecto de la materia dispuesta en el reactor.
La expresión matemática que permite calcular la productividad de metano de un
determinado resto orgánico en un tiempo determinado, es la siguiente:
Donde:
VCH4 es el volumen de metano generado
Vreactor es el volumen de materia dispuesta en el recinto fermentador
t es el tiempo considerado
Para nuestro caso en particular tendremos lo siguiente
PCH4 = 1990/3.5
PCH4 = 569 m3 de metano generados.
La producción de metano, tiene un límite y este depende fundamentalmente de la
naturaleza de la materia dispuesta en el sistema digestor. La fórmula que permite estimar
la máxima generación de metano para un producto determinado, es la siguiente:
VCH4 es el volumen de metano generado
Sorg.total es la cantidad de materia orgánica total utilizado en todo el proceso
Ahora calcularemos la cantidad máxima de metano que podemos generar en nuestra
planta
VCH4 = 1990/3
VCH4 = 664 m3
El Dr Schulz H. (1996) llevó a cabo un gran número de experiencias, para con el fin de
contar con mayor información sobre la duración de la digestión, que permite el
agotamiento de los sólidos volátiles, trabajando a diferentes temperaturas, según se
presenta en la Figura 5.2
Figura 5.2 Producción de gas a partir de la degradación de materia orgánica sometida a
diferentes temperaturas
La figura 5.2 muestra la cantidad total de gas producido por kilogramo de materia, para
diferentes temperaturas.
Respecto a esta serie de curvas, se observa que, conforme se incremente la temperatura,
la conversión de materia orgánica en biogás aumenta.
En todos los casos, la forma de las curvas se asemejan a la de una función exponencial, a
medida que aumenta el valor del tiempo, la curva crece hasta un t determinado para el
cual la generación de gas permanece constante.
La fórmula matemática propuesta que permita reconstruir la curva que describe la
producción de metano en función del tiempo, debe cumplir las siguientes condiciones:
La forma de la curva corresponde a una función exponencial.
La degradación de la materia responde a una función exponencial.
La expresión propuesta cumple con las siguientes condiciones iniciales:
Cuando t = 0 la producción de metano es nula
Cuando t = infinito la producción de metano toma el máximo valor posible, es decir
la máxima cantidad de metano que puede generar el resto orgánico que se
encuentra dentro del fermentador.
De lo anterior expuesto podemos resumirlo en la siguiente tabla:
Volumen de metano (m3) Volumen máximo de metano (m3)
569 664
De estos datos utilizaremos el de la producción máxima de metano ya que nuestra
selección la debemos hacer a partir de nuestros valores críticos.
6.0 OPCIONES DE APROVECHAMIENTO DE ESTE BIOGÁS
6.1 ¿QUÉ ES EL BIOGÁS?
El biogás como la palabra bien lo define, es un gas generado a partir de un proceso
biológico.
Actualmente, el biogás es producido por la digestión anaeróbica, que es un proceso
tecnológico simple, con bajos requerimientos energéticos, en el que se fermenta materia
orgánica de un gran rango de tipos (excrementos animales, desechos vegetales y
agrícolas, aguas negras y residuales de industria, entre otros)
Pero… verdaderamente ¿qué es el biogás? como su raíz lo dice, es un gas, el cual es un
estado físico de la materia, y por tanto su comportamiento es diferente a un sólido o a un
líquido. Como cultura general, es común escuchar que el biogás contiene metano, pues
es gracias a este compuesto que el mismo tiene características inflamables. Además de
metano (CH4), también contiene dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S),
agua (en forma de vapor) (H2O), restos de hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), amoniaco
(NH3) y oxígeno (O2). Todos los gases combinados forman el biogás. El metano,
pertenece a la familia de los hidrocarburos. Algunos dicen que es “primo hermano” del
propano (gas que muchos hogares e industrias utilizan a diario); su diferencia es en 2
átomos de carbono y 4 de hidrógeno. Por tanto, tiene propiedades inflamables, mientras
que los otros gases (CO2, H2O, H2S, y otros) simplemente influyen en la dilución del
biogás.
Dicho en otras palabras, el contenido de energía en el biogás es dado por el metano y los
otros gases diluyen esta energía. En condiciones estándares, 1 m3 de metano (no de
biogás) es equivalente a 32.207 BTU o bien 9,47 kWh-1 de energía total. Suponiendo que
se tiene 1 m3 de biogás, en condiciones estándares, y éste contiene 65% (v/v) de metano,
su valor energético disminuye a 20.935 BTU o 6,15 kWh-1 .
Realizando algunas comparaciones energéticas, se tiene que 1 m3 de biogás, con 65%
(v/v) de metano, se compara con :
0,6 m3 de gas
natural
0,88 L de propano 0,63 L de gasolina 1,61 kg de leña
seca
Tabla 6.1 comparación del metano con otros combustibles
Conocer la composición del biogás y sus características físicas, es clave para determinar
la mejor forma de aprovecharlo. Además de las características mencionadas
anteriormente, existen otras particulares del biogás, tales como la velocidad y temperatura
de la flama, el límite de flamabilidad; todas estrechamente relacionadas a poder utilizarlo
en motores de combustión interna.
6.2 APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS PARA ENVASADO (LBG)
El biogás contiene una gran proporción (aproximadamente 40% en volumen) de dióxido
de carbono, un gas combustible más pesado y una fracción de sulfuro de hidrógeno. Por
lo tanto, es necesaria para enriquecer biogás mediante la eliminación de estos gases
indeseables para ahorrar energía de compresión y el espacio en la botella y el efecto
corrosivo, que se puede hacer mediante lavado. El sistema de lavado se encuentra a
enriquecer metano alrededor del 95% o más, dependiendo de la entrada de biogás y la
inyección de agua presión. Biogás puede ser utilizado para todas las aplicaciones
diseñadas para el gas natural, suponiendo purificación suficiente.
El Enriquecido biogás se hace libre de humedad haciéndola pasar a través de filtros,
después de lo cual se comprime hasta 200 bar de presión con un compresor de tres
etapas .El gas comprimido se almacena en cilindros de presión de acero de alta tal como
se utiliza para el GNC. Existe un gran potencial de esta tecnología en los autobuses,
tractores, coches, bomba de riego y en las industrias rurales. Esto ayudará a cumplir con
nuestra demanda de energía para las masas rurales reduciendo así la dependencia de la
combustibles de gran valor e insuficiente, como el petróleo.
6.2.1 EL BIOGÁS (LBG) PURIFICACIÓN Y EMBOTELLADO
Breve descripción y funcionamiento El proceso consta de dos partes:
I parte se refiere en la separación de impurezas tales como el dióxido de carbono de
humedad, y sulfuro de hidrógeno y la generación de metano puro a partir del biogás.
II parte se ocupa en el filtrado, la compresión y el llenado de metano en una botella de
gas es decir, un dispensador de GNC por lo que es adecuado como un combustible del
motor CI.
El biogás es un sistema económico, renovable y un combustible ecológico. El biogás se
produce en un digestor anaeróbico es decir, un planta de gas. El biogás en su ser natural
consiste en la humedad, dióxido carbono, sulfuro de hidrógeno y metano. El metano tiene
un alto valor calorífico en su fase pura. Debido a la presencia de impurezas biogás se
convierte en una muy combustible de bajo poder calorífico y por lo tanto se encuentra una
aplicación muy limitada a pesar de que es barato y fácilmente disponible.
Tenemos que extraer el metano puro y de alto poder calorífico del combustible de bajo
valor calorífico del combustible biogás para convertirlo en combustible adecuado para un
motor de combustión interna o uso domestico. Una vez metano puro se encuentra
disponible en la calidad y cantidad adecuada se encuentra una amplia gama de
aplicaciones la ejecución de un aceite del motor, la conducción de un motor de un coche
motor a operar una turbina de gas para generación de energía rural.
Gas tratado es presurizado con la ayuda de un compresor primario. Los filtros montados
drenar toda la actualidad la humedad y la compresión de aceite puesto actual.
El gas limpio es presurizado que pasa a través de un dispositivo de separación física. El
dispositivo de separación física es un diseño especial de alta presión moderna combinada
dispositivo de flujo direccional para la limpieza de biogás de la misma alta impurezas.
Un dispositivo de medición se coloca después de los filtros para medir la cuantía de gas
metano limpio recogido en la recolección tanque.
II ª parte
Esta parte el proceso se ocupa ahora en el embotellado de este gas metano en una
botella limpia GNC estándar. Combustible Gaseoso genera la máxima eficacia cuando se
inyectan en cualquier convertidos a GNC motor de combustión interna u uso domestico
con la deseada presión constante.
El gas metano es llevado a cada una de las 3 etapas de alta presión del compresor.
El compresor comprime el gas desde
a) la Atmósfera de 10Kg/cm2 en la fase I
b) 10Kg/cm2 de 60Kg/cm2 en la etapa II
c) 60Kg/cm2 de 250Kg/cm2 en la fase III
Esta presión se considera adecuada para llenar un botellero CNG. Este GNC que se
puede conectar a un dispensador GNC estándar. Ahora bien, este gas purificado está
listo para ser usado como combustible en un vehículo de motor, o ejecutar una Turbina de
gas o CNG convierten cualquier motor de combustión interna conectada a un alternador
para producir electricidad.
Hemos cambiado el nombre este biogás purificados como LBG - Biogás licuados.
6.2.2 CASO DE EMBOTELLAMIENTO EL BIOGÁS EN CILINDROS
Para tener más recipientes para envasado en cilindros, la energía por unidad de volumen
de biogás, el contenido de dióxido de carbono en el biogás debe ser eliminado.
Estudio de viabilidad sobre el biogás embotellado
El sulfuro (HS) contenido puede deteriorar el sistema de compresión desarrollado para el
embotellado de biogás debido a la propiedad corrosiva. Con una capacidad de la planta
de 664 m3/Dia biogás. Existen varios métodos para la eliminación del dióxido de
carbono (CO2) los dos componentes para la absorción de la eliminación en el agua, es
decir, de absorción utilizando productos químicos, con oscilación de presión de adsorción
y la membrana de eliminación de CO C por separación del agua de lavado.
Para compresión del biogás purificado en cilindros, la absorción de CO en el agua es
simple, rentable, el método ecológico y práctico para la composición del biogás se supone
que tiene un 60% de eliminación de CO biogás en las zonas rurales.
Considerando 75% de eficiencia en el proceso de la planta y, simultáneamente, elimina
también HS. La eficiencia (en cuenta los factores estacionales y de otro tipo) es el
método más popular de biogás a base de lodos de aguas residuales disponibilidad de gas
promedio será de 514 m3/dia.
Supuestos:
1) Capacidad de la planta -. 664 m3/dia
2) Eficiencia de la planta - el 75%.
3) Generado de gas – 514 m3/dia
La energía requerida para la purificación:
1.) Para el bombeo y presurización de agua a 1200 kPa 0,7 kW
2.) Para presurización del gas a 1000 kPa. La energía requerida 0,5 kW
3.) La energía necesaria la eficiencia al 80% de 0,7 kW
La energía necesaria para la compresión:
1) La energía requerida - 0,9 kW.
2) La energía requerida en el 80% de eficiencia -. 1,1 kW
Estimación de los cilindros llenos de gas comprimido:
1) Total de gas purificado disponible en NTP - 514 m3/dia
2) Número de cilindros llenos en un día - 95 cilindros
3) Peso de gas en un cilindro lleno de - 3,5 kg
6.2.3 BIOGAS DE ENERGÍA BASADA EN SISTEMA DE GENERACIÓN
La tecnología del biogás constituye una fuente alternativa de energía, principalmente a
partir de desechos orgánicos. Se produce cuando bacterias degradar materia orgánica en
ausencia de aire. El biogás contiene alrededor de 55-65% de metano, un 30-40% de
dióxido de carbono y pequeñas cantidades de hidrógeno, nitrógeno, monóxido de
carbono, oxígeno y sulfuro de hidrógeno. La el valor calorífico del biogás es
sensiblemente alta (alrededor de 4700 kcla o MJ 20 en torno al contenido de metano del
55%). el gas puede ser utilizado eficazmente para la generación de energía a través de
un sistemas generación de energía de biogás después deshidratación y la limpieza del
gas. Además, la suspensión producida en el proceso proporciona valiosa orgánica abono
para la agricultura.
Componentes de un sistema de biogás a partir de Generación de Energía (BPGS)
• Las plantas de biogás
• Sistema de limpieza de gas
• Motor con alternador
• Panel de control
• Máquina de habitaciones
• El manejo de los desechos orgánicos del sistema
6.2.4 ENRIQUECIMIENTO DE BIOGAS Y TECNOLOGÍA DE ENVASADO PARA USO
VEHICULAR
El biogás es ideal para aplicaciones rurales, donde desechos agrícolas son disponibles en
abundancia. El aprovechamiento de este recurso promueve las industrias rurales, la
agricultura, la lechería y la cría de animales en una manera sostenible. Esto también
aumentará el empleo en las regiones rurales y desalentar la migración a las ciudades. El
biogás es un ambiente agradable, limpio, barato y versátil de combustible. Es producido
por digestión anaerobia de degradable residuos tales como estiércol de ganado, los
residuos vegetales, las ovejas y los excrementos de las aves de corral, los residuos
sólidos urbanos, aguas residuales, los vertederos, etc
En la actualidad se utiliza principalmente para cocinar y para fines de iluminación en las
zonas rurales. El uso de biogás en motores estacionarios utilizados para diferentes
actividades agrícolas que está pasando. Su utilización es también accesible en los
automóviles, que se utiliza para fines de transporte por el enriquecimiento y la compresión
en los cilindros. El biogás se puede convertir en el GNC después el enriquecimiento y el
embotellado. Se hace igual que el GNC.
Composición del biogás, las propiedades y la utilización de GNC como Biogás
comprende de 60-65% de metano, 35-40% de dióxido de carbono, 0.5-1.0% de sulfuro de
hidrógeno y vapor de agua. Lo hace casi un 20% más ligero que el aire. Como gas
licuado de petróleo (GLP) no puede ser convertido a estado líquido bajo temperatura
normal. La Extracción de dióxido de carbono y comprimirlo en cilindros hace que sea
fácilmente utilizable para aplicaciones de transporte, por ejemplo vehículos de tres
ruedas, coches, furgonetas, etc recoger y también para aplicaciones estacionarias. Ya, La
tecnología de GNC se ha convertido fácilmente disponibles y por lo tanto, la bio-metano
(biogás enriquecido), que es casi el mismo como CNG, se puede utilizar para todas las
aplicaciones para las que se utilizan GNC.
6.3 Aprovechamiento del biogás para generación eléctrica local
Con la situación actual de alto precio de la producción de energía, con los combustibles
convencionales, y particular mente el alto precio de gas propano utilizado en la mayoría
de los hogares para la cocción de alimentos, además del alto precio de energía eléctrica,
la generación de biogás surge como una alternativa sostenible y amigable con el medio
ambiente, ya que reduce la emisión de gases de efecto invernadero, y también
proporciona una fuente de energía renovable.
Dado lo anterior, en la actualidad, poder convertir biogás en electricidad tiene cierta
facilidad. Existen variedad de métodos para hacerlo, pero este documento se concentrará
en los motores de combustión interna de chispa.
Figura 6.1 Partes de un motor de combustión interna
Se debe partir del concepto de que una PLANTA es una máquina que convierte un
combustible, tal como la gasolina, hidrógeno, o biogás, en electricidad. Una planta está
conformada por un motor de combustión interna (energía mecánica) y un generador
(energía eléctrica).
El motor de combustión interna, de manera muy general, está integrado por los pistones,
válvulas, bujías, cámara de explosión, bielas y el cigüeñal (Figura 1). Su funcionamiento
radica en introducir un combustible en la cámara de explosión, con una relación de aire:
combustible adecuada y realizar una explosión del mismo (gracias a la bujía-“chispa”).
Ésta impulsaría el pistón para abajo en forma lineal. Gracias a la biela que conecta el
pistón con el cigüeñal, esta energía mecánica lineal, se transforma en una energía rotativa
(Figura 6.2).
Ahora bien el generador, en términos muy simples, es un aparato que con-vierte la
energía mecánica rotativa, en electricidad. Un generador básicamente fuerza electrones
en la dinamo para crear una corriente continua (fenómeno de la inducción
electromagnética)
Figura 6.2. Esquema del funcionamiento de motor de combustión interna de chispa.
Por lo tanto, el biogás (en forma de metano), se convierte en energía mecánica, gracias a
un motor de combustión interna, y dicha energía mecánica, a través de un generador, es
convertido en electricidad.
Las variaciones en el tipo de combustible (gasolina, LPG, gas natural o BIO-GÁS), son
simples cambios en el estado físico del mismo, su poder calórico, requerimientos de aire
para la explosión, tipo de chispa, retardarte en la explosión, entre otros, pero la
generación de electricidad siempre se regirá bajos los mismos fundamentos. En otras
palabras, producir electricidad con biogás es como hacerlo con gasolina, la única
diferencia es el combustible.
El biogás, es un excelente combustible para motores de combustión interna
porque:
Tienen un alto rango de octanaje (poca probabilidad de auto ignición)
Deja poca o ningún depósito de carbono en los cilindros o pistones.
Se mezcla mejor con el aire (en comparación a un líquido-gasolina), resultando en
una mejor detonación en el cilindro.
Es mejor utilizar un combustible que opera en una histórica y no prehistórica, luz
solar.
6.3.1 Cantidad y calidad de biogás disponible diariamente o acumulado
Definitivamente, la cantidad de biogás que se logre producir diariamente estará
directamente relacionada con la electricidad que se genere (considerando que la
eficiencia del generador es la misma). Entre más biogás se produzca diariamente, más
electricidad se podrá remplazar y, por ende, los ahorros en electricidad serán mayores.
Aunque exista la posibilidad de la acumulación de biogás, (considerando que la cantidad
diaria no sea suficiente para lo que se requiere), La calidad del mismo, relacionada con la
concentración de CH4 (% v/v) que tenga, irá simplemente ligada a que se requerirá
menos biogás (volumétrica-mente hablando), si contiene más CH4
.
Lastimosamente, este punto está enlazado, en la mayoría de los casos, al tipo de sustrato
que se alimente el digestor. Por ejemplo, un biodigestor en una granja lechera produce
biogás con 60-65% CH4, mientras que una granja porcina lo hace con 75-85% CH4; esto
es por la diferencia en el tipo de excreta, y un sustrato de residuos forestales produce
biogás con 70-80%CH4.
Otro aspecto de la calidad es la concentración de H2S pues entre más contenga (como en
el caso de las granjas porcinas), necesitará de una mayor inversión para la limpieza del
biogás, que, por ejemplo, una granja lechera. La concertación de H2S, también depende
del tipo de sustrato (normalmente ligado al uso de concentrados). Algunos fabricantes de
plantas para biogás, recomiendan que el mismo entre a la planta con no más de 10 ppmv
o 0,001% .
Ahora para nuestro caso, que en la planta se reciben diario 7 toneladas de residuos y de
acuerdo a los cálculos anteriores el amximo de biogás generado es:
664m3
Para el cálculo del total de KWh que se puede generar en la planta de compostaje
del municipio de santa tecla es:
(664 m3 de biogás x (9,47 kWh-1/m3 de metano * 70% (v/v) de metano en el biogás x
25% eficiencia del generador) = kWh-1)= 1100.4 KWh-1
CONCLUSIONES
Al finalizar el estudio “Determinación del potencial energético de la planta de compostaje
ubicada en el municipio de Santa Tecla” podemos concluir que:
Existen posibilidades reales de conseguir importantes ahorros de energía a partir
de los desechos forestales simplemente evitando el despilfarro de sus propios
recursos, partiendo de los residuos que se producen en el sitio, por lo tanto es
necesario que cuando se piensa en una explotación del recurso forestal sea del
tipo que sea; se ha de diseñar correctamente para satisfacer las necesidades
energéticas existentes en la población
En cuanto a la generación de energía y al mismo tiempo el envasado de
combustible por el proceso de biodigestión podríamos afirmar que es una solución
ventajosa y se caracteriza por los siguientes aspectos:
Es un recurso renovable ya que todos los días se producen residuos.
Es una fuente importante de energía ya que en función del tipo de residuo y de su
contenido en fibra se pueden conseguir aproximadamente 270 m3 por tonelada de
residuo.
Ayuda a la conservación de la naturaleza evitando vertidos contaminantes malos
olores y algunas infecciones derivadas de la descomposición de los desechos al
aire libre.
Proporciona al terreno los elementos nutrientes necesarios y fácilmente
asimilables.
Para las áreas rurales aledañas puede constituir un factor primordial por tener la
oportunidad de producir en un lugar cercano tanto su energía como el biogás
envasado utilizado en el área de cocina según sea la demanda.
Si analizamos las circunstancias actuales con las constantes subidas de precios
de todos los productos derivados del petróleo y teniendo en cuenta que cada día
las reservas disminuyen, llegará un momento y no lejano que nos quedaremos sin
este tipo de energía; mientras estamos desperdiciando las energías que no se
pueden extinguir en el tiempo, puesto que son renovables y además las podemos
controlar a voluntad, por esta razón tenemos que ponernos a trabajar todos para
conseguir nuestro propio auto abastecimiento y no castigar mas este planeta en el
que vivimos, porque me da la sensación de que ya se está cansando y está
empezando a protestar.