DISEÑO CALCULOS DE UNA PLANTA DE BIOGAS

DISEÑO Y CÁLCULO DE PLANTAS PRODUCTORAS DE BIOGÁS EXPOSITOR: ING. ALDO JESÚS TORRES LÓPEZ

Introducción Dentro del desarrollo del curso se considera oportuno examinar las siguientes energía renovables: Solar, Eólica, Biomasa, Pequeños Aprovechamientos Hidroeléctricos, Geotermia y Energía de los Océanos CEDEGAS plantea la necesidad de dar un impulso a las energías alternativas o no convencionales en el ámbito del Uso Racional de la Energía. Los términos: no convencional o alternativo, pueden prestarse confusión. Por lo tanto, se propone para efectos de este curso, se denominen a estas fuentes: ENERGIAS RENOVABLES con las siguientes posibles definiciones: •Fuente de energía renovable es una fuente energética la cual se renueva •Energía derivada de recursos que son regenerativos o para propósitos prácticos no se agota.

Los residuos orgánicos, como pueden ser las basuras, las aguas fecales o los excrementos que se generan, son vistos en general como un problema del que hay que desprenderse. Pero, ¿si en lugar ser un problema se convierten en una forma ecológica de obtener energía como puede ser el biogás procedentes de los biodigestores?

ENERGIA DE LA BIOMASABIOMASICO

Energía Alternativa - Biomasa La biomasa está repartida en forma relativamente uniforme en el mundo.

La biomasa puede ser utilizada en forma descentralizada

Posibles biomasas son: •Madera y restos de madera •Limo de las plantas de tratamiento de agua •Deshechos de la agricultura y la pesca

Biomasa Primer combustible empleado por el hombre

Fue sustituida por combustibles de mayor poder calorífico (carbón mineral, derivados del petróleo,etc).

En los países desarrollados la biomasa es una de las fuentes de energía renovable más extendida y que más se esta promocionando. • • • • •

75%: Combustibles fósiles 12%: Combustión de madera 6%: Energía hidráulica 5%: Energía nuclear 2%: Otros

En los países en vías de desarrollo la biomasa es la principal fuente de energía primaria. Lo que provoca problemas ambientales.

En la actualidad el panorama energético a cambiado principalmente por la escasez actual de los combustibles fósiles. Esta escasez ha permitido el desarrollo y mejoramiento de sistemas de conversión y aprovechamiento de la biomasa. Biodigestor semicontinuo para el aprovechamiento energético de la biomasa.

El aprovechamiento de la biomasa se puede realizar en forma de combustibles líquidos o gaseosos.

Planta Danesa de Lintrup para la producción de biogás.

¿Qué es la energía de la biomasa? Es aquella que se obtiene a través del procesamiento de la misma a través de métodos directos o indirectos. La obtención de energía de la biomasa puede tener como fines específicos la obtención de calor o energía eléctrica.

La energía de la biomasa se obtiene del Sol a través de la fotosíntesis.

La fotosíntesis es un proceso de baja eficiencia (30%) 6CO2 + 6H2O + Energía solar → C6H12O6 + 6O2

Ciclo del carbono :

Preparación del PRE campos

Térmico

Consumo Final

Alimentación al biodigestor

Obtención del biogás Consumo Final

BIO-Fertilizantes Producto final

Eléctrico

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Fermentación de los residuos orgánicos Fermentación aeróbica: Precisan de oxígeno atmosférico o disuelto en el agua. La materia orgánica es fermentada a partir de un aporte energético, dando lugar a una reacción exotérmica. Se obtienen como productos finales CO2 y H2O. Fermentación anaeróbica: Este ciclo se desarrolla en ausencia de oxígeno molecular y precisa menor aportación energética, pero requiere mayor tiempo de reacción. La degradación de la materia orgánica es progresiva hasta llegar a obtener como productos finales CH4 y CO2.

¿Por qué la digestión anaerobia?

FACTOR PROCESO DE FERMENTACIÓN

CRECIMIENTO MICROORGANISMOS

CONDICIONES AMBIENTALES MICROORGANISMOS

OPERATIVIDAD

DEMANDA ENERGÉTICA

PRODUCTOS OBTENIDOS

PROBLEMAS DE OLORES

TRATAMIENTO AEROBIO

TRATAMIENTO ANAEROBIO

Degradación de la materia orgánica a CO2, H2O, nitratos, sulfatos, fosfatos y biomasa. En presencia de oxígeno molecular.

Degradación paso a paso de la materia orgánica a CO2, CH4, otros. Sin la presencia de oxígeno molecular.

Crecimiento muy rápido, poco tiempo de generación, gran producción de biomasa.

Crecimiento lento (metanogénicas), elevado tiempo de generación, poca producción de biomasa (fango).

Mucha diversidad de especies, con un amplio espectro de degradación, baja sensibilidad.

Mayor número de grupos de organismos, con condiciones ambientales contrarias, más sensibles a cambios ambientales.

Mayor estabilidad biológica que proceso anaerobio, lo que conlleva un menor control del proceso.

Biología más conflictiva que proceso aerobio. Necesidad de control del proceso.

Oxígeno necesario como receptor de hidrógeno, mayor demanda energética para aireación

No precisa Oxígeno como aceptador de hidrógeno, menor demanda energética (no aireación).

Compost

Al tratarse de un sistema abierto, los compuestos no generan problemas de malos olores.

Biogás como combustible y biofertilizantes (Biol.), (biosol).

Problemas de malos olores debido a la producción de H2S, generalmente el olor del biogás es como de un huevo podrido.

Procesos bioquímicos de la fermentación anaeróbica •

Familiarizarse con los procesos bacteriológicos de la digestión anaerobia y la producción de gas metano es básico para el diseño, construcción y operación de los biodigestores o plantas de biogás.

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Solubilización: Los compuestos orgánicos insolubles son transformados, por medio de la hidrólisis enzimática en compuestos orgánicos solubles de cadena de carbono más corta debido a la acción de microorganismos, es decir los polisacáridos se degradan en monosacáridos, las proteínas en aminoácidos, las grasas en glicerol, etc. Acidogenesis: Es la fase de producción de ácido. Los materiales solubles ingeridos por las células de los microbios son catabolizados para formar diversos ácidos grasos volátiles, gracias a la acción de una variedad de endoenzimas. Entre estos productos figuran principalmente los ácidos acéticos y también H2, CO2. Metanogénesis: En esta fase se da la formación del metano, principalmente componentes del biogás, con una proporción de 40 a 70% de metano (CH4), 30 a 60% de dióxido de carbono (CO2).

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Solubilización

Metanogenesis Acidogenesis

Proteínas

Aminoácidos (azucares)

Sustratos metanogénicos metaliminas, acetato) Productos Intermedios (acético, propanico, láctico)

Lípidos

Ácidos (alcoholes)

grasos

CH4 Polisacáridos

Monosacáridos

CO2

(metanol,

Características físico-químicas de la fermentación anaeróbica Temperatura: La influencia de la temperatura es muy importante, pues las velocidades de las reacciones bioquímicas son directamente afectadas por la temperatura, modificándose la tasa de producción de biogás. Criofílica: Los rangos son muy bajos (10° a 20° C) funcionan a temperatura ambiente en pequeños prototipos rurales (biodigestores), en vista de estos rangos tan bajos hay la necesidad de poner aislamiento como termas solares u otros aislamientos (ver tema IV). Mesofílica: Es la actividad anaeróbica más natural, estas son fáciles de conseguir sin la ayuda de ninguna fuente de calor auxiliar y en un medio ambiente (20° a 40° C). Las bacterias son más resistentes a los cambios de temperatura y la producción de gas es más, generalmente dentro del biodigestor la temperatura ideal es de 35°C. Termofílica: Es de alta eficiencia, pero no muy económica, desde el punto de vista de energía requerida para calentar y mantener el digestor dentro de un rango (de 40° a 60° C). Además la materia prima sería digerida más rápido, por lo que necesita mayor cantidad de desechos.

Características físico-químicas de la fermentación anaeróbica • Cuando hay aumento de las temperaturas se acelera el crecimiento de las bacterias metanogenicas y con esto la velocidad de producción del biogás. Trabajando en el rango termofílico se asegura además la higienización del digerido, puesto que se destruyen patógenos, se esterilizan las semillas, se eliminan las larvas y huevos de insectos, debido a la alta temperatura. Un aumento de la temperatura de digestión tiene el mismo efecto que un aumento del tiempo de retención del sustrato, por lo que mayor temperatura implicará un menor volumen del digestor. Tienen pues grandes ventajas pero requieren un mayor control y seguimiento, puesto que a altas temperaturas el nitrógeno amoniacal libre se convierte en inhibidor si éste está presente en gran cantidad en el sustrato, como sería el caso de las excretas de animales. Este factor puede eliminarse con la mezcla de residuos de diferentes orígenes. • Si la temperatura del interior del digestor está por debajo de los 15 °C, la producción de biogás será tan baja que la planta no será económicamente factible si este es el objetivo principal de construcción.

pH: Es uno de los factores más importantes para mantener una buena eficiencia del proceso, ya que nos indica las diversas reacciones que ocurre en el proceso. Se considera un rango óptimo de pH 6.5 a 7.5. La variación del pH en un ciclo de digestión indica que este obedece a un control óptimo que normalmente no necesita ajustes sino solo cuando la preparación de la materia prima es incorrecta o cuando el manejo del digestor es impropio. Las bacterias se desarrollan favorablemente en entornos neutros o ligeramente alcalinos. Dependerá del equilibrio del sistema amonio-amoníaco también, así que raramente se tomará este como indicador del potencial de producción de biogás o como medida de los ácidos presentes en el sustrato. Un digestor con alta concentración de ácidos volátiles precisará de alguna sustancia que incremente el valor del pH, que no deberá caer por debajo de 6.2 ni superior a los 7.5 puesto que crea un medio tóxico para las bacterias metanogénicas e inhibe el proceso. Proporción Carbono / Nitrógeno: La composición del sustrato, especialmente en las cantidades relativas al carbono y nitrógeno, es esencial para el proceso anaeróbico, para mantener la digestión en buenas condiciones de operación, es preciso que el sustrato contenga cantidades suficientes de nutrientes. Cuando la relación es muy pequeña (10/1) hay pérdida de nitrógeno asimilable, lo cual reduce la calidad del material digerido. Si la relación es muy amplia (40/1) se inhibe el crecimiento debido a la falta de nitrógeno, es decir, si hay demasiado carbono el proceso es muy lento; si existe excesivo nitrógeno este se perderá como amoniaco gaseoso, creando peligro de toxicidad y reduciendo el valor del biofertilizante. Una digestión óptima está entre 25/1 (mínima) y 30/1 (máxima).

Proporción Sólido-Líquido: Es el contenido de sólido total que se encuentra en la fermentación anaeróbica depende del sistema de digestión elegido. La cantidad de sólidos de entrada representa la humedad del afluente. Así un valor del 10% de ST significa una humedad de la corriente del 90%. Se requiere un menor volumen del digestor. ¿Cómo afecta al proceso de digestión? Si hay aumento de sólidos en suspensión del efluente: Hay un lavado de las bacterias aumenta lentamente la presencia de ácidos volátiles, la producción de gas disminuye lentamente. Tiempo de Retención: Se refiere al tiempo en que la materia orgánica se encuentra dentro del digestor. Depende del diseño del digestor en cuanto a temperatura de trabajo y mezclado del contenido, así como el tipo de biodigestor. En un sistema semicontinuo se tiene un tiempo aproximado de (100 días), en sistemas continuos el tiempo de retención es aproximadamente de (10 días). A un tiempo corto de retención se produce mayor calidad de biogás pero un residuo de baja calidad.

Tóxicos: Son sustancias que a partir de una cierta concentración inhiben las bacterias, reduciendo la velocidad de reacción, y llegan a interrumpir la digestión en concentraciones mayores. Aún así, puede existir en un cierto entorno aclimatación por parte de las bacterias a una cierta concentración de sustancias tóxicas. DQO/DBO: La demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda biológica de oxígeno (DBO) son parámetros que representan indirectamente el contenido de materia orgánica de un residuo a través del oxígeno necesario para oxidar químicamente (DQO) o biológicamente (DBO) la materia orgánica. La carga orgánica introducida en un digestor es la cantidad máxima asimilable que tiene el digestor, medido en Kg, DBO o VS / m3 de digestor. Los sólidos volátiles (SV) representan la materia orgánica de la muestra, medida como el contenido sólido menos el contenido de cenizas resultantes de la combustión completa.

Tecnología de los biodigestores El digestor es un depósito completamente hermético, es decir sin presencia de oxígeno dentro de su área de fermentación y esta compuesto de una serie de componentes como gasómetro, tanque de Biol., tuberías, accesorios entre otros. Los desechos urbanos o naturales (sustratos orgánicos biodegradables) son digeridos, en otras palabras son reducidos o degradados a elementos más simples de gran utilidad como son el biogás y los biofertilizantes (Biol. y Biosol). Al conjunto de digestor, gasómetro, tanque de Biol. se le denomina biodigestor, que puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico.

Características esenciales para la implementación de un biodigestor

Existen zonas del mundo dónde la única fuente de energía de la población es la madera. Esto ha provocado en algunos países problemas graves de deforestación, como podría ser el caso de Bolivia, Colombia y Perú. Como respuesta a esta situación, han surgido organizaciones para promover en estos países el uso del biogás. Para que un biodigestor de desechos orgánicos opere en forma correcta, deberá reunir las siguientes características: Deberá de ser totalmente hermético con el fin de evitar el ingreso de oxígeno ya que interfiere con la producción y fugas de biogás.

Deberá estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de temperatura en climas fríos menores a temperaturas ambientales, una manera es construirlos enterrados (biodigestores chinos) o también podrían ser aislados quizás con lanas de oveja. Deberá contar con medios necesarios para efectuar la carga y descarga del sistema de digestión como lampas, recipientes de almacenamiento, etc. Los sistemas de digestión deberán tener acceso para el mantenimiento que se realizara según el tiempo en que se termine el biogás, quizás una compuerta en el digestor.

Sistema de digestión: Un sistema de digestión, es una planta de tratamiento de biomasa residual, que tiene por finalidad evitar la contaminación ambiental. Una de las clasificaciones, es por la forma de llenado: a) Carga Semi-Continua: Este modelo es de carga intermitente; la frecuencia de carga la determina el usuario. Son depósitos cerrados herméticamente que se abren para cada carga y descarga. Son fáciles de construir y operar. Son los mas efectivos produciendo lodos completamente estabilizados para un mejor uso como fertilizante. b) Carga Continua: Se trata de un sistema abierto, la solución nutritiva se añade continuamente en una cantidad equivalente de solución (nutrientes, con los microorganismos). Tienen un sistema de alimentación y un sistema de salida diferencial, el cual permite operar sin abrir el tanque de fermentación. Son generalmente para el tratamiento de aguas residuales, en consecuencia son plantas grandes, lo cual se emplea equipos comerciales para alimentarlos, proporcionarles agitación y calefacción. c) Carga por Lote (Batch): Estos tipos de digestores solo son cargados una vez en forma total y la descarga se realiza terminada la producción con biogás. Generalmente son tanques con una salida conectada a un gasómetro flotante, donde finalmente es almacenado el biogás. Por la facilidad de la construcción del sistema, la sencillez en el proceso de digestión, la alimentación del digestor, mayor producción de biogás, el sistema batch más usado es el digestor “OLADE-GUATEMALA”.

Tipos de biodigestores Digestor de Cubierta Fija o Tipo Chino:

También es conocido como planta de cúpula fija, este tipo de biodigestor fueron creados en la República Popular China el cual tiene una gran experiencia en la producción y utilización del biogás. La construcción de más de ocho millones de biodigestores la han ubicado a la vanguardia de la tecnología del biogás para el medió rural. Este tipo de biodigestor posee una estructura altamente resistente, lo que permite ahorrar materiales de construcción, se puede construir en diferentes capacidades desde 6 a 20m3 de volumen según la aplicación y los costos para dicha construcción. Esta es la tipología de planta más sencilla de explotación debido a que no tiene partes móviles, tiene un diseño muy compacto que ahorra espacio, está bien aislada térmicamente. La construcción es laboriosa y necesita mano de obra con cierta preparación, así como técnicos experimentados en el tema que hagan la supervisión adecuada, debido al hecho que la parte superior deberá ser estanca al gas. Este hecho favorece la creación de empleo local durante la fase de construcción. La cúpula debe ser estanca al gas para su correcto funcionamiento, puesto que debe almacenarlo sin pérdidas , por lo que se hace compleja su construcción, aumentando el coste. Ni el hormigón ni el cemento ni la albañilería son estancos al gas.

Digestor de Cubierta Fija o Tipo Chino: Tiene una vida útil muy larga, que puede ser de 20 años o más, según el cuidado que se le pueda dar, por lo que los costes de amortización de la planta serán relativamente bajos. Cuando la producción de gas empieza, se desplaza el sustrato a la cámara de expansión, acumulándose el gas en la cúpula. La presión aumenta con la acumulación del gas. La presión del gas viene dada por la altura de sustrato acumulado en la cámara de expansión. La generación de gas será igual que en un digestor de cúpula flotante, siempre que se asegure la estanqueidad al gas. Su uso no será tan efectivo, puesto que la presión del gas dentro del recinto fluctúa en función del consumo y la producción, por lo que la red de gas presentará oscilaciones que pueden dificultar su uso. La mejor solución en este caso es la instalación de un depósito acumulador intermedio y dotado de regulador de presión. Los digestores de cubierta fija tienen como principales parámetros de elección de materiales de construcción: • Adaptación técnica - estabilidad, estanqueidad a los líquidos o gases. • Relación coste – efectividad. • Disponibilidad de materiales a la región y costes de transporte. • Disponibilidad de trabajadores familiarizados con los materiales específicos de construcción

Elementos del biodigestor chino: Tiene un canal de entrada construida en forma inclinada para facilitar la entrada de los materiales de fermentación. Una cámara de fermentación y de almacenaje de gas, donde se forma y almacena el biogás y esta unido al canal de entrada y de salida. Un canal de salida, para sacar el lodo digerido . El tanque de presión de gas que está sobre la cubierta de cámara de fermentación y esta unido con el canal de salida a través de una abertura en el fondo. Cuando la presión del gas dentro del tanque de fermentación es mayor que la presión atmosférica, el nivel del líquido en la cámara de fermentación desciende y expulsa este hacia la cámara de salida entrando a través de la abertura al tanque de presión de agua. Cuando el gas es usado la presión es baja, y el liquido regresa a la cámara de salida. Cuando la presión del gas es igual a la presión atmosférica los niveles del líquido en la cámara de fermentación y en los canales de entrada y salida serán iguales. Así la presión del biogás dentro del tanque de almacenamiento, se mantendrá constante por medio de un ajuste automático. Un tubo de salida de gas que está ubicado encima de la cobertura de la cámara de almacenamiento de gas. Este modelo tienen además un tanque de lodos digeridos adaptado, al lodo del canal de salida para regular la salida de los lodos libre del líquido fecal superior. La parte inferior del tanque adaptado es un poco más alta que la puerta del tanque de fermentación y tiene una pared con un hoyo pequeño de desbordamiento en la parte inferior de este.

MANÓMETRO

ENTRADA

MÁXIMA DIFERENCIA ENTRE NIVELES DE LÍQUIDOS

TUBERÍA DE DISTRIBUCIÓN

CUBIERTA REMOVIBLE

SALIDA NIVEL DE TIERRAS

NIVEL MÁS ALTO

ALMACENAMIENTO DE GAS NIVEL MÁS BAJO

LÍQUIDO FERMENTADO

Alimentación Periódica del Biodigestor chino • La nueva alimentación deberá realizarse 30 días después del cargado inicial retirando al mismo tiempo una cantidad similar de Biol. Posteriormente, el reemplazo y la remoción deberán hacerse diariamente. • Terminada la alimentación periódica, se debe agitar la mezcla interior del biodigestor introduciendo un palo largo por el canal de entrada y así removiendo en forma circular y de arriba hacia abajo.

Ventajas y desventajas de los biodigestores chinos VENTAJAS

DESVENTAJAS

Bajo costo de construcción.

Formación de natas en la superficie de la cámara de fermentación la que no permite el libre paso del gas.

Apropiado para pequeños fincas agrícolas.

Hay variaciones en la presión interna.

Procesa residuos vegetales combinados con estiércol (preformados).

No es muy conveniente para zonas sísmicas.

Apropiado para climas fríos.

No posee sistema de agitación.

No posee partes móviles en comparación con otros biodigestores.

La producción de biogás no es lo mismo cada día.

No posee partes metálicas que se puedan oxidar.

En muchos casos se ha visto que estas plantas no están bien selladas y puede suceder que se presenten porosidad y grietas.

Larga vida de duración (20 años).

La producción de biogás es mínima.

Digestor de cúpula flotante o tipo hindú Como su propio nombre lo indica, el biodigestor hindú fue un modelo creado y desarrollado en la india y se caracteriza por englobar en un solo conjunto la cámara de fermentación y el gasómetro. Consiste en un digestor subterráneo y una parte móvil superior que sirve de almacén de gas. La cúpula de gas flota directamente sobre el sustrato en digestión o en una película acuosa, disponiendo de algún tipo de guía externa para evitar las desviaciones en la trayectoria de la cúpula y que a la vez permita retirar el tambor flotante para hacer el mantenimiento. El gas se almacena en la cúpula, desplazándose esta hacia arriba cuando se acumula y hacia abajo cuando el biogás se consume, así que el nivel de la cúpula dependerá del biogás almacenado. La cúpula puede desplazarse directamente sobre el lodo que está siendo digerido o bien en una película acuosa. Si se hace la película acuosa, la cúpula no quedará encallada, aún tratándose un sustrato con alto contenido en sólidos, y el aumento del coste de la construcción es muy modesto. Tenemos a la vez una apariencia más estética de la planta, mejorando las condiciones higiénicas. Se recomienda el uso de esta película si se tratan excretas humanas.

Digestor de cúpula flotante o tipo hindú La presión de acumulación del gas es constante en este caso por el propio peso de la cúpula, y elimina los problemas descritos en el apartado anterior, haciendo más fácil el uso posterior del biogás. Esta tipología de digestor permite conocer fácilmente en todo momento la cantidad disponible de gas en función de la posición de la cúpula.

El tamaño usual de este tipo de plantas depende de si es de uso familiar, de tamaño pequeño o medio (5 y 15 m3) o de si son de uso comunitario o gran escala (20-100 m3).

Ventajas y desventajas del biodigestor hindú VENTAJAS

DESVENTAJAS

Volumen de biogás almacenado muy visible – medición de la cantidad de biogás producido.

Costo elevado de la cúpula.

Presión de biogás constante.

Susceptibilidad a la corrosión.

Construcción relativamente sencilla.

Mantenimiento de las partes móviles.

Tiene como componente adicional un removedor de natas.

Mayor calificación de mano de obra.

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El tiempo de vida de estos es de 15 años como máximo y solo 5 años en zonas tropicales costeras muy agresivas, por ello mas costo y menos vida, la amortización será superior de cúpula fija.

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El digestor se construye usualmente con ladrillos, hormigón o de mortero de caliza y yeso. La cúpula consiste normalmente en planchas de acero de 2,5 mm de espesor para los laterales y de 2 mm en la parte superior. Deberá de protegerse el tambor flotante contra la corrosión. Las pinturas que pueden usarse pueden ser oleosas o con disolvente, sintéticas o plásticas, bituminosas, aplicándolas en un mínimo de dos capas preliminares y una capa final. Si el color de la cúpula es oscuro o rojizo se incrementará la producción de gas por el aumento de la temperatura del digestor con la radiación solar. Si se usa otro tipo de material para la cúpula deberá asegurarse la estanqueidad al gas con una capa de pintura especial.

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Se puede sustituir el tambor flotante por una lona que almacene el gas, pero esta tendrá una vida útil más corta, resultando muy susceptible a las agresiones externas. Una vez finalizada su función se convertirá en un residuo inorgánico de difícil tratamiento y disposición.

FILTRO DE SULF HÍDRICO GASÓMETRO

CÁMARA DE CARGA CÁMARA DE DESCARGA

CONDUCTO DE DESCARGA

CONDUCTO DE CARGA

CÁMARA DE DIGESTIÓN

Digestor OLADE- GUATEMALA •

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El sistema de operación del digestor tipo OLADE-GUATEMALA consiste en un grupo de digestores o uno solo y un gasómetro o mas según sea el caso. El sistema se construye al nivel del suelo o semienterrado por lo que se utilizan preferentemente en climas cálidos (véase figura 3.3). El funcionamiento de estos digestores es de carga por lotes; así mientras se descarga un digestor los otros siguen funcionando. Este tipo de digestor está orientado a medianas y grandes producciones agropecuarias; por lo tanto su localización debe ser cercana al establo o fuente de materia prima y, en lugar de topografía preferentemente inclinada para facilitar la operación de carga y descarga de los digestores componentes del sistema. Los digestores son de forma cilíndrica de eje vertical; ubicado sobre una base de concreto que sirve como aislante térmico y protector de la humedad. La parte superior es cerrada por una tapa metálica que permite la carga y descarga del material al cabo de un ciclo de digestión anaeróbica. La hermeticidad del digestor se consigue con un sello hidráulico. El gasómetro consta de un tanque cilíndrico, con un diámetro igual a su altura, y de una capacidad equivalente al la mitad de producción promedio diaria de biogás. Consta de una campana metálica invertida sobre el tanque lleno de agua.

Digestor OLADE- GUATEMALA •

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La operación de los digestores debe realizarse de tal manera que un solo digestor a la vez esté destapado, mientras los otros se encuentran en producción. Se ha comprobado una digestión eficiente con desechos de cereales (maíz, arroz, trigo, etc.), bagazo de caña, residuos de banano, tabaco y frijoles, estiércol animal en general y basura orgánica. Una vez llenado el digestor, se satura de agua (preferiblemente con una parte de líquido residual de cargas anteriores) hasta sobrepasar el nivel de sólidos unos 10 cm., se tapa el digestor herméticamente agregando agua al sello respectivo y el proceso de digestión se inicia. Pero en la actualidad y según la experiencia se ha mejorado en el manejo de la descarga, esto adicionándole una compuerta al digestor para la fácil descarga del biosol y para sacar el biol se le adiciona una salida (véase figura 3.4). Bajo condiciones ambientales favorables, la producción de biogás se observa entre cuatro y diez días después del tapado. Al observar declinación en la producción de biogás se produce a la descarga. Se cierra la llave de salida del biogás en ese digestor y se destapa. Se abre la llave de decantación de líquidos por donde sale el bioabono, dejando drenar por 48 horas aproximadamente. Finalmente se extrae el bioabono sólido y líquido, se limpia el digestor quedando listo para la siguiente carga.

Digestor OLADE- GUATEMALA •

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El biogás circula desde los digestores al gasómetro y de éste a las líneas de consumo por tubería preferentemente anticorrosivos y provista de válvulas de cierre colocadas estratégicamente. Antes del ingreso al gasómetro la tubería debe estar provista de una trampa de agua de condensación de 30cm de altura, con lo cual se asegura posibles cambios de presión (actúa como válvula de seguridad). Para la construcción de este digestor se pueden utilizar materiales muy variados, dependiendo de la disponibilidad en el lugar de construcción y las características del suelo (tipo, riesgo sísmico, etc.) Se pueden construir de ladrillo, concreto, lozas prefabricadas y de ferrocemento. Cuando se hace con ladrillo se corre el riesgo que la estructura se afloje debido a la presión interna que es generada, tanto por el volumen de carga como por la presencia de gas, por lo tanto es muy importante el tomar medidas de refuerzo tanto en la posición del ladrillo como también (ocasionalmente) con anillos de hierro. Si se construye utilizando la técnica del ferrocemento, se puede hacer paredes delgadas (4 cm. de espesor) que reportan mucha seguridad, presentándose ocasionalmente problemas de rajaduras, pero siendo su preparación muy simple, teniéndose costos aceptables. Sin embargo como se trata de una técnica constructiva nueva, cuando no hay experiencia en la gente que construye, se puede tener problemas de filtraciones. La campana puede ser construida en lámina de hierro, de 1/16” (costo elevado), de fibra de vidrio, de plástico o de ferrocemento, tomando en cuenta que se puede añadir peso a la campana para aumentar la presión de consumo.

Digestores plásticos de flujo continuo •

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Este tipo de digestor es el más sencillo. Consiste en una bolsa de plástico o caucho termo soldado que realiza la función de digestor y almacén del biogás simultáneamente o podría tener un gasómetro adicional también de polietileno. La parte superior de la bolsa almacena el biogás. Los conductos de entrada y salida se unen directamente a la superficie de la bolsa. La presión del gas será la que permita la elasticidad del material, o la que se obtenga de disponer pesos en la parte superior de la bolsa. Tienen una vida útil muy corta, de entre 2 a 5 años debido a la naturaleza de los materiales constituyentes. Se les puede dividir en dos tipos: cilíndricos y piramidales. El material más utilizado en la construcción son las membranas elastoméricas reforzadas.

TUBERÍA DE DISTRIBUCIÓN DE GAS

NIVEL DEL SUELO

CONDUCTO DE ENTRADA

RELLENO DE MATERIAL COMPACTADO

BIOGAS

BIOMASA CONDUCTO DE SALIDA

DISEÑO /CRITERIO

DIGESTOR CÚPULA FLOTANTE TIPO HINDÚ

DIGESTOR OLADE GUATEMALA

DIGESTOR DE CÚPULA FIJA (TIPO CHINO)

DIGESTOR DE POLIETILENO (Tipo )

Principio de diseño

Alimentación continua, digestor mixto

Alimentación continua digestor semienterrado

Alimentación continua, digestor mixto.

Alimentación continua, canal de fermentación

Componentes principales: digestor/almacén de gas

Digestor construido con almacenaje de gas en tambor flotante metálico

Digestor construido, almacenaje de gas y biol por separado,

Digestor construido, con fosa excavada

Digestor y almacenaje de gas integrados, de material plástico

Sustratos más adecuados

Estiércol

Rastrojo vegetal /estiércol

Rastrojo vegetal /estiércol

Rastrojo vegetal /estiércol

Vida útil prevista

8-12 años

10-25

12-20 años

2-5 años

Volumen del digestor

5-100 m3

10-mas

6-20 m3

4-300 m3

Ventajas

Fácil construcción y operación, presión uniforme de gas, tecnología madura

Muy fiable, fácil construcción y operación, presión uniforme de gas, vida útil larga, tecnología madura

Coste de construcción bajo, vida útil larga, buen aislamiento

Construcción prefabricada, fácil operación

Inconvenientes

La cúpula de metal puede oxidarse

Inconvenientes en climas fríos

Aislamiento de la parte superior de almacenaje de gas, fluctuación de la presión de gas

No se construye in-situ, vida útil corta (2-5 años) de material plástico, producción de gas baja

Operación y mantenimiento

Simple y sencillo, necesidad de pintar regularmente la cúpula de gas

Simple y sencillo, necesidad de pintar regularmente la cúpula de gas

Fácil después de una cuidadosa familiarización con la planta

Fácil, control regular de los pesos de presión del gas

Producción diaria de gas (m3)

0.5-1.0

0.6-1.5

0,2-0,5

0,3-0,8

Elementos costosos

La cúpula metálica de gas, el digestor

La cúpula metálica de gas, el digestor

La combinación de digestor y acumulador de gas; la excavación

Ninguno

Sistema de almacenamiento de biogás Gasómetros •

•

•

Llamamos gasómetro al recinto que nos sirve para almacenar el gas generado en el fermentador (digestor). Pueden ser de diversos tipos y diseños. Algunos son incorporados y otros separados del fermentador o móviles. La dispersión del consumo y su intensidad determinará el volumen de almacenamiento requerido. Por lo tanto cuanto más concentrado esté el consumo en un período de tiempo corto, mayor será la necesidad de almacenaje. Debido a que el gas en si mismo constituye la forma más directa de energía se debe intentar almacenarlo.

Flujo de biogás

Gasómetro Cerrado

Los digestores totalmente cerrados almacenan el gas a presión constante y presión variable su capacidad es reducida y son muy poco usados.

npp

Biogás

Entrada de biogás

Gasómetro de Campana Fija: El tercer tipo posee una cúpula fija y una cámara de hidropresión que permite el desplazamiento del sustrato en fermentación a medida que se acumula el gas, este sistema es muy empleado en los digestores de tipo Chino; en este caso el gas se almacena a volumen y a presión variables

biogás npp

npp

Agua

Gasómetro Flotante: Los digestores con campana gasométrica que puede flotar sobre el líquido en fermentación o estar separado del digestor flotando sobre agua formando un sello hidráulico, muy usado en los digestores del tipo Hindú, Batch (Guatemala-OLADE) que en este caso el gas se almacena a presión constante (la que se puede variar colocando contrapesos sobre la campana) y a volumen variable

npp

npp

Biogás

Sello de agua

Gasómetro de Polietileno:

Por último se han difundido en años recientes almacenadores de gas del tipo polietileno. El gas se acumula en toda la bolsa en forma cilíndrica; la bolsa se va inflando lentamente con una presión de operación baja, pues no se puede exceder la presión de trabajo de la misma. Este tipo de gasómetro es muy económico y fácil de transportar por su bajo peso, en especial en aquellos sitios de difícil acceso. Al ser hermético se reducen las pérdidas, pero por su fragilidad requiere disciplina social de las personas que lo manejan o que están a su alrededor, para evitar que lo dañen con algún objeto corto punzante; también es un inconveniente su corta vida, pues al estar a la intemperie, los rigores del clima lo deterioran en pocos años.

Clasificación de los elementos de una instalación de biogás En una instalación de biogás intervienen muchos y variados elementos, desde tuberías y accesorios hasta los diversos aparatos que consumen biogás: calentadores, estufas, lámparas, MCI, etc., veamos a continuación una somera clasificación de estos elementos. a) Tuberías y sus accesorios: Este grupo comprende las tuberías y los accesorios directamente relacionados con la misma: • Tuberías. • Codos. • Tes. • Reducciones. • Tapones. • Abrazaderas. • Uniones. • Otros. b) Válvulas, reguladores: • Válvulas. • Reguladores de presión. • Válvulas de retención. • Otros

c) Aparatos de consumo: • Cocinas. • Calentador. • Estufa. • Lámparas. • Motores de combustión interna estacionario (MCI). • Otros. d) Aparatos de medición: • Manómetro. • Termómetros. • Termocuplas. • contadores de caudal. • Otros. e) Equipos de eliminación de compuestos indeseables del biogás • Trampas de vapor de agua • Filtro de ácido sulfhídrico • Otros. f) Sistemas de almacenamiento de biogás • Gasómetros

Red de distribución de biogás • A pesar de ser una red convencional, en el caso de biogás hay que tomar ciertas medidas. • El biogás dentro de sus componentes contiene vapor de agua que se condensa en las tuberías y debe ser eliminado para evitar taponamientos y pérdidas de presión. Para solucionar este problema se recomienda que la red tenga una pendiente de 1:100 hacia un punto de mínimo nivel donde se acumulara el agua de condensación, lugar donde se instalara una trampa de agua o sistema de drenaje del agua.

Tipos de tubería Plásticas. • Este tipo de tubería deben ser convenientemente protegidas para evitar roturas por implementos mecánicos o animales. Cuando se utilizan tramos flexibles se debe de tener especial cuidado para que al instalarse no queden ondulaciones donde pueda acumularse agua. • Los tramos expuestos al sol se deben revisar periódicamente para detectar posibles rajaduras y roturas por envejecimiento del material. Galvanizado. • Han sido los más utilizados a pesar de su costo. Se deben de proteger con pintura u otro medio para evitar la corrosión externa.

Cobre. • El cobre, como material para las instalaciones de biogás, ofrece una serie de ventajas, tales como: • Tiene alta calidad superficial, lo que permite que las perdidas de fluido por el transporte sean mínimas. • Es inalterable al paso del tiempo, pues conserva sus propiedades físico químicas. • Presenta una alta resistencia a la corrosión y una impermeabilidad que impide el paso de oxigeno y de los rayos ultravioleta.

Instalación de tuberías: Tuberías vistas: una tubería es vista cuando es visible en todo su recorrido. Tuberías en conductos: se denominan así las tuberías que están protegidas del medio ambiente exterior por conductos. Tuberías empotradas: nunca se trata de tuberías empotradas en todo su recorrido, si no de tramos que no pueden exceder los 40cm en casos excepcionales. Las tuberías no pueden pasar por los siguientes sitios: No pueden estar alojadas en forjados que constituyan el suelo de la vivienda. No pueden cruzar conductos de sustancias residuales ni evacuación de basuras. No pueden pasar por locales que contengan depósitos de combustible. Las tuberías que se instalen en la modalidad «vistas» que generalmente se hacen en instalaciones, deberán estar conveniente sujetas a las paredes o techos mediante elementos de sujeción del tipo abrazaderas o soportes-guía. Estos elementos de sujeción podrán ser, en función de la tipología de la instalación, simples o múltiples, es decir, que sujeten a una sola tubería o a varias. El diseño de los elementos de sujeción mencionados, es decir, las abrazaderas y los soportes guía, ha de ser tal que cumplan las siguientes condiciones: El anclaje de la abrazadera ha de poder realizarse directamente a la pared, bien por empotramiento o bien atornillada con tacos de expansión. El anclaje del soporte-guía se realizará por empotramiento en la pared o techo.

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El sistema de fijación de la abrazadera a la tubería no ha de poder realizarse manualmente ni por presión, sino que para su montaje y desmontaje deberá utilizarse un útil adecuado (destornillador, llave fija, etc.). El diseño de la abrazadera ha de ser tal que en ningún caso pueda producirse contacto de la tubería con la pared, techo o soporte. En el caso de abrazaderas múltiples, su diseño deberá asegurar, además, que no existe contacto entre tuberías. Han de estar construidos con materiales metálicos de probada resistencia (acero, acero galvanizado, cobre, latón etc.) debidamente protegidas contra la corrosión y no deberán estar en contacto directo con la tubería, sino que deberán aislarse de la misma a través de un revestimiento, banda de elastómero o material plástico preferentemente, o bien encintando convenientemente la tubería en la zona de contacto.

Tubería de biogás

Equipos para la eliminación de compuestos indeseables del biogás Trampas para la eliminación del vapor de agua

• El biogás arrastra desde los biodigestores componentes indeseables como son: el ácido sulfhídrico (H2S), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua. • En la parte más baja de la red se ubican estos implementos para permitir la eliminación del vapor de agua, existen varios diseños, de los cuales seleccionamos los más comunes: Drenaje “T”. • Son útiles si están ubicados sobre la superficie del terreno por que si tienen que ser ubicados en pozos resulta muy incómodo realizar la purga diaria al rellenarse este de tierra e insectos. Requieren ser revisados cada dos o tres días para abrirlos y dejar salir el agua acumulada.

PENDIENTE DE CAÑERÍA: 1:100

AGUA CONDENSADA

VÁLVULA MANUAL

Drenaje tipo botella: Tienen la ventaja de ser automáticos y pueden ser colocados por debajo del nivel del terreno. Solo presentan inconvenientes si el nivel de agua en el pozo debido a lluvias o riego sobrepasa la columna de agua de presión del gas, en este caso el agua ingresará a la red de gas.

TAPA MÓVIL PARA PROTECCIÓN NIVEL DEL TERRENO

BOTELLA LLENA DE AGUA

ABIERTO PARA DEJAR ESCAPAR EL EXCESO DE AGUA

ABIERTO PARA DEJAR PERCOLAR EL EXCESO DE AGUA GUÍA PARA SOPORTAR LA “T” A LA PROFUNDIDAD CORRECTA

Filtro de ácido sulfhídrico

TUBO GALVANIZADO SUPLE REDUCTOR O REDUCCIÓN

TUBO GALVANIZADO

LIMADURAS DE HIERRO

Aparatos de medición • Los aparatos de medición están conformados principalmente por el contador de biogás y el manómetro a continuación se describirá con mas detalle el manómetro. Manómetro • Resulta de gran utilidad conocer la presión que se tiene en la red para optimizar el funcionamiento de los distintos aparatos y detectar posibles pérdidas de gas. Se puede construir un sencillo manómetro de columna de agua en base a tubos de vidrio y goma. En la figura ha sido completado con una válvula de seguridad que permite escapar el gas si se sobrepasa determinada presión.

EL EXCESO DE GAS ESCAPA POR LA TUBERÍA

BOTELLA

BIOGÁS DESDE LA PLANTA

BIOGÁS PARA EL USO

ESCALA

TUBO DE VIDRIO

AGUA COLOREADA

TUBO DE GOMA

Contadores de biogás El contador es el aparato que mide el consumo de gas de forma totalizadora, no indica el caudal de biogás si no los metros cúbicos que el usuario ha consumido a lo largo del tiempo. La misión de los contadores es medir el consumo de biogás que se tiene en la instalación, en la foto 4.1 se puede a preciar un contador en pleno funcionamiento que se realizaron pruebas con biogás en un motor de combustión interna estacionario en el biohuerto Casa Blanca (Perú).

Partes opcionales de una planta de biogás : a) Sistemas de calefacción: • Normalmente las plantas de pequeña escala no disponen de sistemas de calefacción, ya que supone un coste superior. Pero es una mejora para el proceso de biometanización el hecho de poner el sustrato entrante a la temperatura de proceso antes de introducirlo. • Existen dos sistemas principales de calefacción: • Calentamiento directo: En forma de vapor o agua caliente. Es muy costoso ya que precisa de un complejo sistema de generación de vapor y solo es justificable en grandes plantas. • Calentamiento indirecto: Vía un intercambiador de calor por medio de agua caliente. Los diferentes métodos son: • Calentamiento del fondo: no es muy adecuado ya que la acumulación de sedimentos inhibe la transferencia de calor. • Sobre el digestor con los conductores de calor localizados dentro o sobre las paredes del mismo. Tiene una eficiencia menor que el procedimiento anterior por que se pierde calor en los alrededores pero no afecta al flujo del sustrato. b) Bombas: • Son necesarias cuando las cantidades de sustrato requieren un movimiento rápido y cuando el efecto de la gravedad no se puede usar por razones de topografía o por propiedades del sustrato. Normalmente se encuentran en plantas de gran escala.

Ubicación de la unidad de biogás Establo: • Debe estar construido en una posición elevada. Esto facilita el uso de la gravedad para recolectar la orina y el estiércol para alimentar la planta de biogás. • Debe estar techado pero que el sol pueda entrar y con una buena ventilación asegurada. • Debe permitir futuras ampliaciones. • Si la posición actual del establo no es buena para poner el biodigestor es mejor moverlo a una situación más correcta. • Un establo de suelo pavimentado, con pendiente de drenaje y canaleta de recolección facilitará en gran parte el proceso de alimentación de la planta. Este tipo de establos no deberán lavarse con agua, que colmaría el biodigestor, sino que se usarán métodos secos, como arrastres de madera, para ahorrar al máximo agua. El techo evitará la entrada de elementos impropios en el digestor (hojas de árboles), y una tanque colector del efluente será ideal para retirar las arenas o gravas que sean arrastradas.

• El tanque de mezcla o del efluente debe estar conectado a una de las paredes del establo. Es más económico unos metros de tuberías que un transporte diario del estiércol. • El techo del establo no debe drenar encima del tanque de mezcla o sobre el suelo donde se encuentra en digestor. Podría causar inestabilidad y enfriar el sustrato contenido en la planta, ralentizando el proceso. • El punto de desbordamiento debería estar guiado a una tierra de cultivo perteneciente al mismo propietario, para no crear problemas sociales. • Una planta de cúpula fija no debe estar situada cerca de tractores o maquinaria pesada. • No deberían existir árboles cerca de la planta de biogás, ya que sus raíces podrían destruir el digestor, o se podrían caer ramas y dañar parte del material. Si se pone la planta en una situación que está permanentemente a la sombra podría bajar la temperatura del suelo y ser negativo para el proceso. • En las cercanías de una planta de este tipo no deberían existir zonas de juegos de niños.

Puesta en marcha una planta de biogás • Para la puesta en marcha de la planta es necesaria una aportación inicial de estiércol muy elevada, puesto que se precisa de una primera llenada completa del digestor. Si es posible esta se hará con lodo de otra planta de digestión. La edad del lodo o digerido tiene un factor clave para la fermentación. La mejor manera de disponer de este volumen es ir almacenando el estiércol desde el inicio de la construcción del digestor, para disponer así de la cantidad suficiente para la puesta en marcha. Para garantizar el llenado de la planta se puede diluir más de lo que se hará en condiciones estacionarias. • El material debe de ser mezclado y homogeneizado antes de permitirle la entrada al digestor, para facilitar el mezclado se aconseja preparar las cargas con un día de anticipación y dejarlas en la cámara de carga. • Se debe evitar el ingreso de aceites, jabones o detergentes pues perjudican la digestión. Una fermentación aeróbica es aconsejable, para tener una oxidación completa, reducir la acidez, calentar la biomasa y reducir gérmenes patógenos, en otras palabras realizar un pre-compost. • En función de la alimentación que tratemos en el digestor, la puesta en marcha puede tardar de algunos días a bastantes semanas. El estiércol puede empezar a producir una cantidad razonable de gas en uno o dos días. Las características de este período de arrancada serán: - Una calidad baja del gas, con un contenido de CO2 superior al 60%. - Un gas de olor muy fuerte. - pH bajos. - Producción de gas fluctuante.

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Para que se estabilice antes el proceso se puede remover periódicamente y de forma intensiva el contenido, introduciendo dos émbolos a través de las entrada y la salida y efectuando un movimiento alterno para provocar la circulación y completa mezcla del sustrato en digestión. Si el proceso presenta una cierta resistencia a la estabilización se podrá añadir cal o estiércol fresco, sin añadir más sustrato fresco hasta que se inicie la producción de gas. Si se desea que la producción de gas se acelere, puede introducirse junto con el sustrato rumen de vacuno que esto se puede adquirir en los camales, que contiene bacterias metanogénicas que se encargan de la producción del biogás. Existen otras sustancias e inoculantes que pueden introducirse para acelerar el proceso de arranque, pero el funcionamiento en modo estacionario no se verá afectado por este hecho. Cuando el volumen del gas almacenado ya es suficiente (el normal de diseño), este desplaza, por vasos comunicantes, el estiércol líquido la cámara de expansión. Una vez esto sucede, se puede empezar a alimentar el digestor con la regularidad programada o de diseño. Las primeras producciones de biogás deberán de eliminarse sin usarse, puesto que las cantidades residuales de oxígeno remanente pueden provocar problemas de explosión del gas. El propietario de la planta deberá familiarizarse con los detalles operativos de la planta y el mantenimiento en cuanto antes. Es importante que se familiarice con el funcionamiento teórico, y también con el uso y funcionamiento de todas las partes. El proceso de familiarización del usuario se deberá comprobar con un chequeo de funcionamiento y mantenimiento.

Alimentación de un biodigestor • La alimentación va a depender mucho del tipo de biodigestor en los biodigestores OLADE- Guatemala la alimentación es una sola y la descarga se realiza cuando ya no hay presencia de gas esto generalmente tiene un tiempo de retención de 90 a 120 días luego de eso se vuelve a cargar, pero en los biodigestores chinos existen dos tipos de alimentación que a continuación trataremos. • En el biodigestor chino hay dos tipos de alimentación, uno que al inicio, es decir terminada la construcción del digestor o cada año después de construido se alimenta y la otra es la de alimentación periódica. Finalizado el proceso de fermentación, se procede a cargar el digestor, hay que tener cuatro cilindros (de 50 galones c/u) de “lodo activado” que se agregará al biodigestor para asegurar una rápida producción de biogás. • Agréguese por la boca de la cúpula aproximadamente ¼ del material fermentado y un cilindro de lodo activado y revuélvase añadiendo agua en cantidad suficiente para homogenizar la mezcla. Se repite este procedimiento añadiendo un cilindro de lodo activado por cada cuarta parte del material fermentado. • Para concluir el proceso de alimentación, se añade agua corriente hasta alcanzar un nivel de 60 cm. por debajo de la boca de la cúpula, luego hay que añadir 200 litros de agua de cal tratando de homogenizar la mezcla. • Alimentación Periódica del Biodigestor: • La nueva alimentación deberá realizarse 30 días después del cargado inicial retirando al mismo tiempo una cantidad similar de bioabono.

Operación y mantenimiento de las plantas de biogás •

Una vez que la digestión se encuentra estabilizada el proceso puede continuar sin interrumpidamente con un control adecuado. Se debe tener siempre en cuenta que se está trabajando con organismos vivos, en este caso bacterias; cualquier cambio brusco en el medio las afecta y por eso la importancia de mantener lo más estable posible los parámetros para poder lograr una producción alta y estable.

Mantenimiento

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El mantenimiento de la planta son los trabajos e inspecciones necesarias para asegurar un buen estado y que ayudan a tener una vida útil mayor. Para mayor seguridad y autonomía, los trabajos de mantenimiento los deberá hacer el propio usuario. Pueden existir diferentes disfunciones operacionales. La más usual, que es una insuficiente producción de gas, tiene varias causas. A menudo, con un análisis de posibles causas se podrá detectar esta y solucionarla. En la tabla adjunta se detallan las tareas diarias de mantenimiento de las plantas, los defectos detectados y la remediación de estos para una planta de biogás que los usuarios deberían tomar en cuenta.

PARÁMETRO DE CONTROL

DISFUNCIONES

CAUSA / REMEDIO

Presión del gas

Demasiado alta la presión aumenta si el consumo de gas es menor que la producción, si el almacenaje está lleno

La presión provoca disfunciones de la válvula de seguridad / limpiarla o cambiarla

Presión del gas

Presión de gas demasiado baja la presión baja si el consumo (o los escapes) son mayores que la producción y si el almacén de gas está vacío

Escape en la tubería de gas / detectar la fuga y sellarla Producción de gas ha bajado / verificar la calidad del biofertilizante

Temperatura del sustrato (para plantas calentadas, las bacterias son muy sensibles a los cambios de temperatura,

Temperatura demasiado alta

Defecto en el sistema de control de la calefacción / verificar el sistema de control y reparar o recambiar las partes averiadas

Temperatura del sustrato (para plantas calentadas, las bacterias son muy sensibles a los cambios de temperatura

Temperatura demasiado baja

Defecto en el sistema de control de la calefacción / verificar el sistema de control y otras partes implicadas, reparar o cambiar Capa de sedimentos en la superficie de calefacción / quitar o limpiar la capa

Producción de gas

Producción de gas notablemente por debajo de las producciones normales

Razones biológicas / temperatura, sustrato, antibióticos, cambio de valor de pH Atasco en el digestor o sistema de cañerías / las cañerías pueden estar obturadas por agua o cuerpos extraños, identificar el problema y actuar acorde con este.

Olor del fertilizante muy fuerte

La planta está saturada o las condiciones de fermentación están por debajo del óptimo

Reducirla cantidad alimentada de sustrato / corregir el valor del pH con medios adecuados

Operación: •

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Deben tomarse medidas de reparación, mediante el monitoreo y control de la planta. Si esta presenta disfunciones a menudo, puede significar que falta educación del usuario. Una reparación que exceda al puro mantenimiento significará ayuda externa para el propietario. Se puede hacer que el trabajo de mantenimiento anual lo ejecuten trabajadores externos, formados y familiarizados con la tecnología, que pueden ocuparse del mantenimiento de diferentes plantas de una misma zona. En el cuadro siguiente se detallan los posibles causas de malos funcionamientos de la planta y las medidas de remediación posibles.

PROBLEMA

CAUSAS POSIBLES

Tubería de entrada/ atascada

Sustrato fibroso dentro de la tubería o capa fibrosa bloqueando la parte más baja de la tubería

Usar una vara para desatascar la tubería. Cambiar la tubería

Cúpula de gas atascada o inclinada

Espuma en la superficie

Girar el cúpula de gas, y sino es posible, quitarla y retirar la espuma

Sistema de guía-soporte roto

Soldar, reparar y engrasar la guía

Disminución del nivel de biofertilizante

Perdidas en la planta

Si las fisuras no se auto-bloquean en unas semanas, vaciar el digestor y reparar

Almacenaje de gas inadecuado en plantas de cúpula fija o tipo chino

Perdidas en la zona de acumulación del gas, no es impermeable al gas por fisuras o corrosión

Sellar las fisuras, reponer las partes corroídas

Válvulas de gas atascadas

Corrosión

Abrir y cerrar repetidas veces, engrasar o recambiar

Tubería de gas no hermética

Corrosión, falta de mantenimiento e insuficiente impermeabilidad de las conexiones

Localizar la avería, reponer partes corroídas o porosas, re-sellar las conexiones

Pérdida de gas repentina

Línea de gas rota

Reparar o ccambiar

Trampa de agua volada, vacía

Rellenar de agua, detectar razón de la sobre-presión, comprobar el dimensionado

Quemador de gas abierto

Cerrar

Agua en la cañería

Sacar o vaciar la cañería, recolocar esta sección del tubo

Cañería de gas atascada

Poner una vara en la tubería

Presión de gas fluctuante

MEDIDAS CORRECTORAS

Selección de desechos agropecuarios y técnicas de caracterización Origen de los residuos Los desechos que pueden empleares en el proceso de digestión anaerobia para la producción de biogás o biofertilizantes son: – Desechos rurales: Se puede encontrar una gran variedad como estiércol y orín de ganado (vacuno, porcino, cuy, etc.), residuos del procesamiento de vegetales (chala de maíz, paja de arroz, etc.). – Desechos urbanos: En estos desechos se consideran los residuos sólidos urbanos (rellenos sanitarios) y las plantas de tratamiento de aguas residuales. – Desechos industriales orgánicos: Son de industrias de bebidas (cervecerías), de industrias piscícolas, de industrias de papel y textil, de industria láctea (suero lácteo), (elaboración de queso y yogurt), fabricas de azúcar, destilerías de vino. – Plantaciones energéticas: Cultivos efectuados con el objetivo de su aprovechamiento energético

Plantaciones energéticas

Los cultivos preferidos en este rubro son: 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 algas, para producir combustibles líquidos como el etanol y el biodiesel.

Residuos Forestales Importante fuente de biomasa

Solo se aprovecha aprox. El 20%, un 40% es abandonado.

Deshechos agrícolas La agricultura genera cantidades considerables de desechos (rastrojos): 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.

Ejemplos comunes de este tipo de residuos son el arroz, el café y la caña de azúcar.

Deshechos 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).

Desechos urbanos Las grandes cantidades de residuos sólidos urbanos son un problema real para la mayoría de las urbes; sin embargo, un adecuado manejo, solucionaría el problema de su existencia, además de retribuir ganancias en forma de energía eléctrica o calorífica.

Aspectos técnicos que se deberían tomar en cuenta en la selección de los residuos Una correcta selección de desechos agropecuarios contribuirá la buena marcha del proceso de digestión anaerobia. Es importante saber que las sustancias tóxicas presentes en las materias primas deben ser mínimas y que ciertos materiales no deben ser cargados al digestor ya que dañan el proceso, estos incluyen: - Materiales tóxicos que inhiben la digestión (ejemplos: residuos de pesticidas, metales pesados, aceites y grasas). - Los residuos deben estar libres de sólidos y otros materiales como arena, rocas y piedras. Algunos materiales sólidos como el aserrín o la paja muchas veces se mezclan con los residuos. La aglutinación de sólidos bloquea las tuberías del digestor y obstaculiza la operación. Solamente una pequeña cantidad de sólidos es tolerada por la mayoría de digestores, mediante la construcción de un sedimentor antes del ingreso de la materia prima.

Almacenamiento de los residuos

• La materia prima puede ser almacenada cerca al digestor, o en otro sitio, aunque la necesidad de minimizar el transporte afectara la decisión de ubicar el punto de almacenamiento o el digestor. Los residuos orgánicos necesitan instalaciones de almacenamiento apropiadas, las cuales deben planearse de acuerdo a las condiciones y regulaciones ambientales, de higiene y seguridad. • Generalmente, muchas instalaciones agrícolas o pecuarias recolectan los residuos en un solo punto de almacenamiento. Estas instalaciones que recolectan y entregan los residuos en un punto en común cada día son las mejores cantidades para implementar la tecnología de producción de biogás. El punto en común puede ser una laguna, piscina, pila, tanque (para reducir el escape de olores) u otra estructura similar. Para esto, se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones. • Recolectar residuos en un solo punto hace más fácil cargar el digestor. En este punto, los residuos pueden ser mezclados con agua y homogeneizados antes que entren al digestor. • Si la instalación no tiene un punto en común de recolección, se debe evaluar la posibilidad de unir los puntos de producción o de recolección. Si hay dos o tres puntos de producción o de recolección de importancia, puede ser posible utilizar más de un biodigestor.

Cantidad de residuos

• Cualquiera que sea el producto que se necesite, biogás y biofertilizantes, los otros serán afectados. Se debe realizar un balance ya que el sistema podrá ser viable solamente si se aprovechan todos los productos del biodigestor. • Aunque existen muchos factores que influyen en la producción de biogás a partir de residuos orgánicos, la calidad y cantidad de los residuos recolectados determinara la calidad del biogás y el biofertilizante. La cantidad de residuos producidos en las instalaciones esta directamente relacionada al número de animales que en ellas se encuentran, sin embargo, se tiene una mayor producción de biogás, si los residuos son frescos y se alimentan al biodigestor con regularidad, con una calidad mínima de contaminantes. De acuerdo a esto, la cantidad de animales (ganado vacuno, porcino, cuyes, etc.) que existan en una instalación constituye el indicador de la potencial de biogás. La cantidad de animales y la producción de residuos recolectados se utiliza para indicar que otros detalles técnicos deben tenerse en cuenta. • Además del número mínimo de animales productores de residuos, las instalaciones deben mantener esta población relativamente constante en el año, lo cual asegura que una cantidad consistente de materia orgánica este disponible, de lo contrario, las bacterias morirán de inanición. La cantidad de residuos producidos diariamente es mayor que la capacidad de diseño se reducirá el tiempo de retención disminuyendo la producción de biogás y si es menor la población bacteriana disminuirá por la falta de alimento.

Cantidad de residuos • Para maximizar la producción de biogás, los factores clave serán el contenido de material orgánico y el contenido total de sólidos de la mezcla de carga. El contenido total de sólidos depende del tipo de animal que produce el residuo y de la estrategia de manejo de residuos. La fisiología del animal y el régimen alimentario determina el porcentaje de sólidos orgánicos. • Las instalaciones que recolectan residuos líquidos o semi-sólidos son las mejores candidatas para proyectos de producción de biogás. • Para las instalaciones que manejen residuos sólidos con bajos contenidos de agua o humedad y de difícil disolución en agua, no es posible adaptar esta tecnología. Estas necesitaran incorporar otros sistemas de manejo de residuos; deben considerarse otras opciones de manejo de residuos como el compostaje.

Calidad de residuos • La calidad de la materia prima en términos del rendimiento del biogás dependerá en parte de su frescura: entre mas fresca sea, el rendimiento del biogás será mayor y tendrá menor peligro de acidificarse. • Las materias primas ácidas pueden inhibir o incluso dañar las bacterias en el digestor. • Si bien la digestión anaerobia es un proceso complejo y largo, el cual puede ajustarse a péquenos cambios, los cambios drásticos de materia prima deben evitarse y se debe tener cuidado en realizar la mezcla con las cantidades de agua recomendadas.

Principales residuos para la producción de biogás Excretas de animales a) Estiércol de los rumiantes: • Particularmente el estiércol del vacuno, es muy útil para iniciar el proceso de fermentación, puesto que este tiene un contenido elevado de bacterias metanogénicas. Por el contrario, la producción de biogás será menor que la obtenida por otro tipo de sustratos por dos factores: en primer lugar, los vacunos extraen mayor parte de nutrientes del forraje y dejan complejos lignosos del forraje más fibroso, que son muy resistentes a la degradación anaerobia, y en segundo lugar, porque realizan una digestión anaerobia parcial y reducen así el potencial de producción de la biomasa. La orina, que contiene menos nutrientes, contribuye poco a la producción específica de gas, pero incrementan notablemente las propiedades biofertilizantes (biol, biosol), a la vez que diluye el sustrato, ahorrando agua. La carga del digestor será más fácil si disponemos de un establo con suelo pavimentado que recoja ambas cosas, estiércol y orina. • La mayor parte de biodigestores simples se alimentan con excretas (estiércol y orina), puesto que estos residuos fermentan bien y producen una buena cantidad de biogás. La cantidad y la composición de las excretas dependen de: • La cantidad de forraje ingerido y su digestibilidad; de media un 40-80% del contenido orgánico de éste se recoge en las excretas (los ganados por ejemplo excretan aproximadamente un tercio de las fibras del forraje). • La calidad del forraje usado y del peso medio de los animales.

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Excretas porcinas: Éstas son una mezcla compleja que puede ser considerada como un fango líquido con una concentración media en materia seca en el entorno del 6%. • Si se desea aprovechar el potencial energético de las excretas porcinas mediante un digestor anaerobio, esto podrá hacerse, considerando las siguientes observaciones. • En establos sin pavimentar: se recogerá únicamente la parte sólida de la excreta, y deberá instalarse de una cámara de pre-mezcla donde se mezclen la excreta y agua. La función será doble, de homogeneizador y de desarenador. Esta mezcla deberá ser mecánica o cerrada, puesto que manual es repulsiva y no se aconseja. • En establos de suelos pavimentados: se recolectará de forma conjunta la orina y la excreta. Siempre que la topografía lo permita, la circulación de la mezcla e introducción al digestor se hará por gravedad. El agua de limpieza se minimizará, para no aumentar el volumen del digestor. Normalmente se colectará el estiércol en baldes. En estos casos deberá de instalarse una trampa de arena, par evitar que esta entre en el digestor. c) Excretas de caprinos: • Se tendrá una situación similar a los cerdos en el caso de no tener suelo pavimentado, si las cabras están en el establo, la forma de recoger el estiércol será mezclado con el lecho de paja. Los tipos de digestor usados son normalmente los batch o semicontinuos. Este sustrato, almacenado mientras no se alimenta la planta en baldes o neumáticos, se introducirá en el digestor mezclado con agua. El rendimiento aproximado de biogás es de 0.09m3/kg.

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Excretas de pollo o aves: También pueden usarse, pero sólo si las aves están en una zona limitada, dónde sea fácil recolectar el estiércol que generan. Aún así, la proporción de arenas será muy elevada. Las excretas de aves podrán introducirse en un digestor alimentado con estiércol de vaca sin ningún problema. El peligro latente puede estar en la alta concentración de amoniaco con las excretas de pollo puras, aún que se conocen casos de plantas que funcionan correctamente mezclándolos con residuos de fábricas de producción de huevos o carne. Los excrementos recolectados serán duros y secos, por lo que se mezclarán con agua antes de introducirlos. Se puede disponer de una mezcla mecánica. Excretas de cuy: El cuy (Cavia porcellus), es una especie originaria de la zona Andina del Perú, Ecuador, Colombia y Bolivia, es un producto alimenticio nativo, de alto valor nutritivo y bajo costo de producción, que contribuye a la seguridad alimentaria de la población rural de escasos recursos, se cría fundamentalmente con el objeto de aprovechar su carne y últimamente para la producción de biogás en el Perú se ha aplicado el estiércol de dicho animal con el objetivo de producir biogás y biofertilizante, un caso real es el del biohuerto "Casa Blanca-Pachacamac" de la propiedad de los Drs. Eulises Moreno y Carmen Felipe Morales. La lignina, que es un componente estructural de los vegetales, y constituye cerca del 30% de la madera. La biodegradabilidad de la lignocelulosa es muy baja, pero se puede incrementar mediante procesos físicos y químicos, aunque estos aumentan también el coste de operación de las plantas.

Residuos vegetales Arroz: • En algunas zonas, la intensificación de la actividad agrícola genera una gran cantidad de residuos leñosos, paja, etc.; como consecuencia de la actividad estacional o cíclica de estos cultivos. Los residuos de la cosecha (paja, tallos, hojas, etc.) se usan como forraje o son procesados en otros productos. Estos residuos pueden tratarse mediante la biometanización, pero solo aquellos que no se usen para otros fines o compostar, serán susceptibles a ser tratados. Se trata de residuos poco biodegradables debido a su gran contenido en lignina. • La mayoría de vegetales son adecuados para la fermentación anaerobia. La producción de biogás es elevada según sea la especie a tratar. Las partes leñosas y la celulosa resisten la degradación anaerobia, por lo que deben ser evitadas. Así mismo, la poca capacidad de tiraje hidráulico de estos elementos y su tendencia a formar una capa de espuma hace que sólo se puedan usar en plantas tipo batch. A la práctica, estas plantas son poco usadas por la necesidad de carga y descarga intermitente. • Los residuos de cosecha se deben usar conjuntamente con los excrementos de los animales, aunque deberán someterse a un pre-tratamiento (precompost). Cualquier material fibroso, como la paja se deberá trocear a un tamaño de 2 a 6 cm., y aún así esto no evitará completamente la formación de espuma, o también llamada nata. • Para el caso concreto del arroz, se sabe que este tiene un contenido muy alto de silicio (13,1%) que por ser inorgánico no se degrada por el tratamiento orgánico y se acumula en el digestor, pudiendo llegar a crear problemas de colapso.

Parámetros orgánicos

de

caracterización

físico-química

de

desechos

a) Humedad: Es la cantidad en porcentaje de agua perdida al secar la materia orgánica. Esta constituido por sólidos digeribles y no digeribles. b) Sólidos totales (TS): Es el contenido de sólidos totales presentes en un estiércol, orín o material orgánico que se alimenta a un biodigestor, se expresa en porcentaje o peso de sólidos secos. c) Sólidos volátiles (SV): Es la fracción de sólidos totales que se pierde cuando sé somete a un calentamiento de aire alrededor de 500 grados centígrados. Esta constituido por sólidos biológicamente digeribles. d) Carbohidratos: Son la materia orgánica que actúan como substratos de la población microbiana, proporcionando el carbón necesario para la producción de biogás. e) Lignina: Son la parte volátiles no digeribles y casi siempre están en los desechos de origen vegetal. La celulosa, aparte de que es la principal constituyente de la nata o que se forma en el digestor lo que impide el buen trayecto del biogás.

Prefermentación de los materiales • La prefermentación es conocida también como el Pre-compost esto se realiza unos 15 a 21 días antes de cargar al digestor y consta de una selección de materiales apropiados como ya se mencionan en puntos anteriores para la carga inicial de cualquier tipo de digestores (chinos, hindú, OLADE-GUATEMALA) y que deben hacerse considerando, además su disponibilidad, su contenido de humedad, sólidos totales, sólidos volátiles, carbono y nitrógeno. • La carga inicial de un biodigestor juega un papel importante para la producción de biogás y claro un excelente funcionamiento del biodigestor. Dicha carga debe reunir las condiciones del substrato necesario para los biodigestores. Para una mejor fermentación es recomendable la combinación estiércol más resto vegetal. En una relación teórica de 1:1(1 Kg. de estiércol más 1 Kg. de resto vegetal). • Dicha prefermentación presenta las siguientes ventajas: • Una producción de biogás superior al 50%. • Eliminación cerca del 90% de los huevos de parásitos. • Reducción de volumen de la paja, facilitando su transporte e introducción en el biodigestor. • Los valores de carbono y nitrógeno nos permiten establecer formulaciones de proporciones de mezclas de materiales sobre la base de formulas establecidas e estudiadas siendo así que estos son referencias y dependerá mucho de la zona en proyecto y es recomendable hacer sus propios estudios relacionado al carbono y nitrógeno de cada materia prima y así poder trabajar con ellos. En las tablas 5.1 y 5.2 se muestran algunos datos de cada uno.

Protocolo para el preparado del pre-compost • Terminado el seleccionado de los materiales estiércol más paja se recurre hacer el pre-compost con las siguientes técnicas a seguir: • Tener en cuenta que esta digestión es aeróbica es decir se trabaja al aire libre. • Se selecciona el campo de trabajo, de preferencia cerca del sistema digestión. • Se cortan los residuos vegetales (tallos y hojas) en tamaños más pequeños de los que se tiene, es recomendable que el usuario tenga una picadora. • Se hace rumas de estiércol, paja; por separado y pesado de acuerdo a los cálculos realizados. • Se forma una pila de capas alternadas de paja y estiércol, con adición de agua, y dejando agujeros para la aireación, (Ejem: poniendo tubos de bambú hasta al final de la pila). • Después de unos 5 a 7 días ver si la temperatura es la adecuada esto esta alrededor de los 70 grados centígrados, luego se revuelve la pila mezclando bien el estiércol y la paja para volver a dejarlo todo apilado nuevamente hasta los 14 o 21 días. • Terminado los 14 o 21 días y observando las condiciones mencionadas se procede al cargado. • En la foto 5.1 se puede apreciar una pila de pre-compost para el cargado de un biodigestor de 25m3 del tipo OLADE – GUATEMALA.

Aprovechamiento del biogás como fuente de energía El uso del biogás como combustible alternativo podrá precisar de tratamientos, como la eliminación del sulfuro de hidrógeno. El sulfuro puede eliminarse mediante la introducción de limaduras de fierro en la tubería. Cuando el fierro entra en contacto con el biogás, oxida el ácido sulfhídrico o sulfuro de hidrógeno y se forma sulfato ferroso como precipitado. Esta sencilla forma de eliminar el ácido sulfhídrico ayuda a poder hacer un mejor aprovechamiento del biogás. Si no se eliminase, la mayor parte de los componentes del sistema de aprovechamiento se corroerían con gran facilidad. Los elementos más dañados serán aquellos que están en contacto directo con la llama de biogás, puesto que cuando se quema o oxida el biogás también se oxida el ácido sulfhídrico a ácido sulfúrico, que es altamente corrosivo. El biogás es pues un gas combustible que puede usarse a nivel doméstico o industrial, especialmente para: fogones de cocina o estufas, lámparas de biogás, estufas radiantes, incubadoras, refrigeradores, etc. (energía térmica), generadores eléctricos, o en motores para aplicabilidad de vehículos. El ritmo de vida de la sociedad actual genera una gran cantidad de desechos de diversos tipos. Esta cantidad de subproductos contiene materia orgánica, y esta materia orgánica posee un poder energético potencial que puede ser aprovechado para su reutilización y así frenar el crecimiento de los residuos y sus emanaciones contaminantes a la vez. El biogás está formado principalmente por metano y dióxido de carbono. El metano es el gas que le confiere las características de un combustible y por lo tanto el que provoca la elección del biogás como combustible alternativo.

Composición: De la composición del gas dependerá la calidad del combustible resultante y esta composición a su vez depende de las propiedades de la materia de la que procede, por ejemplo el porcentaje de metano de los rellenos sanitarios esta en un rango de 45 a 60% y el metano de los residuos ganaderos y agrícolas esta en un rango de 50 a 70%, en realidad esto va depender mucho del residuo a tratar.

COMPONENTE

FORMULA QUÍMICA

PORCENTAJE (%)

Metano

CH4

54-70

Dióxido de Carbono

CO2

27-45

Hidrogeno

H2

1-10

Nitrógeno

N2

0.5-3

Monóxido de carbono

CO

0.10

Oxigeno

O2

0.10

Ácido sulfhídrico

H2S

0.15-0.50

No existe una composición o mezcla que se pueda tomar para generalizar la composición del biogás. Cada biogás tiene su propia composición, de hecho dos biodigestores del mismo tipo, la misma capacidad y en la misma zona pueden tener una composición diferente entre sí, por todo esto es recomendable hacer un análisis periódico al biogás para adecuar los equipos a utilizar a si evitar problemas. Al H2S y al CO2 se les denomina gases ácidos del biogás. En todas las plantas donde se produce biogás la presencia de estos compuestos es elevada. El ácido sulfhídrico (sulfuro de hidrógeno) tiene la característica de tener un olor muy desagradable y ser muy tóxico. Por su parte el dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, que a concentraciones bajas no es tóxico, pero en condiciones elevadas incrementa la frecuencia respiratoria y puede llegar a producir sofocación; se puede licuar fácilmente por compresión, sin embargo cuando se enfría a presión atmosférica se condensa como sólido en lugar de hacerlo como líquido. El dióxido de carbono es soluble en agua y la solución resultante puede ser ácida como resultado de la formación de ácido carbónico, he aquí la propiedad corrosiva que el CO2 re en presencia del agua. Origen y generación Las principales fuentes de generación del biogás son: - Rellenos sanitarios. - Estaciones depuradoras de aguas residuales con tratamiento biológico. - Plantas de digestión anaeróbica con residuos de animales y restos vegetales. - Entre las posibles formas de obtener biogás, se explicará detalladamente la más común: la de procedencia de residuos agrícolas y ganaderos.

Biogás

Rellenos Sanitarios

Filtrado mecánico Eliminación de partículas

Calderas, turbinas, cocinas, lámparas, etc. a gas.

Residuos animales y vegetales

Limpieza Eliminación de SH2

Motores de combustión interna

Tratamiento de aguas residuales

Concentración Eliminación de CO2

Síntesis Combustibles varios

Red de gas

Uso vehicular

Equivalencias y diferencias del biogás con otros combustibles A continuación se detallará las equivalencias de 1m3 de biogás con otros combustibles. Por ejemplo 1m3 de biogás equivale a 0.24 litros de gas licuado de petróleo (GLP) o 1.1 de G.N y también equivale a 0.8 Kg de carbón mineral o 0.5 Kg de leña.

EQUIVALENCIA (m3)

COMBUSTIBLES

0.0006

Gasolina

0.00055

Diesel

0,2

Propano

0,25

Butano

1.1

G.N

0.00024

GLP

EQUIVALENCIA (kg)

0.5-0.15

Leña

0.8

Carbón vegetal

0.74

Carbón mineral

1.3

Restos vegetales

Aplicabilidad del biogás en motores alternativos de combustión interna El uso del biogás en el sector transporte es más eficiente si se convierte en un gas similar al gas natural, por lo tanto se trata de eliminar todos los compuestos diferentes al gas natural como son el CO2 y H20, entre otros. Consecuentemente, al igual que el gas natural, el uso del biogás en la automoción se lleva a cabo mediante motores de ciclo Otto. Una vez transformado, su aplicabilidad en la automoción es la misma que el gas natural, puede ser almacenado o transportado, comprimido o licuado. Actualmente, el biogás que se utiliza como combustible en vehículos, es para flotas de vehículos cercanas a las fuentes de biogás (como plantas de tratamientos de aguas residuales y rellenos sanitarios), ya que los vehículos no pueden recorrer largas distancias debido a la inexistencia de estaciones de servicio.

Biogás como fuente de energía térmica Es importante anotar que la mayoría de gasodomésticos y equipos que utilizan gas, vienen diseñados de fábrica para trabajar con GLP, por lo que es necesario modificar el niple que regula el flujo de gas. Cuando se pasa de GLP a gas natural el orificio del niple es ampliado para el caso del gas proveniente de biodigestores el orificio del niple debe ser ampliado aún más, puesto que este gas tiene menos presión y bajo poder calorífico y por tanto para mantener un mismo flujo se requiere un niple con orificio de mayor diámetro. La aplicación de biogás como fuente de energía térmica consiste en usar el biogás para la cocción de alimentos, calefacción, alimentos, termotanques, estufas radiantes, incubación, entre otros. El sistema más extendido para este tipo de aprovechamiento está basado en la combustión del biogás en quemadores, que pueden ser fabricados de diferentes materiales.

Quemadores de biogás • Estos quemadores son normalmente unos tubos metálicos que van conectados directamente al reservorio de gas, el cual termina en una boquilla de diámetro reducido. Una cámara mezcladora conecta a la boquilla y a la entrada o entradas de aire y una tapa agujereada sobre la cámara de mezcla donde se realiza la combustión. • El biogás entra por la boquilla a una presión entre 50 y 200 mm de columna de agua, luego se va a mezclar con el aire (ver figura 6.1). • El quemadero deberá ajustarse de forma precisa para obtener una llama compacta y continua; la llama, compuesta por un cono interno y otro externo, deberá tocar el bote con el cono externo pero no con el interno; la llama debe estar estabilizada, es decir que las zonas sin llama deben volver a prenderse de forma automática en un período de 2 o 3 segundos.

BIOGAS

Cocinas a biogás • Generalmente estos tipos de cocinas a biogás pueden lograr una eficiencia de 40 a 60% (previa purificación). • En la India y la China las estufas son hechas de hierro fundido e inyectores de bronce, también son hechos de arcilla refractarios y con boquillas de cañas de bambú. • Según datos prácticos, para hervir un litro de agua se consume 0.04m3 de biogás en un tiempo diez minutos.

Lámparas • El quemador es similar al de la cocina sólo que en vez de una tapa agujereada usa un mechero o caperuza de gasa incandescente que es el bulbo que emite la luz. • Las lámparas de biogás están hechas de gasa de lino remojado en una solución de nitrato de torio, el cual se convierte en ceniza y nos proporciona una luz blanca y brillante. • Por lo general es recomendable que las lámparas funcionen a presión constante. Las lámparas a biogás poseen un bajo rendimiento por eso se calientan extremadamente. Si se cuelgan muy cerca del techo se corre el peligro de incendio, ya que los mecheros o camisas incandescentes no duran mucho.

Refrigeración y calefacción: Este tipo de refrigeración es de absorción (generalmente con solución de amonio y agua) que va a funcionar con biogás, usando un quemador como fuente de calor el cual sustituye a un combustible como el kerosene. En estas refrigeradoras hay problemas, la composición del biogás oscila mucho de un día a otro. Aún en plantas con campana flotante la presión del gas varía mucho según la cantidad de gas almacenado. Por eso se requiere de boquillas especiales y resistentes a la incandescencia, sobre todo si el refrigerador posee un regulador con termostato y la llama enciende solo cuando es necesario. En cada arranque existe el peligro de que la llama sea interrumpida. Entonces fluye el gas sin ser quemado. Por eso la alimentación de gas debe ser interrumpida automáticamente si la llama se escapa. El biogás también puede ser usado para calentar agua y/o ambiente, el cual puede usarse en edificios, estufas especialmente diseñadas para cada uno de estos usos. El biogás puede ser quemado en calderos directamente con una eficiencia del 85%. Estufas radiantes: En la agricultura se usan para mejorar las condiciones de las crías de animales. Así deberá de asegurarse una buena ventilación para el establo, para evitar la acumulación de monóxido y dióxido de carbono. La capacidad de calefacción se obtiene de la multiplicación del caudal de gas por su poder calorífico y un rendimiento del 95%. Incubadoras: Son para mantener las condiciones ideales para el desarrollo de los embriones en los huevos de las aves criadas

Biogás como fuente de energía eléctrica • •

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•

•

Los aprovechamientos energéticos para la producción de electricidad a partir de esta forma de energía asumen ya, una posición relevante en los sistemas energéticos mundiales. Esta energía transformada se realiza en motores de combustión interna estacionarios ya sean gasolineras , petroleros a gas. la utilización del biogás en estos generadores de corriente eléctrica pose las suficientes cualidades para la sustituir a los combustibles fósiles. Deberá disponerse de plantas que generen de un mínimo de 10 m3 de biogás al día, siendo una aplicación no apta para biodigestores pequeños. Los tipos de motores que podemos adaptar para usar el biogás son motores diesel y gasolineras siendo las gasolineras los mas recomendables. En un motor de combustión interna estacionario, variando los volúmenes de admisión de combustible y aire, puede quemarse el biogás, y si el eje motriz del motor se acopla a un alternador, se genera energía eléctrica que se puede vender a la red. La mejor aplicación es sin duda la cogeneración de electricidad y calor, con la que se pueden alcanzar rendimientos de hasta un 88%. Esta afirmación se cumple únicamente si se aprovecha todo el calor residual generado, y se aplica sobretodo en instalaciones grandes. Para que estos motores funcionen con biogás existe una adaptación que tiene que realizarse en el motor que es el carburador

Unidades Generadoras Utilizadas en la Generación de Eléctrica por medio de Biogás Motores a gas: Los motores a gas mecánicamente son idénticos a los motores de combustión a gasolina, la diferencia radica en la admisión del combustible. En los motores a gas, esta admisión se realiza por medio de una válvula que regula la presión con la que se inyecta el gas licuado o GN directamente en el carburador. Las modificaciones que se deben realizar a este motor para utilizarlo en la generación de electricidad a partir del consumo de biogás, es modificar levemente la presión de inyección del gas, para que se ajuste a las condiciones del biogás. El porcentaje de sustitución de biogás por gas GLP es del 100%. Por el tipo de sistema de alimentación, estas adaptaciones no permiten una regulación automática de la mezcla y la carga, por lo que el ajuste del motor se debe de realizar de forma manual desde la válvula de control del biogás, colocada en la línea de admisión. Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrado por el generador. Para el caso de cargas variables el flujo de gas hacia el motor se debe regular por medio de un sistema de control especialmente diseñado, que garantice el flujo del gas al motor para responde a las diferentes demandas de potencia generados por las cargas aplicadas.

Motores a diesel:

Los motores a diesel, se pueden operar con una sustitución del diesel por biogás hasta un 70%, y un consumo de diesel del 30% restante por lo que el motor no sufre ninguna alteración al consumir los dos tipos de combustible al mismo tiempo. Para realizar estas adaptaciones se debe de colocar una “T” entre el filtro y el sistema de admisión del aire, donde se conecta la tubería del biogás. Se debe de instalar una válvula en esta tubería para regular el suministro del biogás y ajustarlo al porcentaje requerido de operación.

Se muestra la adaptación que se le realizo al motor de diesel, donde se le colocó una “T” entre la admisión del aire del motor que es la parte inferior de la tubería plástica y el filtro del depurador en la parte superior, además se aprecia la válvula reguladora la cual es de bronce y la válvula de cierre del biogás, que se encuentra en la parte superior derecha de color rojo. En estos motores la mezcla de diesel y biogás se realiza directamente en la cámara de combustión del motor. Cuando el motor recibe el biogás por la entrada de aire, este se acelera, por lo que el gobernador de la bomba de inyección reduce la cantidad de diesel suministrado a la cámara de combustión, logrando una estabilidad en la aceleración y potencia del motor. Estos motores soportan las variaciones de carga sin tener que operar la válvula de regulación del biogás, permitiendo operar en un rango más amplio de carga. Para los arranques del motor se debe alimentar únicamente con diesel, una vez arrancado el moto se realiza la transferencia de biogás gradualmente, hasta alcanzar el 70%. No es recomendable la sustitución mayor a un 70% de biogás por diesel porque puede dañar el motor.

Motores a Gasolina: El motor a gasolina puede ser operado con biogás realizándole una simple adaptación, que consiste en colocar un carburador para q funciones con biogás. Se debe de tener ciertas consideraciones para que un motor gasolina, alimentado con biogás opere satisfactoriamente: Evitar el paso de gasolina cuando el motor va a operar o está operando con biogás, esto con el fin de evitar un gasto innecesario de combustible. Para lograrlo se debe de colocar una válvula para controlar el paso de la gasolina al carburador. Garantizar un suministro de biogás a presión constante. El filtro del aire debe de mantenerse limpio para mantener una constate relación entre la mezcla de biogás y aire que nos garantice una operación estable del motor. Colocar una válvula para controlar la admisión del gas al motor. Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrada por el generador. Para el caso de cargas variables, el flujo de gas hacia el motor se debe regular con un sistema de control especialmente diseñado, que garantice que el flujo del gas que se inyecte en el motor pueda responder a las diferentes demandas de potencia debido a las variaciones de carga eléctrica, provocada por el constante entrar y salir de cargas.

Biogás

Carcasa Mariposa

Aire

Al motor

Tobera

Diseño de biodigestores El diseño de los biodigestores debe responder a las condiciones del lugar y a la aplicación que se le va a dar bien sea como energía térmica o eléctrica. Terminado del reconocimiento de la región, localidad y el lugar donde se va construir la planta de biogás se podrá identificar el clima, la materia prima disponible y las necesidades de producción de biogás, definiendo a si el nivel de aplicación: industrial, comunal, familiar o por ultimo con fines de investigación. Los biodigestores se construyen en una alternativa para el tratamiento de los desechos orgánicos, pues disminuye la carga contaminante de los desechos agropecuarios, mejoran la capacidad fertilizante del material y eliminan malos olores. Hay dos formas que se tiene que tener en cuenta para diseñar un biodigestor: De la demanda del usuario es decir cuanto de energía requiere ya sea como energía térmica o eléctrica, se puede saber el consumo de biogás diario (m3/h). De la materia prima disponible. La cantidad, calidad y distribución de materia prima permite conocer el potencial de biogás disponible definiendo el nivel de aplicación.

Cálculo de diseño Cantidad total de biogás requerido La cantidad de biogás requerido va estar en función de los equipos a utilizar, el tiempo de uso de los equipos y la cantidad de cada uno de estos. Consumo de biogás El consumo de biogás va a depender de cada equipo a utilizar y esto nos indica el consumo en m3/h, esto quiere decir cuanto de biogás esta consumiendo dicho equipo, se puede sacar con un contador de biogás o existen datos referidos a estos. El cuadro 7.1 muestra la cantidad de biogás requerido para diversos equipos de combustión; a partir de estos datos se puede estimar la cantidad de biogás que necesitamos producir diariamente (m3/d).

Consumo de biogás por equipo EQUIPOS

CONSUMO m3/h-m3/kwh

Cocina quemador grande

0.47

Cocina -quemador chico

0.30 m3/h

Lámpara a gas

0,07

Refrigerador

0.031

Incubadora

0.015

Lámpara a gas equivalente a una bombilla 60w

0.10

Calentadores radiantes

0.31 m3/h

Motor a gas

0.5 m3/kwh

Motor gasolinero

1-1.38 m3/kwh

Determinación de la cantidad de desechos Es llamado también carga orgánica, depende del tipo de desechos a utilizar pudiendo incluir desechos de animales, agrícolas, humanos y otros desechos. Los desechos con que se vaya a cargar un digestor deben tener una relación carbono/nitrógeno entre 25 y 30 que es la mas apropiada para el proceso de digestión anaerobia.

Datos para el diseño Rendimiento en biogás de desechos orgánicos Desecho

Rb (m3/kg)

Estiércol de vacunos

0.310-0.0372

Estiércol de equinos

0.302-0.0573

Estiércol de porcinos

0.65-0.0573

Estiércol de ovinos

0.610-0.152

Estiércol de aves

0.310-0.91

Paja de cereales

0.370-0.190

Excreta humana

0.38-0.418

Residuos de matadero de la transformación de pescado

0.34-0.71

Residuos “verdes” de jardín y agrícola

0.35-0.46

Residuos alimenticios

0.32-0.80

Residuos orgánicos domésticos

0.40-0.58

Residuos de separadores de grasa

0.70-1.30

Purinas agrícolas

0.22-0.55

Lodos de procesos de purificación

0.45-0.55

• EJEMPLO 1: Calcular la cantidad de materia prima si el consumo de biogás de una familia es de 2.60 m3/día, se va utilizar estiércol vacuno, siendo el rendimiento de biogás de 0.0372 m3/kg (Rb = 0.0372 m3/kg se obtiene de la tabla 1).

• EJEMPLO 2: Del problema anterior calcular el número de vacunos que son necesarios para satisfacer la necesidad de los 2.60m3/día de biogás, si el vacuno tiene un rendimiento de desecho de 10 kg / animal x día (ver tabla 2).

• EJEMPLO 3: Del primer problema, el biodigestor recibe 69.9 kg/día y tendrá que retener una carga de 90 días a fin de generar la cantidad requerida de biogás.

• EJEMPLO 4: Una familia de un determinado poblado del Perú tiene necesidades energéticas , no hay conexión a la red y esta demasiado lejos de su distrito donde si disponen de energía eléctrica (aprox. 20km) el tiempo del poblado al distrito es dos días a pie ( no hay carretera) lo cual dificulta el transporte de combustibles fósiles (gasolina y diesel ). En las tablas adjuntas se muestran las necesidades energéticas de dicha familia. Se pide calcular : • Estimar el consumo de biogás con fines de energía térmica e eléctrica • Determinar la carga necesaria • Calcular el numero de animales de vacunos y cerdos( por separado) • Calcular el tamaño del digestor • Calcular el tamaño del gasómetro • Calcular el tamaño del tanque de Biol.

Consumo de biogás con fines térmicos de la familia Aplicación

Especificación

Unidades

Tiempo de uso (horas/dias)

Hervir agua

Quemador grande

1

2

Pasteurizar leche

Quemador chico

1

2

Consumo de biogás con fines eléctricos de la familia Equipo

Cantidad

Especificaciones W-HP

Tiempo de uso horas/día

DVD

1

50

3

TV

1

100

3

Radio

1

80

2

Computadora

1

200

3

Impresora

1

150

1

Bomba de agua

1

1.5

1

Trituradora

1

3

2

Lámpara

4

11

2

Ventilador

1

50

2

Rendimiento en desecho húmedo de animales y humanos

Nota: Los valores de Re van a variar considerablemente dependiendo del tipo de alimentación, del tamaño del animal, del peso del mismo, es decir del estado fisiológico del animal. Como ejemplo tenemos que un cedo hembra tiene un promedio de heces (kg) de 4.61 kg., una hembra gestante 3 kg. y un macho productor 2.81 kg.

Animal

Re (kg/animal)

Vaca

10

Cerdo

34.61

Gallina

0.18

Oveja

2.2

Hombre

0.60

Fuentes de energía en competencia con el biogás en el sector urbano Electricidad Derivados del Petróleo

Carbón Derivados del Petróleo

BIOGÁS

GN /GLP

Hidroelectricidad

Generación Eléctrica

Residencial y Comercial

Industria Electricidad

Carbón

Derivados del Petróleo

¿Cuál es el problema principal para el desarrollo de la biomasa como fuente de energía en el mercado eléctrico peruano? Los altos costos de inversión, hacen que sus costos medios no sean competitivos en mercados maduros, bajo ningún esquema regulatorio que no contemple algún tipo de subsidio” …. En el Sistema Interconectado Nacional … no son competitivas … En los Sistemas Aislados… No son atractivas para las Inversiones privadas: Economías de escala, altos costos del desarrollo tecnológicos, menores garantías de pago... entre las razones más importantes.

Conclusiones finales • Es factible utilizar biogás como combustible alternativo en motores de combustión interna de baja y media potencia recurriendo a una adaptación en el sistema de alimentación. • Hay un ahorro sustancial de los combustibles con biogás.

• En motores por encendido por chispa el ahorro de gasolina es casi total, ya que emplea una mínima cantidad para el arranque.

Tarea central

Transformar la estructura energética hacia el uso del biogás como recurso que sustituya al petróleo y sus derivados, la leña, etc.

…Finalmente “HAREMOS LA LUZ ELECTRICA TAN BARATA QUE SOLO LOS RICOS PODRAN DARSE EL LUJO DE QUEMAR VELAS”

Gracias • [email protected] • Cel:96243764