Energía de la Biomasa Manual técnico

Transcripción

1 Energía de la Biomasa Manual técnico Autores M. Sc. Ing. Carlos Orbegozo Ing. Roberto Arivilca Green Energy Consultoría y Servicios SRL

2 ENERGIA DE LA BIOMASA Manual técnico Módulo Básico 2

3 PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL La publicación del presente documento ha sido posible gracias a la ayuda económica del Deutscher Entwicklungsdienst (DED). El contenido es responsabilidad exclusiva de GREEN ENERGY y no se debe considerar como opinión del DED. GREEN ENERGY desea que la información existente en el presente documento sirva para el desarrollo profesional de los (las) lectores (lectoras). 3

4 CLÁUSULA DE EXENCIÓN DE RESPONSABILIDAD Mediante el presente documento, GREEN ENERGY pretende difundir conceptos básicos sobre la generación de energía de la biomasa y su utilización con respeto al medio ambiente, dentro del contexto social y económico de los países involucrados. Trataremos de corregir los errores que se nos señalen, aplicando el concepto de la mejora continua. No obstante, GREEN ENERGY no asume responsabilidad alguna en relación con el contenido de las siguientes páginas, puesto que: consiste únicamente en información básica que no aborda circunstancias específicas relativas a los componentes y sistemas analizados; contiene en algunas ocasiones enlaces a páginas externas sobre las que las actividades de GREEN ENERGY no tienen control alguno y respecto de las cuales declina toda responsabilidad; no ofrece asesoría profesional o jurídica (si desea efectuar una consulta de este tipo, diríjase siempre a un profesional debidamente calificado). Pretendemos reducir al mínimo los problemas ocasionados por errores de carácter técnico. Sin embargo, algunos datos o informaciones contenidas en las siguientes páginas pueden haber sido creados o estructurados en archivos o formatos no exentos de errores, por lo que no podemos garantizar que nuestro servicio no quede interrumpido o afectado de cualquier otra forma por tales problemas. GREEN ENERGY no asume responsabilidad alguna respecto de dichos problemas, que puedan resultar de la consulta de las presentes páginas. La presente cláusula de exención de responsabilidad no tiene por objeto limitar la responsabilidad de GREEN ENERGY de forma contraria a lo dispuesto por las normativas nacionales aplicables, ni excluir su responsabilidad en los casos en los que, en virtud de dichas normativas, no pueda excluirse. 4

5 TABLA DE CONTENIDOS 1. PRÓLOGO GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS CONCEPTOS BASICOS QUÉ ES LA BIOMASA? FUENTES DE BIOMASA CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA VENTAJAS Y DESVENTAJAS CONVERSION DE LA BIOMASA EN ENERGIA CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA FORMAS DE ENERGÍA COMBUSTIÓN Y EMISIONES APLICACIONES EN EL SECTOR DOMÉSTICO APLICACIONES EN EL SECTOR INDUSTRIAL APLICACIONES EN EL SECTOR COMERCIAL INSTALACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UN BIODIGESTOR TIPO BATCH DESCRIPCIÓN FUNCIONAMIENTO INSTALACIÓN DE LOS DIGESTORES, GASÓMETRO Y COCINA PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ARMADO DE LOS ACCESORIOS DE LOS BIODIGESTORES PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LA INSTALACIÓN DE LA CRUCETA DEL GASÓMETRO PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LA INSTALACIÓN DE TAPAS DE LOS DIGESTORES PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LA INSTALACIÓN DE LAS COCINAS ELABORACIÓN DEL COMPOST PROCEDIMIENTO PARA EL CARGADO DE LOS BIODIGESTORES PROCEDIMIENTO PARA EL DESCARGADO DE LOS BIODIGESTORES INSTALACIÓN, OPERACIÓN Y USO DE BIODIGESTOR FAMILIAR DE BAJO COSTO DESCRIPCIÓN DEL BIODIGESTOR CONSIDERACIONES PARA EL DIMENSIONADO Y DISEÑO MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR DE POLIETILENO MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR DE POLIETILENO INSTALACIÓN DEL BIODIGESTOR PROTECCIÓN DEL BIODIGESTOR ANEXOS ANEXO 1: VALOR CALORÍFICO ANEXO 2: VIAS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA

6 Fuente: 1. PRÓLOGO El presente curso de Energía de la biomasa ha sido diseñado especialmente para el Proyecto ID/772. En él se tratarán los aspectos teóricos y prácticos básicos de esta tecnología, utilizando un lenguaje sencillo y acompañando cada tema con gráficos, tablas y fotos. El objetivo principal del curso es poner a disposición de los estudiantes un conocimiento básico acerca de los fundamentos de la tecnología de aprovechamiento de la biomasa a través de un enfoque práctico del tema, desarrollando únicamente los puntos más relevantes del aspecto teórico. De este modo, al finalizar el curso, el alumno habrá adquirido conocimientos acerca de esta tecnología, sus posibilidades, restricciones y aplicaciones. A su vez será capaz de dimensionar, instalar, inspeccionar y dar mantenimiento a pequeños sistemas de aprovechamiento de la biomasa. Por último, aprenderá a realizar mediciones y a detectar errores en el sistema. Porqué estudiar energía de la biomasa? El elevado costo de los combustibles fósiles y los avances técnicos que han posibilitado la aparición de sistemas de aprovechamiento energético de la biomasa cada vez más eficientes, fiables y limpios, han causado que esta fuente de energía renovable se empiece a considerar por las industrias como una alternativa, total o parcial, a los combustibles fósiles. Con el transcurso del tiempo, su aplicación se ha vuelto necesaria pues involucra tecnologías de bajo costo y fácil aplicación, para generar energía alternativa que contribuya al mejoramiento y conservación ambiental. Las aplicaciones más conocidas se sitúan en el sector industrial y en el sector residencial y de servicios. Éstas son: Generación de energía térmica: Combustión de biomasa sólida, digestión anaerobia de un residuo sólido o líquido. Generación de energía eléctrica: Ciclo de vapor, turbina de gas, motor alternativo. Cogeneración. Generación de energía mecánica. 6

7 2. GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS Debido a la diversidad de especialidades técnicas que utilizan el presente manual, es necesario comenzar con una lista de definiciones que ayudarán a comprender mejor los términos técnicos utilizados. 1. Barril equivalente de petróleo (BEP): Cantidad de energía contenida en un barril de petróleo crudo. Aproximadamente 6.1 GJ (5.8 millones de Btu), equivalente a 1,700 kwh. 2. Biodiesel: Combustible derivado de aceites vegetales o grasas animales. 3. Biodigestor: Recipiente aislado en el cual las bacterias descomponen la biomasa en agua para producir biogás. 4. Bioenergía: Energía renovable producida por material orgánica. Conversión de carbohidratos complejos de la materia orgánica en energía. 5. Biogás: Gas combustible derivado de la descomposición biológica de residuos bajo condiciones anaeróbicas. El biogás normalmente contiene 50 a 60% metano. 6. Biogasificación o biometanización: El proceso de descomposición de la biomasa con bacterias anaeróbicas para producir biogás. 7. Biomasa: Cualquier materia orgánica disponible. Existe la biomasa primaria, secundaria y terciaria. 8. Briquetas: Cilindros de 50 a 130 mm de longitud y de 5 a 30 mm de diámetro hechos con serrín, astillas molturadas u otros residuos comprimidos que pueden utilizarse como combustibles, generalmente en chimeneas y parrilladas. 9. Carbonización: Conversión de material orgánico en residuo con contenido de carbón mediante pirolisis. 10. Catalizador: Substancia que aumenta la velocidad de una reacción química, sin ser consumida o producida por la reacción. Las enzimas son catalizadoras de muchas reacciones químicas. 11. Celulosa: El mayor carbohidrato existente en las plantas. La celulosa forma la estructura esquelética de las células de una planta. 12. Ciclo del carbono: Ciclo que incluye la absorción de dióxido de carbono por las plantas a través de las fotosíntesis, su ingestión por los animales y su liberación mediante la respiración y descomposición de materiales orgánicos. 13. Co-combustión: Introducción de dos combustibles distintos en la caldera de una central para producción de energía. Por ejemplo, el uso de biomasa y Diesel en centrales térmicas convencionales. 14. Conversión bioquímica: El uso de la fermentación o digestión anaeróbica para producir combustibles y químicos de Fuentes orgánicas. 15. Cultivo energético: Cultivos exclusivamente desarrollados por su valor combustible. Ejemplo: maíz, caña de azúcar, álamo blanco, pasto varilla. 16. Demanda biológica de oxígeno (DBO): Medida indirecta de concentración de material biológicamente degradable presente en residuos orgánicos. 17. Demanda química de oxígeno (DQO): Cantidad de oxígeno disuelto requerido para combinarse con otros químicos en aguas residuales. 7

8 18. Digestión anaeróbica: Descomposición de residuos biológicos por microorganismos, usualmente bajo condiciones húmedas en ausencia de aire (oxígeno), que produce un gas que contiene mayormente metano y dióxido de carbono. 19. Dióxido de carbono (CO 2 ): Gas incoloro, inodoro, no venenoso que es parte normal del aire. El CO 2 es producto de la combustión de combustibles fósiles. 20. Factor de capacidad: Cantidad de energía que genera una planta de generación comparada con su rendimiento máximo, expresado en porcentaje. 21. Fermentación: Conversión de componentes con contenido de carbono por medio de microorganismos para producción de combustibles y químicos como alcoholes, ácidos o gases energéticos. 22. Gasificación: Proceso a través del cual una materia es sometida a una oxidación incompleta generando un gas combustible pobre (con bajo poder calorífico). 23. Hogar: Parte de la caldera donde se produce la combustión. 24. Lecho fluidizado: Tecnología utilizada para la combustión de la biomasa que permite utilizar una amplia variedad de combustibles muy heterogéneos con un buen rendimiento. 25. Madera combustible: Madera usada para convertirla en alguna forma de energía, principalmente para uso residencial. 26. Metales alcalinos: Óxidos de potasio y sodio (K 2 O + NaO 2 ) que son los principales químicos en los combustibles sólidos de biomasa que causan escorias y olor fétido en las cámaras de combustión y calderas. 27. Orujillo: Residuo sólido procedente de la extracción de aceite de orujo. 28. Parrilla: Tecnología utilizada para la combustión de biomasa apropiado para materiales homogéneos y humedades bajas. 29. Pellets: Pequeños cilindros de 6 a 12 mm de diámetro y de 10 a 30 mm de longitud hechos con serrín, astillas molturadas u otros residuos comprimidos que pueden utilizarse como combustibles. 30. Pirolisis: Proceso de descomposición de materiales a través de una oxidación incompleta en ausencia de oxígeno que genera compuestos sólidos, líquidos y gaseosos aptos como materiales para distintas industrias o como combustibles. 31. Poder calorífico: Es la cantidad de energía que desprende la unidad de masa de un combustible cuando éste se quema. Se diferencia el poder calorífico superior (PCS), que supone la energía bruta generada, sin descontar la utilizada en la evaporación del agua producida en la combustión, del poder calorífico inferior (PCI), que es la energía neta generada, descontando la que se utilizará en evaporar el agua producida en la combustión. 32. Residuo agrícola: Partes de plantas, tallos y hojas, que no han sido removidos del suelo. Ejemplo: rastrojos de maíz (tallos, hojas, cáscaras y mazorcas), cascarilla de trigo y arroz. 33. Residuo forestal: Incluye copas de árboles, ramas, y otro material maderero no quitados en operaciones de cosecha forestal. 34. Turbina de gas: Turbina que convierte la energía de gases calentados a presión en energía mecánica. 35. Unidad Británica Térmica (BTU): Unidad no métrica de calor, usada aún por ingenieros. Un Btu es la energía necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua de 60º a 61º a una atmósfera de presión. 1 Btu = 1,055 Joules (1.055 kj) 8

9 36. Tasa de calor: Cantidad de combustible necesario en una planta de generación para producir un kwh eléctrico. Medida para calcular la eficiencia térmica en Btu/kWh neto. 37. Valor calorífico: La máxima cantidad de energía contenida en una substancia quemándose. 38. Valor calorífico máximo: Máximo potencial energético en combustible seco a 9600 Btu/lb para madera, 7000 a 7500 Btu/lb para yareta. 39. Valor calorífico mínimo: Potencial energético en un combustible si el vapor de agua de la combustión del hidrógeno no se ha condensado. 40. Joule: Medida que representa el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton aplicada en una distancia de 1 metro (= 1 kg m2/s2). 1 Joule = calorías (1 caloría = J) 41. Kilowatt (kw): Medida de potencia eléctrica igual a 1000 Watts. 1 kw = 3412 Btu/hr = caballos de fuerza. 42. Kilowatt hour (kwh): Medida de energía equivalente al gasto de un kilowatt por una hora. 1 kwh = 3412 Btu. 43. Gas de vertedero: Tipo de gas generado por descomposición de material organic en rellenos sanitarios. Este gas es aprox. 50% metano. 44. Contenido de humedad: Peso del agua contenida en la Madera, generalmente expresada como porcentaje de peso. 45. Óxidos de nitrógeno (NO x ): Gases que consisten en una molécula de nitrógeno y diversas cantidades de moléculas de oxígeno. Se producen por la quema de combustibles fósiles. Son contaminantes a la atmósfera. 46. Calor de proceso: Calor usado más en un proceso industrial que en el calentamiento de espacios o para propósitos de mantenimiento. 47. Dióxido de azufre (SO 2 ): Formado por la combustión de combustibles que contienen azufre, generalmente carbón y petróleo. Afecta a la salud, combinado con agua y oxígeno genera la lluvia ácida, afectando los cuerpos de agua y su biodiversidad. 48. Termia: Unidad de energía igual a 100,000 Btu (= MJ); usado primariamente para gas natural. 49. Conversión termoquímica: Uso del calor para cambios químicos de substancias de un estado a otro. 50. Compuestos orgánicos volátiles (COV): Gases hidrocarbonados no-metanos, producidos durante la combustión o la evaporación del combustible. Como referencia, también pueden utilizar los siguientes glosarios: Biomass energy data book, elaborado por U. S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy: 9

10 Fuente: Biomasa, FOCER, 2002 Fuente: IDAE, CONCEPTOS BASICOS 3.1 Qué es la biomasa? Biomasa es toda materia orgánica que proviene de árboles, plantas y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía; o las provenientes de la agricultura (residuos de maíz, café, arroz, macadamia), del aserradero (podas, ramas, aserrín, cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica y otros). Esta es la fuente de energía renovable más antigua conocida por el ser humano, pues ha sido usada desde que nuestros ancestros descubrieron el secreto del fuego. Los avances tecnológicos han permitido el Figura 1: Generación de biomasa desarrollo de procesos más eficientes y limpios para la conversión de biomasa en energía; transformándola, por ejemplo, en combustibles líquidos o gaseosos, los cuáles son más convenientes y eficientes. Así aparte de la combustión directa, se pueden distinguir otros dos tipos de procesos: el termoquímico y el bioquímico. Las fuentes más importantes de biomasa son los campos forestales y agrícolas pues en ellos se producen residuos (rastrojos) que normalmente son dejados en el campo al consumirse sólo un bajo porcentaje de ellos con fines energéticos. En la agroindustria, los procesos de secado de granos generan subproductos que son usados para generación de calor en sistemas de combustión directa; tal es el caso del bagazo de caña de azúcar, la cascarilla de café y la de arroz. Por otro lado, los centros urbanos generan grandes cantidades de basura compuestas en gran parte, por materia orgánica que puede ser convertida en energía, después de procesarla adecuadamente 3.2 Fuentes de biomasa a) Plantaciones energéticas: Son grandes plantaciones de árboles o plantas cultivadas con el fin específico de producir energía. Para ello se seleccionan árboles o plantas de crecimiento rápido y bajo mantenimiento, las cuales usualmente se cultivan en tierras de bajo valor productivo. Su período de cosecha varía entre los tres y los diez años. También se utilizan arbustos que pueden ser podados varias veces durante su crecimiento, para extender la capacidad de cosecha de la plantación. Existen también muchos cultivos agrícolas que pueden ser utilizados para la generación de energía: caña de azúcar, maíz, sorgo y trigo. Figura 2: Biomasa en residuos forestales 10

11 Igualmente, se pueden usar plantas oleaginosas como palma de aceite, girasol o soya y algunas plantas acuáticas como jacinto de agua o algas, para producir combustibles líquidos como el etanol y el biodiesel. b) Residuos forestales: Son una importante fuente de biomasa. Se considera que, de cada árbol extraído para la producción maderera, sólo se aprovecha comercialmente un porcentaje cercano al 30%. Se estima que un 30% es dejado en el campo, en las ramas y raíces, a pesar de que el potencial energético es mucho mayor como se muestra en la Figura 2, y otro 40% en el proceso de aserrío, en forma de astillas, corteza y aserrín. c) Desechos agrícolas: La agricultura genera cantidades considerables de desechos. Se estima que, en cuanto a desechos de campo, el porcentaje es más del 60%, y en desechos de proceso, entre 20% y 40%. Al igual que en la industria forestal, muchos residuos de la agroindustria son dejados en el campo. Ejemplos comunes de este tipo de residuos son: el arroz, el café y la caña de azúcar. Los campos agrícolas también son una fuente importante de leña para uso doméstico. Por otro lado, las granjas producen un elevado volumen de residuos húmedos en forma de estiércol de animales. La forma común de tratar estos residuos es esparciéndolos en los campos de cultivo, con el doble interés de disponer de ellos y obtener beneficio de su valor nutritivo. Esta práctica puede provocar una sobrefertilización de los suelos y la contaminación de las cuencas hidrográficas. d) Desechos industriales: La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos, que pueden ser usados como fuentes de energía, los provenientes de todo tipo de carnes (avícola, vacuna, porcina) y vegetales (cáscaras, pulpa) cuyo tratamiento como desechos representan un costo considerable para la industria. Estos residuos son sólidos y líquidos con un alto contenido de azúcares y carbohidratos, los cuales pueden ser convertidos en combustibles gaseosos. e) Desechos urbanos: Los centros urbanos generan una gran cantidad de biomasa en muchas formas, por ejemplo: residuos alimenticios, papel, cartón, madera y aguas negras. La mayoría de los países latinoamericanos carecen de adecuados sistemas para su procesamiento, lo cual genera grandes problemas de contaminación de suelos y cuencas; sobre todo por la inadecuada disposición de la basura y por sistemas de recolección y tratamiento con costos elevados de operación. Por otro lado, la basura orgánica en descomposición produce compuestos gases contaminantes (metano, dióxido de carbono, entre otros) que contribuyen a aumentar el efecto invernadero. Estos compuestos tienen un considerable valor energético que puede ser utilizado para la generación de energía limpia. En el corto y mediano plazo, la planificación urbana deberá incluir sistemas de tratamiento de desechos que disminuyan eficazmente las emanaciones nocivas de los desechos al ambiente, dándoles un valor de retorno por medio del aprovechamiento de su contenido energético, pues aproximadamente el 80% de toda la basura orgánica urbana puede ser convertida en energía. 3.3 Características de la biomasa Los recursos biomásicos se presentan en diferentes estados físicos que determinan la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión energética que pueden aplicarse a cada tipo en particular. Por ejemplo, los desechos forestales indican el uso de los procesos de combustión directa o procesos termo-químicos; los residuos animales indican el uso de procesos anaeróbicos 11

12 (bioquímicos), etc. El estado físico de la biomasa puede clasificarse según el tipo de recurso, como se indica en el siguiente cuadro. Cuadro 1: Estados de la biomasa Recursos de biomasa Tipo de residuo Características físicas Residuos forestales Residuos agropecuarios Residuos industriales Residuos urbanos Restos de aserraderos: corteza, aserrín, astillas Restos de ebanistería: aserrín, trozos, astillas Restos de plantaciones: ramas, cortezas, raíces Cáscara y pulpa de frutas y vegetales Cáscara y polvo de granos secos (arroz, café) Estiércol Residuos de cosechas: tallos y hojas, cáscaras, maleza, pastura Pulpa y cáscara de frutas y vegetales Residuos de procesamiento de carnes Aguas de lavado y precocido de carnes y vegetales Grasas y aceites vegetales Aguas negras Desechos domésticos orgánicos (cáscaras de vegetales) Basura orgánica (madera) Polvo, sólido, HR 1 > 50% Polvo, sólido, HR 30-45% Sólido, HR > 55% Sólido, alto contenido humedad Polvo, HR < 25% Sólido, alto contenido humedad Polvo, HR > 55% Sólido, humedad moderada Sólido, alto contenido humedad Líquido Líquido, grasoso Líquido Sólido, alto contenido humedad Sólido, alto contenido humedad a) Composición química y física: Las características químicas y físicas de la biomasa determinan el tipo de combustible o subproducto energético que se puede generar; por ejemplo, los desechos animales producen altas cantidades de metano, mientras que la madera puede producir el denominado gas pobre, que es una mezcla rica en monóxido de carbono (CO). Por otro lado, las características físicas influyen en el tratamiento previo que sea necesario aplicar. b) Contenido de humedad (H.R.): El contenido de humedad de la biomasa es la relación de la masa de agua contenida por kilogramo de materia seca. Para la mayoría de los procesos de conversión energética es imprescindible que la biomasa tenga un contenido de humedad inferior al 30%. Muchas veces, los residuos salen del proceso productivo con un contenido de humedad muy superior, que obliga a implementar operaciones de acondicionamiento, antes de ingresar al proceso de conversión de energía. c) Porcentaje de cenizas: El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. En los procesos que incluyen la combustión de la biomasa, es importante conocer el porcentaje de generación de ceniza y su composición, pues, en algunos casos, ésta puede ser utilizada; por ejemplo, la ceniza de la cascarilla de arroz es un excelente aditivo en la mezcla de concreto o para la fabricación de filtros de carbón activado. d) Poder calórico: El contenido calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía disponible en la biomasa. Su poder calórico está relacionado directamente con su contenido de humedad. Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión debido a que una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua y no se aprovecha en la reducción química del material. En el Anexo 1 se encuentra una tabla con valores del poder calórico para diferentes tipos de biomasa. e) Densidad aparente: Esta se define como el peso por unidad de volumen del material en el estado físico que presenta, bajo condiciones dadas. Combustibles con alta densidad aparente favorecen 1 HR = Humedad relativa 12

13 la relación de energía por unidad de volumen, requiriéndose menores tamaños de los equipos y aumentando los períodos entre cargas. Por otro lado, materiales con baja densidad aparente necesitan mayor volumen de almacenamiento y transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir por gravedad, lo cual complica el proceso de combustión, y eleva los costos del proceso. f) Recolección, transporte y manejo: Las condiciones para la recolección, el transporte y el manejo en planta de la biomasa son factores determinantes en la estructura de costos de inversión y operación en todo proceso de conversión energética. La ubicación del material con respecto a la planta de procesamiento y la distancia hasta el punto de utilización de la energía convertida, deben analizarse detalladamente para lograr un nivel de operación del sistema por encima del punto de equilibrio, con relación al proceso convencional. Figura 3: Ejemplo del ciclo energético de residuos sólidos urbanos a) Consumo de una familia de 4 miembros d) Lo que representa el 10% del consumo energético de esta familia b) Producen 1 tonelada métrica de residuos al año aprox. c) Esa tonelada puede generar 460 Wh 3.4 Ventajas y desventajas a) Ventajas La biomasa es una fuente renovable de energía y su uso no contribuye a acelerar el calentamiento global; de hecho, permite reducir los niveles de dióxido de carbono y los residuos de los procesos de conversión, aumentando los contenidos de carbono de la biosfera. La captura del metano de los desechos agrícolas y los rellenos sanitarios, y la sustitución de derivados del petróleo, ayudan a mitigar el efecto invernadero y la contaminación de los acuíferos. Los combustibles biomásicos contienen niveles insignificantes de sulfuro y no contribuyen a las emanaciones que provocan lluvia ácida. La combustión de biomasa produce menos ceniza que la de carbón mineral y puede usarse como insumo orgánico en los suelos. 13

14 La conversión de los residuos forestales, agrícolas y urbanos para la generación de energía reduce significativamente los problemas que trae el manejo de estos desechos. La biomasa es un recurso local que no está sujeto a las fluctuaciones de precios de la energía, provocadas por las variaciones en el mercado internacional de las importaciones de combustibles. En países en desarrollo, su uso reduciría la presión económica que impone la importación de los derivados del petróleo. El uso de los recursos de biomasa puede incentivar las economías rurales, creando más opciones de trabajo y reduciendo las presiones económicas sobre la producción agropecuaria y forestal. Las plantaciones energéticas pueden reducir la contaminación del agua y la erosión de los suelos; así como a favorecer el mantenimiento de la biodiversidad. b) Desventajas Por su naturaleza, la biomasa tiene una baja densidad relativa de energía; es decir, se requiere su disponibilidad en grandes volúmenes para producir potencia, en comparación con los combustibles fósiles, por lo que el transporte y manejo se encarecen y se reduce la producción neta de energía. La clave para este problema es ubicar el proceso de conversión cerca de las fuentes de producción de biomasa, como aserraderos, ingenios azucareros y granjas, donde los desechos de aserrío, el bagazo de caña y las excretas de animales están presentes. Su combustión incompleta produce materia orgánica, monóxido de carbono (CO) y otros gases. Si se usa combustión a altas temperaturas, también se producen óxidos de nitrógeno. A escala doméstica, el impacto de estas emanaciones sobre la salud familiar es importante. La producción y el procesamiento de la biomasa pueden requerir importantes insumos, como combustible para vehículos y fertilizantes, lo que da como resultado un balance energético reducido en el proceso de conversión. Es necesario minimizar el uso de estos insumos y maximizar los procesos de recuperación de energía. Aún no existe una plataforma económica y política generalizada para facilitar el desarrollo de las tecnologías de biomasa, en cuanto a impuestos, subsidios y políticas que cubren, por lo general, el uso de hidrocarburos. Los precios de la energía no compensan los beneficios ambientales de la biomasa o de otros recursos energéticos renovables. El potencial calórico de la biomasa es muy dependiente de las variaciones en el contenido de humedad, clima y la densidad de la materia prima. 14

15 4. CONVERSION DE LA BIOMASA EN ENERGIA 4.1 Características de la biomasa Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, tiene que ser convertida en una forma más conveniente para su transporte y utilización. A menudo, la biomasa es convertida en formas derivadas tales como carbón vegetal, briquetas, gas, etanol y electricidad. Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos simples y tradicionales, como la producción de carbón vegetal en hogueras bajo tierra; hasta procesos de alta eficiencia como la dendro-energía y la cogeneración. A continuación se presentan los procesos de conversión de biomasa más relevantes, los cuales se pueden clasificar en tres categorías: Procesos de combustión directa. Procesos termoquímicos. Procesos bioquímicos. En el Anexo 2 se muestra en forma esquemática las diferentes vías de transformación de la biomasa en energía Procesos de combustión directa Esta es la forma más antigua y más común, hasta hoy, para extraer la energía de la biomasa. Los sistemas de combustión directa son aplicados para generar calor, el cual puede ser utilizado directamente, como por ejemplo, para la cocción de alimentos o para el secado de productos agrícolas. Además, éste se puede aprovechar en la producción de vapor para procesos industriales y electricidad. Las tecnologías de combustión directa van desde sistemas simples, como cocinas, hornos y calderas, hasta otros más avanzados como combustión de lecho fluidizado. Los procesos tradicionales de este tipo, generalmente, son muy ineficientes porque mucha de la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando no se realizan bajo condiciones controladas. Estos resultados se podrían disminuir considerablemente con prácticas mejoradas de operación y un diseño adecuado del equipo. Por ejemplo, secar la biomasa antes de utilizarla reduce la cantidad de energía perdida por la evaporación del agua y para procesos industriales, usar pequeños pedazos de leña y atender continuamente el fuego supliendo pequeñas cantidades resulta en una combustión más completa y, en consecuencia, en mayor eficiencia. Asimismo, equipos como los hornos se pueden mejorar con la regulación de la entrada del aire para lograr una combustión más completa y con aislamiento para minimizar las pérdidas de calor. a) Densificación Esta se refiere al proceso de compactar la biomasa en briquetas, para facilitar su utilización, almacenamiento y transporte. Las briquetas son para usos domésticos, comerciales e industriales. La materia prima puede ser aserrín, desechos agrícolas y partículas de carbón vegetal, el cual se compacta bajo presión alta. El Cuadro 2 muestra los métodos desarrollados para la combustión directa de los residuos sólidos. 15

16 Cuadro 2: Uso directo de desechos sólidos Producto Tecnología Usos en Perú Características Polvos Quemadores de polvo De moderado a bajo - Costo de inversión elevado Astillas Hornos y calderas en suspensión y De moderado a bajo - Facilita su empleo, incluyendo Pellets lecho fluidizado De moderado a bajo la escala doméstica Briquetas Hornos y calderas en parrilla De moderado a bajo - Mejora la eficiencia y las características de la combustión Leñosos Hornos y calderas, cocinas domésticas El tamaño dificulta el empleo en dispositivos de alta eficiencia, requiere procesamiento Carbón vegetal Cocinas domésticas Amplio Disminuye la eficiencia energética total, pero su uso es más conveniente con menos humo Procesos termoquímicos Estos procesos transforman la biomasa en un producto de más alto valor, con una densidad y un valor calorífico mayor, los cuales hacen más conveniente su utilización y transporte. Cuando la biomasa es quemada bajo condiciones controladas, sin hacerlo completamente, su estructura se rompe en compuestos gaseosos, líquidos y sólidos que pueden ser usados como combustible para generar calor y electricidad. Dependiendo de la tecnología, el producto final es un combustible sólido, gaseoso, o combustible líquido. El proceso básico se llama pirólisis o carbonización e incluye: a) Producción de carbón vegetal: Este proceso es la forma más común de la conversión termoquímica de temperatura mediana. La biomasa se quema con una disponibilidad restringida de aire, lo cual impide que la combustión sea completa. El residuo sólido se usa como carbón vegetal, el cual tiene mayor densidad energética que la biomasa original, no produce humo y es ideal para uso doméstico. Usualmente, este carbón es producido de la madera, pero también se usan otras fuentes como cáscara de coco y algunos residuos agrícolas. La forma más antigua, y probablemente aún la más empleada para producirlo, son los hornos de tierra y los de mampostería. El primero es una excavación en el terreno en la que se coloca la biomasa, la cual es luego cubierta con tierra y vegetación para prevenir la combustión completa. Los segundos son construidos de tierra, arcilla y ladrillo. Los hornos modernos son conocidos como retortas y fabricados en acero; conllevan cierta complejidad por su diseño y operación, lo que incrementa considerablemente los costos de inversión en comparación con los tradicionales, pero eleva su eficiencia y capacidad de producción, así como la calidad del producto. b) Gasificación: Tipo de pirólisis en la que se utiliza una mayor proporción de oxígeno a mayores temperaturas, con el objetivo de optimizar la producción del llamado gas pobre, constituido por una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y metano, con proporciones menores de dióxido de carbono y nitrógeno. Este se puede utilizar para generar calor y electricidad, y se puede aplicar en equipos convencionales, como los motores de diesel. La composición y el valor calorífico del gas dependen de la biomasa utilizada, como por ejemplo: madera, cascarilla de arroz, o cáscara de coco. Existen diferentes tecnologías de gasificación y su aplicación depende de la materia prima y de la escala del sistema. La gasificación tiene ciertas ventajas con respecto a la biomasa original: i. el gas producido es más versátil y se puede usar para lo mismo que el gas natural; ii. puede quemarse para producir calor y vapor y puede alimentar motores de combustión interna y turbinas de gas para generar electricidad; 16

17 iii. produce un combustible relativamente libre de impurezas y causa menores problemas de contaminación al quemarse. Sin embargo, la operación de gasificación es más complicada. En principio, un gasificador simple puede ser construido en talleres metalmecánicos convencionales, pero se requiere experiencia y un prolongado período de ajuste para llevar el sistema a sus condiciones óptimas de operación Procesos bioquímicos Estos procesos utilizan las características bioquímicas de la biomasa y la acción metabólica de organismos microbiales para producir combustibles gaseosos y líquidos. Son más apropiados para la conversión de biomasa húmeda que los procesos termo-químicos. Los más importantes son: a) Digestión anaeróbica: La digestión de biomasa humedecida por bacterias en un ambiente sin oxígeno (anaeróbico) produce un gas combustible llamado biogás. Cuadro 3: Composición química del biogás Componentes Fórmula química Porcentajes Metano CH Dióxido de carbono CO Hidrógeno H Nitrógeno N Monóxido de carbono CO 0.1 Oxígeno O Ácido sulfídrico H 2 S 0.1 Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas de México, 1980 En el proceso, se coloca la biomasa (generalmente desechos de animales) en un contenedor cerrado (el digestor) y allí se deja fermentar; después de unos días, dependiendo de la temperatura del ambiente, se habrá producido un gas, que es una mezcla de metano y dióxido de carbono. La materia remanente dentro del digestor es un buen fertilizante orgánico. Los digestores han sido promovidos fuertemente en China e India para usos domésticos en sustitución de la leña. También se pueden utilizar aguas negras y mieles como materia prima, lo cual sirve, además, para tratar el agua. Cuadro 4: Producción de biogás por tipo de residuo Tipo de residuo orgánico Volumen de biogás (m3/kg MS) Residuos de matadero y de la transformación de pescado 0.34 a 0.71 Residuos verdes de jardinería y agrícola 0.35 a 0.46 Residuos alimenticios 0.32 a 0.80 Residuos de transformación de papa y cereales Aprox Residuos orgánicos domésticos 0.40 a 0.58 Residuos de separadores de grasa 0.70 a 1.30 Purinas agrícolas 0.22 a 0.55 Lodos de procesos de purificación 0.45 a 0.55 Fuente: Biodigestor en Antioquía, Colombia 17

18 b) Combustibles alcohólicos: De la biomasa se pueden producir combustibles líquidos como etanol y metanol. El primero se produce por medio de la fermentación de azúcares y, el segundo por la destilación destructiva de madera. Esta tecnología se ha utilizado durante siglos para la producción de licores y, más recientemente, para generar sustitutos de combustibles fósiles para transporte, particularmente en Brasil. Estos combustibles se pueden utilizar en forma pura o mezclados con otros, para transporte o para la propulsión de máquinas. c) Biodiesel: A diferencia del etanol, que es un alcohol, el biodiesel se compone de ácidos grasos y ésteres alcalinos, obtenidos de aceites vegetales, grasa animal y grasas recicladas. A partir de un proceso llamado transesterificación, los aceites derivados orgánicamente se combinan con alcohol (etanol o metanol) y se alteran químicamente para formar ésteres grasos como el etil o metilo éster. Estos pueden ser mezclados con diesel o usados directamente como combustibles en motores comunes. El biodiesel es utilizado, típicamente, como aditivo del diesel en proporción del 20%, aunque otras cantidades también sirven, dependiendo del costo del combustible base y de los beneficios esperados. Su gran ventaja es reducir considerablemente las emisiones, el humo negro y el olor. d) Gas de rellenos sanitarios: Se puede producir un gas combustible de la fermentación de los desechos sólidos urbanos en los rellenos sanitarios. Este es una mezcla de metano y dióxido de carbono. La fermentación de los desechos y la producción de gas es un proceso natural y común en los rellenos sanitarios; sin embargo, generalmente este gas no es aprovechado. Además de producir energía, su exploración y utilización reduce la contaminación y el riesgo de explosiones en estos lugares y disminuye la cantidad de gases de efecto invernadero. En el Cuadro 5 se muestra una distribución de los procesos de conversión aplicables, de acuerdo con las características y el tipo de biomasa, así como los posibles usos finales de la energía convertida: Cuadro 5: Procesos de conversión de la biomasa en energía Tipo de biomasa Materiales orgánicos de alto contenido de humedad Materiales lignocelulósicos (cultivos energéticos, residuos forestales de cosechas y urbanos) Características físicas Estiércoles, residuos de alimentos, efluentes industriales, residuos urbanos Polvo, astillas, pellets, briquetas, leños, carbón vegetal Procesos de conversión aplicables Digestión anaeróbica y fermentación alcohólica Densificación, combustión directa, pirolisis, gasificación Producto final Biogás, metanol, etanol, biodiesel Calor, gas pobre, hidrógeno, biodiesel Usos Motor de combustión, turbina de gas, hornos, calderas, cocinas domésticas Cocinas domésticas, hornos y calderas Motor de combustión, turbinas de gas 4.2 Formas de energía Aplicando los diferentes procesos de conversión, la biomasa se puede transformar en diferentes formas de energía: a) Calor y vapor: Es posible generar calor y vapor mediante la combustión de biomasa o biogás. El calor puede ser el producto principal para aplicaciones en calefacción y cocción, o puede ser un subproducto de la generación de electricidad en ciclos combinados de electricidad y vapor. 18

19 b) Combustible gaseoso: El biogás producido en procesos de digestión anaeróbica o gasificación puede ser usado en motores de combustión interna para generación eléctrica, para calefacción y acondicionamiento en el sector doméstico, comercial e institucional y en vehículos modificados. c) Biocombustibles: la producción de biocombustibles como el etanol y el biodiesel tiene el potencial para reemplazar cantidades significativas de combustibles fósiles en muchas aplicaciones de transporte. El uso extensivo de etanol en Brasil ha demostrado, durante más de 20 años, que los biocombustibles son técnicamente factibles a gran escala. En los Estados Unidos y Europa su producción está incrementándose y se están comercializando mezclados con derivados del petróleo. Por ejemplo, la mezcla denominada E20, constituida 20% de etanol y 80% de petróleo, resulta aplicable en la mayoría de motores de ignición. Actualmente, este tipo de combustible es subsidiado por los gobiernos, pero, en el futuro, con el incremento en los cultivos energéticos y las economías de escala, la reducción de costos puede hacer competitiva su producción. d) Electricidad: La electricidad generada a partir de los recursos biomásicos puede ser comercializada como energía verde, pues no contribuye al efecto invernadero por estar libre de emisiones de dióxido de carbono (CO 2 ). Este tipo de energía puede ofrecer nuevas opciones al mercado, ya que su estructura de costos permitirá a los usuarios soportar mayores niveles de inversión en tecnologías eficientes, lo cual incrementará la industria bioenergética. e) Cogeneración (calor y electricidad): La cogeneración se refiere a la producción simultánea de vapor y electricidad, la cual se aplicaría en muchos procesos industriales que requieren las dos formas de energía. En Perú este proceso es muy común en los ingenios de azúcar, los cuales aprovechan los desechos del proceso, principalmente el bagazo. Por la alta cantidad de bagazo disponible, tradicionalmente, la cogeneración se realiza en una forma bastante ineficiente. Sin embargo, en los últimos años ha existido la tendencia a mejorar el proceso para generar más electricidad y vender el excedente a la red eléctrica. Figura 4: Procesos de conversión y formas de energía 4.3 Combustión y emisiones La biomasa consiste, principalmente, en carbono y oxígeno. También contiene hidrógeno, un poco de nitrógeno, azufre, ceniza y agua, dependiendo de la humedad relativa. Cuando ésta se quema, se efectúa una reacción química que combina su carbono con oxígeno del ambiente, formándose dióxido de carbono (CO 2 ) y combinando el hidrógeno con oxígeno para formar vapor de agua. Cuando la combustión es completa, o sea la biomasa se quema totalmente, todo el 19

20 carbón se transforma en CO 2. Sin embargo, los árboles y plantas que están creciendo capturan nuevamente el CO 2 de la atmósfera y, al usar la biomasa en forma sostenible, en términos netos, no se agrega CO 2 a la atmósfera. No obstante, cuando la combustión no es completa, se forman monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HCs, metano), N 2 O y otros materiales. Estos sí pueden generar impactos serios en la salud de los usuarios. También son gases de efecto invernadero, por lo que se debería minimizar su formación. Existen dos razones por las cuales la combustión de biomasa puede resultar incompleta: Cuando la entrada de aire no es adecuada, pues no hay suficiente oxígeno disponible para transformar todo el carbono en CO 2. Esto puede ser causado por el diseño inadecuado del equipo, la falta de ventilación y la sobrecarga con el combustible. Cuando la biomasa tiene una humedad alta, o sea está demasiado mojada; entonces, la temperatura de combustión no es suficientemente elevada como para completar las reacciones químicas. 4.4 Aplicaciones en el sector doméstico En Perú muchas familias utilizan leña u otras formas de biomasa para cocinar, particularmente en zonas rurales. Sus fuentes son los árboles alrededor de las viviendas, los campos agrícolas y los bosques. Además, en algunos lugares existe un mercado comercial, aunque informal, de leña, que constituye una fuente importante de ingresos para familias rurales. Las cocinas usadas para la cocción pueden ser fijas o portátiles y, a veces, tienen una chimenea. Algunas familias hacen su propia cocina de materiales locales, otras buscan el servicio de un artesano, o la compran en el mercado. Generalmente, estas son simples y son de baja eficiencia. Además, emiten cantidades considerables de gases tóxicos que tienen un impacto en la salud del núcleo familiar. Los procesos domésticos han sido muy ineficientes, pues han presentado pérdidas normales de energía entre 30% y 90% de la energía. Aunque los usuarios tratan de mejorar las cocinas, por lo general carecen de los recursos financieros y técnicos para hacerlo considerablemente. La baja calidad de estos aparatos produce emisiones de gases tóxicos como monóxido de carbono (CO), metano (CH 4 ) y otros productos de la combustión incompleta. Estos causan problemas de salud como dolores de cabeza, enfermedades respiratorias, afectan los ojos de las mujeres embarazadas, etc. Las más afectadas son las mujeres y los niños, los cuales están expuestos a los gases durante varias horas al día. Frecuentemente, los usuarios no son conscientes de ello y de la necesidad de buena ventilación; tampoco relacionan el humo como una causa de sus problemas de salud. 4.5 Aplicaciones en el sector industrial La biomasa es una fuente de energía importante para muchas industrias rurales en Perú; por ejemplo, para la fabricación de ladrillos y cal, y para el procesamiento de productos agrícolas. En comparación con el sector doméstico, su uso en el sector industrial es menor, pero todavía considerable. Se utiliza para generación de calor, cogeneración y generación eléctrica, en hornos industriales y calderas. 20

21 4.6 Aplicaciones en el sector comercial Muchos restaurantes y pequeños negocios, sobre todo en áreas rurales, utilizan leña para aplicaciones similares a las domésticas, por ejemplo, para preparación de comidas y panaderías. Los equipos, generalmente, son de mayor calidad que las cocinas domésticas; sin embargo, aún se pueden mejorar. Por lo común, no hay información disponible sobre las cantidades de biomasa consumida por el sector comercial, pues muchos negocios operan de manera informal. Se puede decir que, en comparación con el sector doméstico e industrial, el consumo es mucho menor; sin embargo, la biomasa es una fuente importante para este sector. 21

22 5. INSTALACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UN BIODIGESTOR TIPO BATCH Fuente: Ing. Roberto Arivilca. Geoenergía, Junio Descripción El biodigestor, es un contenedor o cilindro cerrado, hermético e impermeable (o llamado también reactor), dentro del cual se deposita la materia orgánica a fermentar (excrementos de animales, desechos vegetales) con una determina dilución de agua para que se descomponga, produciendo bioabono, biol (fertilizante orgánico rico en nitrógeno, fósforo y potasio) y biogás (gas metano). Es importante mencionar que el biodigestor es un sistema sencillo de implementar con materiales económicos, a su vez permite tener un mayor ordenamiento y recojo de las excretas de los animales dentro de los cobertizos como también en los alrededores, debido a la acumulación de excretas existen focos infecciosos altos Figura 5: Biodigestor tipo Batch 5.2 Funcionamiento Convierte la materia orgánica (estiércol, residuo de paja y rumen), degradándose sus baterías mediante un proceso de fermentación anaeróbica, esto es un proceso natural de la cual se obtiene como productos finales el biogás, bioabono y biol. Este modelo a diferencia de otros biodigestores permite ser transportable, permite un mejor manejo cargado y de fácil operación. 5.3 Instalación de los digestores, gasómetro y cocina Figura 6: Esquema para la instalación de los accesorios en los digestores de metal 6 pernos y tuercas de seguridad Tuerca, empaquetadura, por ambos lados de la pared del cilindro, por 3 en c/cilindro Unión de ½ Niple ½ Manguera 1.5 m. al gasómetro Válvula de ½ Válvula de globo Unión de 1½ Tapa 22

23 5.4 Procedimiento para realizar el armado de los accesorios de los biodigestores Biodigestor Conexión para la salida de gas 1. Enrollar cinta teflón en los extremos de los niples de PVC, colocando luego la tuerca (en posición de llave de boca hacia fuera) y la empaquetadura al niple de ½ de longitud pequeña, asegurando la hermeticidad de la unión. 2. Luego procedemos a colocar al extremo del tubo, dentro del agujero superior del cilindro, colocando la empaquetadura luego la contratuerca y enroscar al máximo para asegurar la rigidez de la unión, se recomienda echar en las caras interiores de la empaquetadura pegamento. 3. Colocar la abrazadera de presión a la manguera 4. Colocar la manguera trenzada a la salida del niple, que se encuentra ya asegurado en el cilindro. 5. Asegurar la instalación, con la abrazadera de presión. 6. Colocar el otro extremo de la manguera, al ingreso de la cruceta del gasómetro. 7. Asegurar la instalación mediante la abrazadera de presión. 8. Repetir el procedimiento para el otro cilindro. Conexión para la salida de biol para muestreo 1. Colocar los niples de PVC, junto a las tuercas, empaquetaduras y contratuercas, se recomienda echar pegamento a las caras interiores de las empaquetaduras para sellar la unión 2. En el extremo libre del niple enrollar cinta teflón en cantidad apropiada 23

24 3. Luego procedemos a colocar la válvula de globo. Conexión para la salida de efluente al término del proceso de fermentación 1. Seguir el procedimiento anterior, pasos 1 y 2 2. Colocar la tapa de Fe galvanizado 3. Asegurar el cierre Importante: Se recomienda llenar de agua hasta la mitad, para asegurar la hermeticidad de las instalaciones realizadas, niples del muestreo de biol (líquido) y de salida del efluente. 5.5 Procedimiento para realizar la instalación de la cruceta del gasómetro Esquema para la instalación de cruceta del gasómetro (bloque de uniones) Codo Cruceta de uniones de PVC Niple Manguera azul ¼ a la cocina A la salida del gas del digestor 1, con manguera transparente Unión al gasómetro A la salida del gas del digestor 2, con manguera transparente Cruceta 1. Determinar la posición del conjunto biodigestor - gasómetro, en función de la disponibilidad del espacio, el acceso y la posición de la cocinilla. 2. Asegurar los accesorios, unirlos en posición esquemática, usando siempre cinta teflón. 3. Colocar la cruceta, con las uniones seguras, en la tapa del gasómetro, que cuenta con una unión de Fe galvanizado instalado por el fabricante, se recomienda usar cinta teflón. 24

25 4. Colocar la manguera transparente que viene del digestor asegurando con la abrazadera. 5. Asegurar la manguera que conduce el gas a la cocina con la abrazadera. La válvula de salida de gas debe estar cerrada, cuando ya esté produciendo gas, se abre la llave. Antes no es necesario. Gasómetro 1. Colocar correctamente las crucetas, teniendo mucho cuidado de colocar la cinta teflón, para asegurar la unión de la cruceta a la base superior de la campana del gasómetro. 2. Se debe llenar hasta la mitad el gasómetro con agua para sirva como trampa del biogás. Bloque de uniones Y Cruzeta Esquema para la instalación de los accesorios del gasómetro metal Llenado de agua hasta la mitad del gasómetro 5.6 Procedimiento para realizar la instalación de tapas de los digestores Tapas del biodigestor 1. Verificar la posición de las tapas, existe un número o un punto en la posición principal del sistema perno-tapatuerca, las demás posiciones de los pernos coinciden. 5.7 Procedimiento para realizar la instalación de las cocinas Cocina 1. El modelo de cocina es a gas comercial (propano), para que funcione con biogás se debe abrir el seguro para que puede prender la cocina 2. Cuando se deje de utilizar el gas, se debe cerrar nuevamente el seguro, para que no desperdicie gas y pueda usarlo para otro momento. Nota importante: Verificar luego todas las uniones e instalaciones 25

26 5.8 Elaboración del compost a) Insumos que usaremos para la elaboración del compost y el cargado del biodigestor: Materia orgánica (estiércol de animal, ya sea de vacuno, porcino, ovino o cuy) Agua Dos palos o cañas Cal viva Cuadro 6: Cantidad de insumos a usar para un solo cilindro Insumos Cantidad Unidad Materia orgánica de vacuno (estiércol) 126 Kilos Chala de maíz o paja 27 Kilos Agua 27 litros Tubo de PVC o cañas 2 Unidad Nota importante: Estos insumos son por cada biodigestor b) Como elaboramos el Compost 1. Debemos picar la chala de maíz o la paja en trozos de 2 a 4 centímetros. 2. Usaremos estiércol fresco o seco, es mejor usar fresco. 3. Debemos hacer una cama haciendo capas de estiércol de 15 cm. y de chala de maíz o paja de 5 cm. respectivamente. Se recomienda poner un plástico debajo para que no pierda líquido, que es absorbido por la tierra. 4. Tómese una parte de la chala o paja y extiéndase en el suelo, se forma una capa circular de aproximadamente de 28 centímetros de altura, después cubrir esta capa con una de estiércol y agregar agua con cal viva, humedeciendo las capas formadas. 5. Repítase el procedimiento hasta completar una pila de capas de chala o paja y estiércol 6. Remoje otra parte del estiércol hasta formar una masa pastosa y recubra toda la pila, luego rociar agua con cal viva. 7. Se debe agujerar la pila para asegurar la entrada de aire, poniendo un tubo de PVC o caña 8. Al cabo de 7 días se debe revolver toda la pila hasta obtener una mezcla homogénea y agregar agua con cal, luego apílese nuevamente, cubra la pila con otra parte del estiércol rociando nuevamente con agua con cal 26

27 9. Es importante verificar el grado de acidez del compost, que tiene que estar en un valor de 7 (neutro) 10. Se debe mantener en reposo durante otros 7 días más y revuélvase de nuevo el material, repitiendo el procedimiento anterior y cubriendo la pila con la última parte del estiércol sobrante. 11. Luego dejar en reposo durante 3 días 12. Luego se tendrá el compost listo para el cargado del biodigestor 5.9 Procedimiento para el cargado de los biodigestores 1. Luego con el compost ya preparado se carga el biodigestor, de forma lenta. 2. Agregar 27 litros de agua 3. Luego agregar un poco de agua con cal 4. Controlar el grado de acidez que este en un valor de 7 (neutro) 5. Es importante dejar un espacio de aproximadamente de 20 cm. dentro de cilindro para un libre producción de biogas, es decir se debe usar aproximadamente 70 cm del cilindro, sin exceder de este nivel. 6. Luego de haber cargado se debe mantener en reposo por un periodo de 15 días, del cual se debe agitar cada 20 minutos al día, durante este tiempo la temperatura estará entre 50 a 70 grados centígrados, permitiendo una adecuada prefermentación. 7. Luego se debe sellar bien los biodigestores, ajustando con los pernos y tuercas de las tapas de los biodigestores, porque si no están bien sellados no podrá ocurrir la fermentación satisfactoriamente. 27

28 8. De realizar una buena carga del biodigestor y hermeticidad, la producción del biogás se obtendrá a los 15 días, esta producción tendrá una duración de 3 a 4 meses (dependiendo de la zona que nos encontremos). 9. Después de haber transcurrido este tiempo se podrá realizar el descargue, en donde se sacara el abono liquido y el abono solidó, que son bueno para el cultivo 10. Para hacer otro nuevo cargado se debe seguir los mismos procedimientos Procedimiento para el descargado de los biodigestores 1. Después de haber sacado todo el abono liquido y el abono sólido, se procederá la limpieza de los biodigestores. 2. Antes de limpiar se debe dejar 5 días destapado para se evaporen todos los gases. 3. No se debe usar fósforos, ni mecheros dentro de los biodigestores, en caso utilizar luz natural o una linterna. 28

29 6. INSTALACIÓN, OPERACIÓN Y USO DE BIODIGESTOR FAMILIAR DE BAJO COSTO Fuente: Biodigestor de polietileno. CEDECAP, Abril 2007 Los biodigestores familiares de bajo costo son sistemas naturales que aprovechan el estiércol del ganado para producir biogás y biol. El biogás contiene un alto porcentaje en metano que puede ser empleado en una cocina convencional sustituyendo a la leña o GLP. También puede ser empleado en lámparas de gas para iluminación. El biol es un fertilizante ecológico que puede emplearse directamente en el riego de las chacras o decantarlo para obtener fertilizante foliar, de esta forma no se pierde la capacidad fertilizante del estiércol que es de uso común en el ámbito rural. Los biodigestores familiares de bajo costo son de gran utilidad en las áreas rurales, periurbanas y urbanas donde las familias poseen ganado, incluso en pequeñas cantidades. La incidencia de los biodigestores familiares de bajo costo no sólo es destacable por la generación de energía barata (biogás), y la producción de un fertilizante ecológico (biol), sino que también incide directamente sobre la salud familiar, al sustituir la leña para cocinar por un gas que no desprende humo en la cocina, tan dañino a las vías respiratorias, sobre todo para las mujeres. La carga de trabajo físico que conlleva la búsqueda de leña se ve reducida, especialmente en mujeres y niños. A nivel medioambiental, la carga de estiércol diario del biodigestor elimina moscas y olores, además de reducir enfermedades del ganado como la mastitis. 6.1 Descripción del biodigestor Este biodigestor está formado por un tanque hermético donde ocurre la fermentación y un depósito que sirve para el almacenaje de gas. Las dos partes pueden estar juntas o separadas y el tanque de gas puede ser de campana fija o flotante. En el caso del biodigestor de polietileno, el tanque de digestión y de recolección de gas, conforman uno sólo. El proceso de digestión ocurre en la parte inferior del recipiente, y en la parte superior se colecta el gas. El esquema superior es un dibujo del perfil de un biodigestor para tener una idea básica de su concepto. A: Tubería de entrada del biodigestor. B: Tubería de salida del biodigestor C: Tanque donde se va a digerir la mezcla de agua y estiércol. 29

30 D: Cámara de colección de gas. E: Tubería de salida del gas. F: Recipiente de entrada para la carga G: Recipiente de recolección de Biol. Este biodigestor, posee una tubería de entrada a través del cual se suministra la materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las aguas sucias de las ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta con agua, y una tubería de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el biodigestor. Los materiales que ingresan y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás. La duración de la reducción del material biológico depende de los microorganismos especiales y de sus temperaturas óptimas del crecimiento. Para el diseño del biodigestor de polietileno, deberán tomarse en cuenta los siguientes criterios: Necesidades de biogás. Tiempos a usarse en cocción o en iluminación. Necesidades de biol. Cantidad de fertilizante foliar requerido. Necesidades medioambientales. Tipo de problema ambiental a solucionar Limite de materia prima. Cantidad de estiércol a tratar diariamente. 6.2 Consideraciones para el dimensionado y diseño Calculo de cantidad de estiércol Cuadro 7: Estiércol disponible por tipo de animal Animal Estiércol (kg/100 kg de peso vivo) Peso animal (kg) Estiércol diario (kg) Vaca Cerdo Cabra Caballo La cantidad de estiércol disponible depende del manejo del ganado en la zona, para el caso de ganado tabulado, el total de estiércol a aprovechar es del 100% y en el caso de ganado tabulado sólo por la noche, el estiércol a aprovechar es del 25% Materia a digerir Para obtención de biogás: La mezcla de estiércol y agua deberá ser de 1:4. Para la obtención de biol primordialmente: La mezcla deberá ser 1:3 Ejemplo 1: En el caso de tener 2 vacas y un cerdo, los cálculos son según el siguiente cuadro 30

31 Cuadro 8 Tipo de animal Peso (kg) Cantidad de estiércol (kg/día) Vaca Cerdo TOTAL 58.6 En este caso, considerando mezcla de 1:4, la materia a digerir por día sería: (58.6 x 4 = 23.4) 58.6 de estiércol y 23.4 lts de agua Tiempo de retención Es el tiempo que transcurre entre la carga y descarga del sistema. La velocidad de degradación depende en gran parte de la temperatura ambiente, pues a mayor temp., el tiempo de retención requerido es menor. Cuadro 9: Tiempos de retención Temperatura (ºC) Días Ejemplo 2: Considerando temperatura media= 20ºC Cuadro 10: Tiempos de retención Volúmenes de carga Cantidad (litros) Volumen diario de carga 293 Volumen líquido 5860 Volumen gaseoso (+25% del volumen total) 1465 Volumen del tanque 7325 (7 m 3 aprox.) Tiempo de retención (TR) 25 días La cantidad de biogás producido, tiene una relación de +/- 35 % del volumen líquido. Ejemplo 3: Para un volumen líquido = 5860 lts, serán equivalentes a un volumen de biogás = 2051 lts. Si una cocina de 2 fogones consume 150 lts/hora, el biogás producido se consumiría en + 13 horas Dimensiones La relación entre el diámetro y la longitud, deben guardar una relación entre 1: 5 y 1:10 (lo recomendable es de 1:8). En el caso de biodigestores de polietileno, la fórmula base es: Volumen = π x r 2 x L Donde: r = radio L= Longitud 31

32 Cuadro 11: Dimensiones del biodigestor Longitud (m) Radio (m) Diámetro (m) Relación ± 1: ± 1: ± 1:4.6 Los parámetros obtenidos, deben ceñirse a lo ofrecido en el mercado, quienes ofrecen el producto de acuerdo al ancho de rollo, con una longitud de 50 m. lineales: Ancho de rollo (AR) = π 2 x r Considerando una relación de 1:8, para un r = 0.54; el AR = 1.96, siendo lo ofrecido en el mercado de: AR = 1.5 m. Ejemplo 4: Tomado como referencia el Ejemplo 2; para un volumen del tanque = 7325 lts (7.235 m3): r= 0.47 m. y L= 10.5 m y la relación es de 1: Características finales del biodigestor Materia disponible: 2 vacas y un cerdo Estiércol diario: 58.6 kg. Agua diario (mezcla 1:4) = 234 lts. Vol. Total diario: 293 lts. Tiempo de retención: 25 días Vol. liquido: 5860 lts Vol. gaseoso (+25% del vol. líquido): Considerando una Tº media de 20ºC 1465 lts. Vol. de biogás (+/- 35% del vol. líquido) = 2051 lts. Vol. total: 7325 lts. Horas de cocción 13 Dimensiones Radio = 0.47 m Longitud = 10.5 m Relación = 1: Precauciones de cálculo La consideración de +/- 35 % e en el volumen gaseoso, se utiliza en el caso de tener un Tº media de 20º C. La consideración de +/- 35 % es en el caso de excremento porcino. En el caso de vacuno es de 30% del volumen líquido y el caso de caprinos de 25% del volumen líquido. Para dimensiones mayores de L=10 m, deberá considerarse la colocación de correas a fin de agitar la mezcla y evitar la formación de costras en la superficie Consideraciones en relación con la zona de trabajo Las dimensiones del biodigestor se ajustan de acuerdo a la zona de trabajo. Implementación de un invernadero solar, en zonas con T menores o iguales a 10ºC. 32

33 Al poseer el lodo inercia térmica, debe asegurarse una T de trabajo de 10 ºC, para tal fin, se recomienda enterrar el biodigestor o cercarlo con un muro de adobe y utilizar aislantes. Variar el porcentaje de producción volumen de gas en un 30% del volumen líquido. El tiempo de residencia utilizado será de 25 días. Para la colocación del biodigestor, deberá tomarse en cuenta la trayectoria del sol. 6.3 Materiales para la construcción del biodigestor de polietileno El estilo de biodigestor desarrollado es uno bastante sencillo y económico. Unos pasos en la construcción requieren mano de obra pesada y ciertas capacidades para la construcción de tapial o colocación de adobes. Para facilitar una mejor comprensión de las instrucciones se incluye una breve descripción de los usos de los materiales en un biodigestor. Algunas cosas no incluidas no son esenciales para un biodigestor o son cambiables por otros materiales debido a sus preferencias y posibilidades. Cuadro 12: Lista de materiales Material Film negro UV (2x50 m) 300 micr. Film translúcido UV (2x50 m) 300 micr. Tubería PEAD Codos Tee Llave bola Copla Flange Tubo 16 cm Herramientas Descripción Polietileno UV, que servirá para hacer el biodigestor. Polietileno UV, que servirá para hacer el invernadero. Tubería para hacer conexión de gas. Para empalme en las conexiones Conexión para la distribución del biogás Conexión para controlar salida de gas Para empalme entre tubos Para empalme entre tubos Conexión para la salida de biogás en la cocina Flexo 5m Cinta americana adhesivo Gomas (3 neumaticos/biodigestor) Alambre/cordel Alicates Selladora Manual Bombril (estropajo de acero) Teflón Tijeras Clavos Tarraja ½ 6.4 Materiales para la construcción del biodigestor de polietileno Para construir un biodigestor de esta clase, hay que cavar un hoyo primero. El hoyo deberá guardar las mismas dimensiones que el biodigestor. Se recomienda realizar la base en forma de U o V, como se muestra en la figura. 33

34 Hoyo en forma de V y U Estructura en tapial en forma de U Luego de haber cavado el hoyo, en caso de encontrarse en zonas frías por debajo de 10ºC, construir un cerco alrededor del biodigestor para preservar la temperatura. En caso de zonas con temperaturas mayores a 10 ºC, sólo basta el hoyo en donde se colocará el biodigestor. Los cercos alrededor de biodigestor, pueden ser de tapial o adobe. En el caso de construcciones de adobe y de acuerdo a su longitud (mayores a 7 m.), considerar en la estructura soportes de seguridad cada cierto tramo, como se muestra en la figura. Nótese la diferencia de alturas en la estructura, esto se debe a que esta diferencia hará la semejanza de techo a desnivel, que soportará bastidores sobre los cuales se colocará el polietileno para causar el efecto invernadero. Deben cavarse dos zanjas una para el tubo de entrada y otra para el tubo de salida. La zanja de entrada se debe cavar a un ángulo de unos 45, entrando el tanque tan cerca del fondo posible, dejando no más de 30 centímetros entre el punto de la entrada y el fondo del tanque. El tubo de entrada debe estar por encima del tanque por lo menos unos 40 centímetros. El tubo de salida se debe cavar a un ángulo de 30. Estructura de adobe con soportes de seguridad Zanja para tubería en de tapial Zanja para tubería en de adobe 34

35 Esquema de zanja Una vez lista la estructura que contendrá el biodigestor (tomando en consideración los tiempos de secado del adobe y tapial), se procederá a la instalación del biodigestor y la colocación de recipientes que faciliten la carga del material y la descarga del biol. 6.5 Instalación del biodigestor Recortar el polietileno de acuerdo a las dimensiones establecidas. Este deberá ser de doble ancho a fin de conformar una capa más resistente. Se recomienda precaución en el manejo de polietileno, resguardarlo de hendiduras producidas por piedras u otro material, para este fin pueden extenderse sobre sacos de rafia o superficies limpias. Medición Extendido de polietileno Instalación de válvula de salida gas: para la instalación de esta válvula, se utiliza un pasamuros de ½ y se requiere hacer una hendidura de un diámetro aproximado de 1 cm. Está se ubicará a 30 cm de donde se colocará la tubería de entrada. Esta brida debe instalarse por capas, introducir el dispositivo desde el interior del biodigestor junto a una goma de sujeción y un pedazo de caucho por dentro y fuera de las dos capas del biodigestor y ajustar con el soporte de plástico, según muestra la figura. 35

36 Esquema de colocación de válvula Pasamuros Corte para colocación de válvula Válvula instalada Instalar la manguera y la válvula para la salida de gas, se recomienda utilizar una válvula de bola. Esta válvula permitirá controlar la salida de gas hasta una válvula de seguridad, construida con una botella descartable, llena de agua, abierta lateralmente unos 5 cm. o colocando un tubo adicional para el paso de gas hasta su contacto con el agua. Instalación de manguera y llave de paso Vista de válvula de seguridad Proceder a instalar los tubos de entrada y salida. La longitud de los tubos oscilan entre 1 y 1.20 m de largo. Es necesario forrar los tubos por fuera con una cinta de jebe de unos 3 ó 4 cm. de espesor, con el fin de proteger el biodigestor de las astillas producidas por el corte del tubo. 36

37 La instalación de los tubos se realiza introduciendo unos 50 cm. de tubo a cada lado del biodigestor, doblar las esquinas en forma envolvente y sujetarlos bien con la cinta de jebe, sin dejar hendiduras a fin de evitar el ingreso de oxigeno, como se muestra en la figura. Si la instalación contempla un invernadero, deberá prepararse con antelación al traslado del biodigestor, la estructura para el soporte de la cubierta. Se colocarán los soportes de madera, siempre teniendo mucho cuidado de retirar trozos de piedra y rastrojos que podrían dañar el biodigestor. Trasladar el biodigestor hasta la estructura de adobe o tapial. Antes de colocarlo sobre la superficie, deberá cubrirse con capas de material aislante y de protección a hendiduras. Por ejemplo, se puede colocar primero una cubierta con sacos de rafia en los laterales y el fondo, además de una capa de paja. 37

38 Instalado el biodigestor, medir el grado de inclinación de cada tubo con un nivel de carpintero u otra herramienta, se recomienda que el ángulo de inclinación deberá oscilar entre 30º y 45º, cuidando siempre de colocarlo de tal forma que al llenar el biodigestor con la mezcla, buena parte de ambos tubos quede cubierta y se cree un sello que no permita el paso de oxigeno. Una vez lograda la ubicación, sujetar los tubos a postes de madera, haciendo pasar por el centro del tubo un cordel o alambre, a fin de mantener esta posición. Posterior a este proceso, colocar los recipientes para entrada de mezcla y salida de biol. Existen muchas formas de realizar este proceso, que van desde hacer una entrada con cubierta de cemento, hasta colocar un embudo hecho de sobras de polietileno. Para la salida de material, puede cavarse un hoyo y colocar un recipiente para colectar el biol, inclusive cavar un canal hasta el sistema de regadío y utilizarlo de forma directa. Finalizado el proceso de colocación de aditamentos, se deberá instalar la tubería de conexión del biodigestor hasta el recipiente de recolección de gas, y de ahí hasta el punto de consumo. Se sugiere prever una distancia no mayor a 20 m. La cantidad de válvulas y codos dependerá de la distribución del uso: cantidad de hornillas para cocción, iluminación, etc. Colocar los soportes de palo y luego la capa de polietileno, cubrir completamente la estructura, tratando de evitar las hendiduras por los lados, colocando en los extremos una mezcla de barro y piedras a fin de evitar que sean arrancados por vientos fuertes. No olvidar dejar los tubos de entrada y salida para poder realizar la carga y descarga. 38

39 Con respecto al recipiente de recolección del gas, este puede realizarse cortando un pedazo de polietileno y cerrándolo por ambos lados de forma que no escape el gas. Se puede colocar dos tubos en los extremos y pender de una soga, a fin de que permita colgarlo de ambos lados. Una vez instalado el biodigestor, se puede proceder a realizar la carga. La carga inicial deberá realizarse llenando con una buena cantidad de agua, la mayor que se pueda hasta la cuarta parte del sistema, posterior a ello, introducir la carga de estiércol correspondiente. La segunda carga se realizará respetando la equivalencia 1:4, 1 de agua por 4 de estiércol. La ventaja de este tipo de instalación es su versatilidad a modificaciones en la construcción y el uso de aditamentos y la facilidad para la operación (carga) y el mantenimiento. 6.6 Protección del biodigestor Construya a todo lo largo de la bolsa o biodigestor, utilizando madera o similares, cercos de protección contra animales y niños que podrían dañar el sistema. Instale techos de protección que evite la llegada directa de rayos de sol y la caída de animales al foso. En épocas de lluvia tape las bocas de entrada y salida del biodigestor, para evitar que penetre el agua. Evite también el paso de piedras o sobrantes de pasto al biodigestor. 39

40 ANEXOS 40

41 ANEXO 1 VALOR CALORÍFICO Todas las formas de biomasa tienen un valor calorífico, el cual se expresa como la cantidad de energía por unidad física; por ejemplo, joule por kilogramo. Esta es la energía que se libera en forma de calor cuando la biomasa se quema completamente. El valor calorífico se puede anotar de dos formas diferentes: bruto y neto. El bruto se define como la cantidad total de energía que se liberaría vía combustión, dividido por el peso. El neto es la cantidad de energía disponible después de la evaporación del agua en la biomasa; es decir, es la cantidad de energía realmente aprovechable, y siempre es menor que el valor calorífico bruto. Para madera completamente seca, la cantidad de energía por unidad de peso es más o menos igual para todas las especies, con un promedio de valor calorífico bruto de 20 MJ/kg para madera de tronco. Los valores pueden variar ligeramente de este promedio, según el contenido de ceniza: para ramas pequeñas, tienden a ser más bajos y más variables. Sin embargo, en la práctica, la humedad relativa es el factor más importante que determina el valor calorífico. Cuadro: Poder calórico de algunas formas de biomasa Fuente: RWEDP,