GUÍA PARA PROYECTOS DE BIODIGESTIÓN EN ESTABLECIMIENTOS AGROPECUARIOS

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1 GUÍA PARA PROYECTOS DE BIODIGESTIÓN EN ESTABLECIMIENTOS AGROPECUARIOS Aporte al Proyecto de Investigación Transferencia y Aplicación de Dos Alternativas de Manejo y Disposición Final de Residuos Orgánicos Generados en Explotaciones Agropecuarias de la zona de la ciudad de Crespo, Entre Ríos Instituto Tecnológico Universitario - Facultad de Ciencia y Tecnología Universidad Autónoma de Entre Ríos Trabajo final de aplicación de la carrera de Ingeniería Ambiental Facultad de Ciencias de la Tierra y del Ambiente Universidad Católica de Santa Fe Alumna: Gon, Lorena María Inés Tutores: Magter MV Stamatti Guillermo (ITU) Dr. Passeggi Esteban (UCSF) Diciembre

2 ÍNDICE Introducción... I. Conceptos de Biodigestión: Qué es el Biogás? Cómo se produce? Qué utilidades y beneficios aporta? 1.1 Qué es el Biogás? Cómo se produce?: Bioquímica de la Digestión anaeróbica Factores que intervienen en la producción de biogás Descripción del proceso de digestión anaeróbica en plantas de biogás Utilidades y beneficios del Biogás La Biodigestión como alternativa de manejo de los residuos orgánicos agropecuarios Importancia y Ventajas del biofertilizante... II. Consideraciones técnicas Operación y mantenimiento 2.1 Consideraciones Técnicas... - Materiales de construcción... - Accesorios Operación y Mantenimiento... - Medidas preventivas... - Tareas de mantenimiento... Bibliografía... Pág

3 I. INTRODUCCIÓN El objetivo principal de esta guía consiste en suministrar información al productor agropecuario, acerca de una alternativa valiosa para el tratamiento de sus residuos orgánicos, se trata de la adaptación y aplicación de Tecnologías de Biodigestión. Resultan evidentes los problemas ambientales y las molestias que causan los olores, vectores y patógenos que se desarrollan en los establecimientos agropecuarios y que se transmiten al ambiente y a las personas. La manipulación, el almacenamiento, la estabilización y finalmente el traslado de los residuos orgánicos a su destino final, constituyen una problemática ambiental y económica que aumenta día a día con el crecimiento de la población mundial y las demandas de bienes alimenticios. Por otra parte, ante los efectos del cambio climático, es imperiosa la necesidad de búsqueda de nuevas fuentes de energías renovables y la reducción de fuentes emisoras de Gases de Efecto Invernadero (GEIs). Frente a esta situación, las plantas de biogás ofrecen la posibilidad de conciliar la producción de energía con el tratamiento cuidadoso de los recursos naturales. Contribuyendo de manera eficaz y sostenible a preservar el medio ambiente, ya que en las plantas de biogás la energía se genera a partir de materias primas renovables. Las materias primas renovables de origen orgánico tales como los residuos agropecuarios (purines y estiércoles), restos de cosechas, desechos de matadero, grasas, orgánicos de industrias agroalimentarias, cultivos energéticos, etc., son aptas para la producción de biogás. El Biogás es un producto de la digestión anaeróbica de la materia orgánica, posee un alto valor energético y puede transformarse en electricidad y/o calor con ayuda de unidades de cogeneración. Como subproducto se obtiene además, un lodo residual estabilizado: biofertilizante o biol, es más rico que el humus y de granulación más fina que el estiércol, lo cual facilita su penetración y mezcla en el suelo. Así, la producción de biogás a partir de estos residuos no afecta el uso actual que se da a estos materiales 1, los cuales son generalmente reincorporados a los terrenos de cultivo, y tienen la ventaja de que es un material saneado, de mejores propiedades y más nutritivo. 1 Residuos orgánicos agropecuarios como enmiendas orgánicas para recuperar o amuentar la fertilidad del suelo. 3

4 1.1 Qué es el Biogás? El biogás consiste esencialmente en una mezcla de gases originada por la descomposición microbiana de sustancias orgánicas, como el estiércol, en condiciones anaeróbicas, es decir en ausencia de oxígeno. A este proceso se le llama: Biodigestión FIGURA I: Representación esquemática del ciclo sostenible de la digestión anaerobia de purines animales junto con otros residuos orgánicos 2. La Biodigestión o Digestión Anaeróbica, consiste en un proceso biológico complejo, el cual es desarrollado por microorganismos anaerobios estrictos 3, es decir que trabajan en ausencia de oxígeno transformando la materia orgánica en biogás o gas biológico. Este proceso se desarrolla de manera natural en el tracto intestinal de los animales, en los pozos negros, el conocido gas los pantanos, en los vertederos de RSU (residuos sólidos urbanos), en estos últimos puede obtenerse el gas producido mediante perforaciones realizadas a intervalos regulares sobre la superficie del vertedero (Noviembre 2008) 3 Microorganismos Anaerobios estrictos: se desarrollan en ausencia total de O 2, utilizan una atmósfera anaeróbica de CO 2,H 2 y N 2. Necesitan un medio carente de oxígeno ya que se desarrollan en medios reductores. 4 Alan, Scragg Biotecnología para ingenieros. Sistemas biológicos en procesos tecnológicos. Capítulo 6: Energía de la Biomasa.Limusa. Noriega editores. 4

5 Las plantas de biogás son obras de infraestructura en las cuales se reproduce este proceso de digestión de manera controlada y con objetivos específicos, como son: el tratamiento de los residuos y la generación de biogás y biofertilizante. Figura II: Planta de biogás sistema de la empresa Suntechnics 5 De esta manera los residuos orgánicos dejan de ser desechos y se transforman en materia prima renovable de procesos biológicos y con obtención de ganancias, a partir del ahorro de costos de combustible y de manipulación, tratamiento y disposición de los residuos, como también a partir de la venta de biofertilizantes, entre otras aplicaciones más avanzadas como: la metanización del biogás, procesado del biofertilizante para obtención de compuestos específicos. El biogás está compuesto principalmente por metano (CH 4 ) y anhídrido carbónico (CO 2 ), conteniendo otros gases en pequeñas concentraciones y vapor de agua. Los cuales podrán ser eliminados en mayor o menor proporción a través de procesos de purificación, y esto dependerá de la utilidad que quiera darse al biogás como recurso energético 6. En forma general, la composición en volumen del Biogás es la siguiente: El ácido sulfhídrico debe eliminarse cuando el biogás se utilice para generar fuerza motriz o posteriormente energía eléctrica. De lo contrario el SH 2 se transformará en ácido sulfuroso SO 2 después de la combustión y luego junto con el agua producida se oxida a ácido sulfúrico SO 4 H 2 muy corrosivo para los metales. 5

6 Metano (CH 4 ): 40-70% Dióxido de carbono (CO 2 ): 30-60% Otros gases: 1-5% o Hidrógeno (H 2 ): 0-1% o Sulfuro de hidrógeno (H 2 S): 0-3% o Vapor de agua en saturación La purificación total del biogás consiste en la obtención pura del gas metano, es por ello que al investigar acerca del Biogás también se encontrará el término Biometano. Para ello, es necesario acoplar a las plantas de biogás un módulo de Metanización, obteniendo como resultado un biocombustible gaseoso 7 con una calidad equivalente a la del gas natural, más en comparación el Biometano posee atributos notablemente superiores, por tratarse de un energético con origen local y renovable que puede llegar a convertirse en un suministro muy conveniente 8. Un m 3 de biogás, en condiciones normales que posee un 60% de metano (CH 4 ), 40% de dióxido de Carbono (CO 2 ), y trazas de otros gases o impurezas, alcanza un poder calorífico próximo a las kcal/m 3. Si se eliminan las impurezas del biogás y se obtiene el metano puro, el poder calorífico ascenderá a unas kcal/m 3, esto se debe a que, en definitiva, la concentración de CH 4 es el que determina el poder calorífico. De esta manera se observa que la producción y rentabilidad del biogás dependerán del tipo de materia orgánica que se utilice y del porcentaje de metano que se pueda generar a partir de la digestión anaeróbica de los residuos. Eficiencia termoeléctrica del biogás 9 1 m 3 purín 10 = 31,25 m 3 biogás Biogás con 64% de metano 1 m 3 purín = 20 m 3 de CH4 metano 1 m 3 de biogás = kcal ;1 kwh = 860 kcal Ejemplo de rendimiento de motor generador 11 : Rendimiento térmico del motor 30%; 1 m 3 biogás = 59,95 kw/m3 de purin 7 Los combustibles gaseosos están formados por hidrocarburos, es decir que son compuestos moleculares de carbono e hidrógeno. Las propiedades y características de los diferentes gases dependen del número y disposición de los átomos de carbono e hidrógeno de sus moléculas Purines de cerdo

7 Rendimiento eléctrico del motor 35%;1 m 3 de biogás = 69,94 kw/m3 de purín kw producidos 9.325,33 kw día; ,00 kw mes; ,67 kw año En las tablas siguientes, se observa el porcentaje de metano estimado para diferentes tipos de estiércoles, la producción de biogás y su rendimiento: Tabla I: Porcentaje de metano según la Cantidad de excremento por clase de animal 12 Tipo de estiércol Peso vivo (kg) Cantidad diaria de excremento (kg) Metano (%) Cerdo Ganado lechero Caballo Ovejas Pollos Gansos Humano Tabla II: Producción de Biogás de varios tipos de estiércol/sustrato 13 Tipo de sustrato/estiércol Producción de biogás m3/t Vacas 25 Cerdos 40 Pollos 65 Humano 30 Restos agrícolas 100 Restos de comida 220 Grasas de cocina 600 Tipo de estiércol Vacunos Porcinos Pollos Kg estiércol/día/animal 23,587 3,401 0,0454 Biogás (m 3 )/ Kg estiércol 0,023-0,040-0,065 0,116 0,040 0,059 Biogás (m 3 )/Kg animal/día 3,13 x ,77 x ,51 x 10-3 Peso del animal (Kg) Biogás (m 3 )/animal/día 1,565 0,334 0,11 Energía (Kcal.)/animal/día Tabla III: Rendimiento de biogás para distintos tipos de estiércol 12 Manejo ecológicamente compatible de las cuencas del Tungurahua. Digestión Anaeróbica y Diseño de Biodigestores. 13 Manejo ecológicamente compatible de las cuencas del Tungurahua. Digestión Anaeróbica y Diseño de Biodigestores. 7

8 1.2 Cómo se produce? Bioquímica de la Digestión anaeróbica Con el objetivo de producir biogás de manera eficiente, será necesario conocer el proceso de digestión que se desarrolla en el interior de los reactores, en qué consiste y cómo trabajan los microorganismos. Esencialmente es un proceso de dos fases: En la primera o Fase Ácida: las proteínas, carbohidratos y lípidos son convertidos en ácidos grasos y alcoholes por una amplia variedad de tipos bacterianos anaerobios, esta fase involucra: hidrólisis y acidificación. En la Fase Metanogénica, que es la segunda: los ácidos grasos se utilizan para la fermentación del metano 14. Los microorganismos que intervienen durante el proceso poseen unas características particulares y para mantener en óptimas condiciones su actividad, y por consiguiente para producir el Biogás, dependen de una serie de parámetros ambientales, como la temperatura, el ph, etc. En la tabla siguiente se presentan las bacterias que intervienen en cada fase y algunas características: Fase acidogénica Fase metanogénica Bacterias facultativas (pueden vivir en presencia de bajos contenidos de oxígeno). Bacterias anaeróbicas estrictas (No pueden vivir en presencia de oxígeno). Reproducción muy rápida (alta tasa reproductiva). Reproducción lenta (baja tasa reproductiva). Poco sensibles a los cambios de acidez y temperatura. Principales metabolitos, ácidos orgánicos. Muy sensibles a los cambios de acidez y temperatura. Principales productos finales, metano y dióxido de carbono 1.3 Factores que intervienen en la producción de Biogás: Dentro de los factores que intervienen en la producción de biogás, y por lo tanto que afectan directamente a los microorganismos pueden citarse: 1. Tipo de sustrato y nutrientes necesarios: Según el tipo de sustrato (estiércoles, desechos de cocina, agrícolas, lodos, etc.) será necesario en algunas oportunidades equilibrarlo con otros materiales (por ej. El guano avícola, con alto contenido en nitrógeno, debe agregarse una proporción adecuada de material con alto contenido en carbono). Los microorganismos 14 Alan, Scragg Biotecnología para ingenieros. Sistemas biológicos en procesos tecnológicos. Limusa. Noriega editores. 8

9 que intervienen en la digestión necesitan una cierta cantidad de macro y micronutrientes y proporción de carbono e hidrógeno. La relación óptima de C/N es de 30:1, cuando la relación es muy estrecha (10:1) hay pérdidas 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 falta de nitrógeno. 2. Temperatura del sustrato: La velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas se incrementa normalmente cuando se eleva la temperatura, en la producción de biogás debe considerarse que esto es válido para ciertos rangos de temperatura, los cuales son tolerados por los diferentes microorganismos, siendo las más sensibles a estos cambios las bacterias metanogénicas. Con el fin de mantener una temperatura estable se pueden utilizar sistemas de calefacción dentro de la cámara de digestión (figura izq. 15 y abajo 16 ). El proceso se lleva a cabo satisfactoriamente en dos rangos bien definidos, de 10 a 37ºC (30 40ºC) para la flora de bacterias mesofílicas, las bacterias que se desarrollan en este rango de temperatura se reproducen fácilmente y pueden permanecer activas si no ocurren cambios súbitos de temperatura, y entre 55 a 60ºC para el rango termofílico; en este rango se produce mayor cantidad de biogás que en el rango anterior y en tiempos más cortos. 3. Velocidad de la Carga volumétrica: Es el volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención. Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada, debido a que una misma cantidad de material degradable podrá ser cargado con diferentes volúmenes de agua. 4. Tiempos de retención hidráulico: Las bacterias requieren un cierto tiempo para degradar la materia orgánica, y la velocidad estará en una medida importante condicionada por la temperatura; ya que a mayores temperaturas menores tiempos de retención requeridos para la producción de biogás. El T.R. está íntimamente

10 ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material. El límite mínimo de los T.R. está dado por la tasa de reproducción de las bacterias metanogénicas debido a que la continua salida de efluente del digestor extrae una determinada cantidad de bacterias que se encuentran en el líquido. Esta extracción debe ser compensada por la multiplicación de las bacterias que pertenecen dentro del reactor. La tabla siguiente muestra el T.R. adecuado para estiércoles 17 : MATERIA PRIMA Estiércol vacuno líquido Estiércol porcino líquido Estiércol aviar líquido T.R.H días días días 5. Nivel de acidez (ph): El rango de ph aceptable para bacterias metanogénicas varía entre 6,50 a 7,50; prácticamente un medio neutro. Si el ph supera el valor de 8, significa que existe una acumulación excesiva de compuestos alcalinos. Un ph inferior a 6 indica una descompensación entre la fase acidogénica y la metanogénica. 6. Contenido de sólidos Concentración del sustrato: La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y producción de gas. 7. Inclusión de Inoculantes: se refiere al agregado de material de otro digestor rico en bacterias que se encuentran en plena actividad, de esta manera se estabiliza más pronto la actividad de las bacterias y el biogás comienza a producirse antes Grado de mezclado Agitación: La generación de biogás depende fundamentalmente del íntimo contacto entre bacterias, la materia prima en degradación y los compuestos intermedios producto de las diferentes etapas de proceso fermentativo. 17 Gropelli, E. Giampaoli, O Ambiente y tecnología socialmente apropiada. El camino de la biodigestión. Centro de publicaciones, Secretaría de extensión. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina. 18 Cabe aclara que la actividad de las bacterias pasa por tres etapas: 1. arranque, 2. estabilización, y 3. declinación. 10

11 La agitación tiene como fines: la remoción de los metabolitos producidos por las bacterias metanógenas, mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la formación de costras dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios muertos sin actividad biológica. Figura III: Agitador con motor sumergible 19 Brazo giratorio con paletas para mover el material en digestión Compuestos inhibidores del proceso: Los compuestos tóxicos 21, aún en concentraciones bajas, influyen negativamente en el proceso de digestión al disminuir la velocidad del metabolismo de la microflora. Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque en general todos los grupos de microorganismos que participan en el proceso son afectados. La toxicidad provocada por los nutrientes se debe a las altas concentraciones de éstos que se hacen intolerables para los microorganismos, tal es el caso del nitrógeno que debe ser controlado para que los niveles de amoníaco se mantengan por debajo de 80 ppm. 1.4 Descripción del proceso de digestión anaeróbica en plantas de biogás Las plantas de biogás funcionan procesando la materia orgánica en reactores de digestión anaeróbica en los cuales actúa un gran número de microorganismos anaeróbicos que se encargan de degradar el material. Como resultado de este proceso se obtiene el biogás, de alto valor energético y un digerido que mantiene los nutrientes de la carga orgánica inicial. El diseño y la construcción de los biodigestores varían en su magnitud, desde pequeños digestores alimentados por los residuos de una o varias familias, donde pueden incluir el Las tablas de compuestos inhibidores y sus concentraciones pueden observarse en el manual de biodigestores del que ésta guía es parte. 11

12 líquido cloacal, familias rurales, granjas pequeñas, medianas, hasta vertederos de RSU, establecimientos agropecuarios, plantas industriales, cooperativas, efluentes de parques tecnológicos, etc. Todo dependerá fundamentalmente de la necesidad o demanda energética, y de la disponibilidad de materia prima. Figuras IV: Biodigestores de diferente tamaño 22. De manera simplificada los sistemas de biodigestión están constituidos por tres cámaras: 1. Cámara de carga 2. Cámara de Biodigestión 3. Cámara de descarga Unidades de Cogeneración (electricidad y calor) Figura V: Planta de Biogás 23 Componentes de una Planta de biodigestión anaeróbica: 1. Cámara de carga: por la cual ingresa el sustrato a digerir (materia orgánica: purines de cerdo, estiércoles, animales muertos, restos de cosechas, etc.) Modificada por Lorena Gon. 12

13 previamente homogeneizado 24. El sustrato deberá reunir unas determinadas condiciones para su ingreso (Temperatura, ph, dilución, concentración de sólidos, DQO, DBO, contenido de nutrientes, relación Carbono Nitrógeno), de tal forma que el proceso de digestión se lleve a cabo con normalidad, sin interrupciones ni cambios bruscos. En el caso de restos orgánicos de procesos agroindustriales, es necesario llevar a cabo un pretratamiento, para el acondicionamiento o higienización de la materia prima a introducir en el digestor, cuidando así que no se introduzcan elementos que dañen la biología del proceso. En la figura siguiente se muestra el caso de un biodigestor que posee un contenedor dosificador : es un depósito colector (con capacidad de hasta 60 m 3 ), que puede llenarse fácilmente con un transporte de carga adecuado, dependiendo de las necesidades especificadas abastece a la instalación de biomasa no bombeable, como el estiércol sólido. La materia sólida depositada en el contenedor es transportada hacia un sistema de tornillos sin fin por medio de un sistema hidráulico y desde allí el material es introducido en el biodigestor. Figura VI: Contenedor dosificador para ingreso del material al biodigestor Reactor o cámara de biodigestión: es el sector más importante de la planta de biogás, ya que aquí se desarrolla el proceso y la generación de biogás. Figura VII: vista del interior del reactor la etapa previa consiste por ejemplo en triturar los animales muertos o los restos de cosecha y agregar la cantidad de agua necesaria para el tratamiento, y considerar según previos análisis químicos, la necesidad de aditivos, por ejemplo para equilibrar la relación carbono nitrógeno

14 El diseño de esta cámara dependerá del tipo de sustrato y del volumen a digerir, entre otras consideraciones, como el sistema de calefacción y las paletas de agitación, las características de los materiales de construcción a utilizar, la cubierta flexible para la campana del gasómetro, o con cubierta fija, etc., características que dependerán también de la inversión económica disponible. Existen diferentes tipos de biodigestores y cámaras de digestión, a continuación se muestran algunos diseños: 27 Tipos de digestores de tecnología simple: a- Digestor de cúpula flotante o hindú b- Digestor de cubierta fija o chino - Biodigestores discontinuos y continuos (mezcla total, de contacto) - Biodigestor con desplazamiento horizontal (la materia orgánica diluida circula en flujo pistón) - Digestor Horizontal - Digestor con cobertura flexible Para mayor detalle puede observarse el manual de Biodigestión. 14

15 - Biodigestor tubular plástico Cámara de descarga: En este sector se construye una cámara con el fin de Descarga del digerido Cámara de carga Cámara de Digestión almacenar el producto de salida o digerido. El efluente del reactor anaeróbico, resulta un material estabilizado y rico en nutrientes listo para ser utilizado líquido en los campos como biofertilizante o secado en playas o por centrifugado, y luego almacenado en silos u otros. El efluente o bioabono esta constituido por la fracción que no alcanza a fermentarse y por el material agotado. Es un líquido espeso de color oscuro (como se muestra en la figura de la derecha 29 ). La gran ventaja de este abono es que la mayoría de los nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) inicialmente presentes en el material a fermentar no se pierde, si se toman las precauciones adecuadas ya que si se utilizan técnicas para deshidratarlo puede haber pérdidas por volatilización hasta del 60%, sobre todo de nitrógeno. La cámara de almacenamiento del efluente no está aislada ni revestida, como tampoco posee calefacción propia, pero también puede estar cubierta, ganando con ello, por un lado, una capacidad extra de almacenamiento de gas, y por otro, un área de desulfurización adicional. Asimismo, la cubierta permite aprovechar al máximo el potencial energético del material de entrada, ya que se extrae hasta el último porcentaje de biogás y de energía disponible. De esta forma, aumenta la rentabilidad de la planta

16 Figura IX: Planta de Biogás en dos etapas (arriba) y Esquema de flujo de una planta de biogás (abajo) Utilidades y Beneficios del Biogás El biogás se produce y purifica donde hay disponibilidad de materia prima renovable y se aprovecha donde existe demanda energética 32. El biogás posee un gran valor energético y puede transformarse en electricidad y/o calor utilizando unidades de cogeneración. La electricidad producida puede ser consumida directamente en el establecimiento o como en otros países, alimentar la red pública. Al mismo tiempo, el calor generado puede aprovecharse para calentar establos, viviendas, edificios, así como en procesos industriales y también puede utilizarse para regular la temperatura del biodigestor. De esta manera el biogás se transforma en un biocombustible que, generado a partir de los propios desechos orgánicos de un productor agropecuario, le permitirá ahorrar en gastos de tratamiento, almacenaje y transporte de residuos y a su vez, le permitirá disminuir los consumos energéticos pues estará generando su propia energía y de

17 acuerdo a la materia prima disponible, en este caso estiércoles, podría alcanzar el total autoabastecimiento energético del establecimiento. A continuación se presentan las equivalencias de biogás y combustibles factibles de ser sustituidos por éste 33 : Combustible PODER CALORÍFICO EQUIVALENCIA CON BIOGÁS DE 5500 Kcal/m 3 Gas natural 9300 kcal/m 3 1,70 Gas envasado grado kcal/kg 2,18 Gas envasado grado kcal/kg 2,16 Leña blanda 1840 kcal/kg 0,33 Leña dura 2300 kcal/kg 0,42 Nafta 8232 kcal/lt 1,50 Kerosene 8945 kcal/lt 1,63 Gas oil 9211 kcal/lt 1,67 Fuel oil kcal/kg 1,87 Tabla IV: equivalencias de combustibles con biogás de 5500 kcal/m 3 Equivalencia con biogás 34 Con 1 m3 Biogás de (5.500Kcal/m3) Se reemplazan: Poder Calorífico 0,60 m3 gas natural 9300 Kcal/m m3 gas envasado Kcal/Kgs 0.59 Lts gas-oil 9211Kcal/Lt 2,39 Kg leña dura Kcal/ Kg A pequeña y mediana escala, el biogás ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, calefacción, como reemplazo de la gasolina o el combustible diesel en motores de combustión interna, operar maquinaria agrícola o bombear agua. Un metro cúbico de biogás resulta suficiente para 35 : - generar 1.25 kw/h de electricidad 33 Gropelli, E. Giampaoli, O Ambiente y tecnología socialmente apropiada. El camino de la biodigestión. Centro de publicaciones, Secretaría de extensión. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina. 34 Tabla: Lic. Lorena Galán. ITU - UADER 35 R. Sosa, R. Chao y J. del Río. Instituto de Investigaciones Porcinas. Gaveta Postal 1 Punta Brava 19200, C. de la Habana, Cuba // R. Sosa, R. Chao y J. del Río. Instituto de Investigaciones Porcinas. Gaveta Postal 1 Punta Brava 19200, C. de la Habana, Cuba 17

18 - generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt - poner a funcionar un refrigerador de 1 m 3 de capacidad durante 1hora - hacer funcionar una incubadora de 1 m 3 de capacidad durante 30 minutos - hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas Estimación del consumo de biogás de una familia rural 36 A los efectos de evaluar el consumo de biogás que requieren los distintos artefactos domésticos de una familia tipo rural, formada por 5 personas, se consideran los siguientes consumos para realizar la estimación: - artefactos domésticos: - cocina de 4 hornallas: 1 hora diaria para la preparación del desayuno y merienda; preparación de dos comidas, con dos quemadores medianos, dos horas por día cada uno. En total 4 hs de funcionamiento por día. - Agua caliente a 50º C para uso sanitario: 25 lt/persona/día y un adicional de 50 lt/día para limpieza de vajilla. Total: 150lt/día 37 Tabla de estimación de consumos de biogás: Cocina Tiempo de funcionamiento diario hs/día Consumo de biogás kcal/m 3 en m3/h Consumo diario m 3 de biogás/h 1 quemador chico 1 0,23 0,23 Dos quemadores medianos 2 0,32 1,28 Termotanque Capacidad de 75 lts 2 0,82 1,7 Heladera con ciclo de absorción Marcha al máx. con 5 pies 24 0,09 2,16 cúbicos (ft 3 ) de capacidad Consumo total diario de biogás 5,37 A continuación se muestra un ejemplo de estimación de la producción de biogás de una granja rural con un tambo de 7 vacas, y un promedio remanente de 60 pollos y una cerda madre 38 : 36 Gropelli, E. Giampaoli, O Ambiente y tecnología socialmente apropiada. El camino de la biodigestión. Centro de publicaciones, Secretaría de extensión. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina.p: para el cálculo, el autor citado anteriormente, utiliza lo siguiente: que el agua de pozo se obtiene a 18ºC y se calentará en un termotanque de los cuales se estima una eficiencia del 60 %, lo cual significa que del total del calor del gas que es consumido se aprovecha un poco más de la mitad. 38 Gropelli, E. Giampaoli, O Ambiente y tecnología socialmente apropiada. El camino de la biodigestión. Centro de publicaciones, Secretaría de extensión. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina. 18

19 Tipo de residuo Cantidad disponible Kg/día Conversión en biogás m 3 /kg ST Producción biogás m 3 /día Restos de comida 25 0,09 2,25 Estiércol vacuno (7 animales) 88,8 0,03 2,66 Porcino (1 madre) 7,1 0,06 0,43 Aviar (60 pollos) 6,74 0,04 0,27 Total diario 5,61 Cálculo: Producción de biogás (m 3 /día) = Cantidad de Residuo (kg/día) x Conversión en biogás (m 3 / kg Sólidos Totales) 1.6 La Biodigestión como alternativa para el manejo de los residuos orgánicos agropecuarios La importancia y las ventajas de la aplicación de este tipo de tecnologías se observa en la mejora de la calidad de vida de las personas y del ambiente. Los olores, vectores y otros patógenos eliminados y a partir de los desechos orgánicos se obtiene un recurso energético de valor con el que puede producirse calor y electricidad, reemplazando a los combustibles fósiles. Los residuos generados por las explotaciones agropecuarias se convierten de esta forma en materias primas renovables y una consideración importante es que son muy disponibles en la región y por lo tanto podrían generarse grandes cantidades de combustible. Aporta beneficios económicos al productor: - Ahorro de combustibles fósiles para calefacción y ahorro en fertilizantes inorgánicos, ya que el efluente del biodigestor es un fertilizante orgánico líquido. - Ingresos adicionales para las empresas, permitiendo el crecimiento económico, la diversificación del negocio y el aumento de la competitividad. - Extracción del potencial energético (metano) de desechos agrícolas (p.ej. purines), evitando su emisión directa en la atmósfera y protegiendo así el medio ambiente. Reduce los impactos ambientales: Extracción del potencial energético (metano) de desechos agrícolas (p.ej. purines), evitando su emisión directa en la atmósfera y protegiendo así el medio ambiente de los efectos nocivos de los gases de efecto invernadero 19

20 Minimiza la potencial carga contaminante producida por depósito de residuos orgánicos agropecuarios en suelos y agua; extrae gran parte de la energía contenida en el material mejorando su valor fertilizante y controlando de manera considerable los malos olores reduciéndolos hasta un 90 y 100%. El manejo inadecuado de los desechos agropecuarios especialmente los estiércoles perjudican a los vecinos que habitan cerca de las actividades pecuarias y agroindustrias que lo producen en grandes cantidades. Reduce la tala de árboles para ser utilizados como leña; los biodigestores son una de las grandes alternativas para evitar la tala desmedida de árboles para leña. No produce humos contaminantes como la leña mejorando la calidad de vida de las personas. Además, el biogás que produce el biodigestor combustiona solo cuando se necesita y en el caso de cocinas con leña, ésta debe estar todo el día prendida y con ello supone peligros. En las actividades pecuarias abundan los insectos, especialmente moscas y zancudos, los sistemas de digestión anaeróbica reduce la presencia de éstos y evita la proliferación de los mismos dando lugar a su eliminación definitiva. 1.7 Importancia y Ventajas del Biofertilizante: Las dos reglas básicas para mantener la capacidad fertilizante del efluente de la biodigestión son: evitar tiempos largos de almacenamiento y mantenerlo húmedo, fresco y cubierto. Favorece el desarrollo microbiano y bacteriano. La intensa actividad bacteriana fija Nitrógeno atmosférico, transformándolo en sales aprovechables. Resulta de fácil aplicación por su forma líquida. Mejora la estructura del suelo facilitando la penetración de las raíces de las plantas favoreciendo su resistencia en tiempos de sequía, y la estructura porosa permite mayor aireación en la zona de raíces, facilitando su respiración y crecimiento. Estabiliza la aglomeración de partículas del suelo, de esta manera permite mayor resistencia a la acción disgregadora del agua, adsorbiendo las lluvias más rápidamente, evitando la erosión y conservando la humedad por más tiempo. Su poder de fijación de sales es mayor que el de las arcillas, siendo responsable directo de la mayor parte de la nutrición de las plantas. Debido a este poder de fijación evita la solubilidad y lixiviación excesiva de sales manteniéndolas aprovechables para las plantas. 20

21 2.1 Consideraciones técnicas En todo proyecto, es necesario seguir una serie de etapas y considerar unos aspectos fundamentales que llevarán a buen término el emprendimiento propuesto, desde las etapas iniciales en la concepción de la idea del proyecto, el diseño, la construcción, la implementación y su posterior seguimiento. De lo contrario, podrían no contemplarse situaciones que requieren cuidados especiales, como los impactos ambientales y sociales que estos proyectos pudieran provocar directa o indirectamente, y los riesgos potenciales que pudieran acarrear ciertas fallas en el proceso de biodigestión; y que por otra parte incurrirían en posteriores gastos indeseados. En el caso de las plantas de biogás, para elaborar el proyecto deben tenerse en cuenta, en primer lugar, los parámetros de producción de biogás que se mencionaron en el apartado I, en el punto 2.2: Factores que intervienen en la producción de biogás, de esta guía. Dentro de ellos, el volumen y el tipo de sustrato disponible (estiércol, animales muertos, desechos agropecuarios, otros) son los parámetros de inicio, que determinarán la producción de biogás, el caudal de material de entrada y de salida, el tiempo de retención y los volúmenes de las cámaras de carga, de digestión y de recepción del efluente, como así también, la necesidad de pre tratamientos previos al ingreso a la cámara de digestión. Una vez que se definen estos parámetros y teniendo en cuenta los objetivos predeterminados por el productor y la inversión disponible, debe realizarse una evaluación previa de las condiciones climáticas y otros parámetros ambientales, sociales (mano de obra, materiales de construcción, etc) y de recursos (recursos hídricos, energéticos, etc.) que definirán la mejor opción, de una serie de alternativas para desarrollar el proyecto de biodigestión. Materiales de Construcción Los plantas de biodigestión con sus tres cámaras varían en cuanto a materiales de construcción y tecnología dependiendo del tipo de biodigestor. Cámaras de carga: Dependiendo del digestor esta cámara deberá ser capaz de almacenar un volumen equivalente a dos días de carga. Estará provisto de un sistema de alimentación de agua para realizar las diluciones del material y algún mecanismo o instrumento de agitación para homogeneizar. Al incorporar el agua con una temperatura adecuada que favorezca la velocidad de degradación también beneficia la homogenización del material y disminuye su concentración para que pueda fluir 21

22 fácilmente. Para su construcción suele utilizarse mampostería con revoque impermeable y variará de acuerdo a las características del residuo y las posibles reacciones. Cámara de digestión: como ya se ha visto, varía según el tipo de biodigestor, el material y las condiciones ambientales internas y externas al digestor. A modo de ejemplo: para los digestores de tecnología simple (hindú, chino) se utiliza mampostería, tablas de madera, hormigón; los digestores tubulares utilizan bolsas silo de polietileno, algunos digestores tubulares se construyen de material; otros de desplazamiento horizontal utilizan membranas o lonas especiales de material resistente y flexible, y los más tecnificados, abundantes en Europa, son como el que se muestra a continuación 39 estas plantas de biogás están equipadas para producir el metano puro y en las condiciones adecuadas para distribuirlo a la red de gas natural: Estos digestores son de hormigón armado y van equipados con agitadores de motor sumergible, sistema de calefacción (tubos de polietileno) y están tapados mediante una cubierta laminada doble. Sus muros se encuentran revestidos de material aislante y protegidos de la intemperie mediante una chapa metálica. En su interior reina una atmósfera prácticamente libre de oxígeno (anaeróbica), una temperatura mesofílica constante (40-42ºC) y un valor de ph prácticamente neutro (6,7-7,2), factores que permiten y favorecen el crecimiento de las bacterias responsables del proceso. 40 Cámara de descarga: debido a que el efluente es líquido no puede ser depositado directamente sobre la tierra, habrá que construir una cámara para almacenarlo que, según se vio anteriormente, no es necesario que esté revestida

23 Accesorios 41 Tuberías del biogás: alrededor del 60% del mal funcionamiento de las plantas se debe a este punto. Los problemas que presenta son los mismos que cualquier instalación de gas, con el añadido de que el biogás está saturado por un 100% de vapor de agua (lo cual puede producir condensación dentro de las cañerías) y contiene sulfhídrico. Por tanto no se puede usar ningún elemento de metal férrico ya que se corroerían en un espacio de tiempo muy corto. Se deben usar tuberías galvanizadas de acero, de PVC o PE rígido. El polipropileno (rojo) el PVC (blanco o gris) son fácil de roscar, y el polietileno (negro) se puede unir mediante enchufes a presión previo calentamiento del caño. Las uniones deben tener sellador de gas para evitar pérdidas. Se debe tener en cuenta el largo de la red y el caudal de consumo máximo (m 3 /hora) para evitar pérdidas de carga en la longitud total de la cañería no debe sobrepasar los 10 mm de columna de agua. Las dimensiones para las tuberías de acero de una planta de tamaño pequeño o medio son de 1/2" o 3/4" y de menos de 30 m de largo. Las cañerías plásticas expuestas a los rayos UV deben ser pintadas y mantenidas periódicamente con algún esmalte sintético, como el color aluminio o verde. El acero galvanizado puede utilizarse pero con el tiempo tendrá problemas de corrosión habituales. Trampa de Agua o Columnas de destilación Para evitar la condensación por saturación de vapor de agua e impedir el flujo normal del biogás se colocan las cañerías con una leve pendiente y una convergencia hacia un punto más bajo en toda la línea. En el caso de pequeños digestores, en ese lugar se coloca una T y se deriva la salida inferior hacia una trampa de agua. Para plantas más grandes se utilizan columnas de condensación. Sistemas de calefacción y de agitación Los sistemas de calefacción disponibles pueden ser divididos en dos grandes grupos: los de calentamiento directo por vapor o agua caliente, este tipo de sistema se suele utilizar para el calentamiento del material a cargar y los de calentamiento indirecto a través de intercambiadores de calor. En estos últimos se suele utilizar el agua caliente como medio de transporte de energía. 41 Para más detalles puede verse el manual de biodigestión del proyecto al que pertenece también esta guía, en el Capítulo 3. 23

24 Los intercambiadores de calor adoptan distintas características: fondo calefaccionado, verticales sumergidos, embutidos en las paredes o externos al mismo. Sistemas de purificación del biogás: La purificación se justifica en caso de grandes instalaciones, en las cuales el metano podrá comprimirse y ser utilizado. Para instalaciones pequeñas el ácido sulfhídrico debe eliminarse cuando el biogás se utilice para generar fuerza motriz o posteriormente energía eléctrica. De lo contrario el SH 2 se transformará en ácido sulfuroso SO 2 después de la combustión y luego junto con el agua producida se oxida a ácido sulfúrico SO 4 H 2 muy corrosivo para los metales. Como regla práctica para el tamaño del purificador a construir, puede adoptarse que para el biogás obtenido a partir de estiércol de vacas, con 1 Kg de viruta oxidada se pueden purificar unos 800 m 3 de biogás 42. El sulfuro puede eliminarse mediante la introducción de limaduras de hierro en la cañería. Cuando el hierro 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. Otra manera de eliminar este ácido es a través de la inyección de oxígeno en la cámara de digestión. Para plantas industriales existen otros sistemas de purificación para la obtención de metano puro, como los que se muestran a continuación: Fuente: Lavado amínico sin presión 43 Para obtener un metano puro y rico en energía, se utilizarán diferentes pasos de limpieza. Primero se separa el biogás del ácido hidrosulfúrico. El gas previamente limpiado se trata en la limpieza de biogás sin presión mediante una solución de lavado amínica. Así, se eliminará prácticamente por completo 42 Gropelli, E. Giampaoli, O Ambiente y tecnología socialmente apropiada. El camino de la biodigestión. Centro de publicaciones, Secretaría de extensión. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina

25 el contenido de CO 2. La solución de lavado cargada con CO 2 se calienta en una unidad de regeneración. Con ello, el CO 2 vinculado químicamente se separará de nuevo de la solución de lavado amínica en el separador. La solución de lavado vuelta a preparar de tal modo, se enfriará a continuación a través de un proceso de recuperación de calor y se volverá a introducir en el proceso. Igualmente, se recuperará calor a partir del producto derivado de CO 2 que se da en forma de gas y que contiene también trazas de vapor de agua. Desulfurización 44 : La desulfurización se lleva a cabo mediante bacterias, que colonizan una red situada debajo de la cubierta del digestor. Con esta solución se evita la implementación de complicadas y costosas tecnologías de desulfurización externa y la necesidad de trabajos de mantenimiento. Adaptación de artefactos domésticos para uso del biogás Cuando el biogás se mezcla con aire en una relación de 1:20 se forma un gas potencialmente explosivo, así que las canalizaciones podrán ser peligrosas en lugares cerrados. 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 o motores. Habitualmente los quemadores de los artefactos domésticos están preparados para utilizar gas envasado con una potencia calorífica del orden de kcal/m 3 y para gas natural 9300 kcal/m 3, recordando que el biogás tiene un valor aproximado de 5500 kcal/m 3, entonces existen dos posibilidades: diseñar un quemador para este combustible o adaptar los artefactos destinados anteriormente para gas natural o envasado. Esta tarea resulta totalmente artesanal mediante sucesivas pruebas ya que cada biodigestor trabaja con una presión diferente según el diseño y el tipo de gasómetro utilizado. La adaptación puede efectuarse de forma sencilla en estufas, quemaderos, lámparas. En primer lugar se debe aumentar el diámetro del inyector 45, dado que los picos son de bronce basta utilizar una broca de un diámetro pequeño para agrandar levemente el diámetro. Como va a circular mayor caudal al usar biogás, la succión de aire primario se debe reducir de lo contrario la cantidad de aire mezclado por efecto venturi será demasiada. Los quemadores tienen por lo general un anillo de chapa que permite hacer esta reducción de la sección de paso para el aire Inyector: pequeña boquilla con una abertura de unos pocos milímetros de diámetro por donde ingresa con velocidad el gas combustible. 25

26 El caudal de mezcla total será mayor que en el uso original del quemador entonces la sección de salida en la corona del quemador se debe aumentar sustancialmente. El buen funcionamiento se logra cuando la llama es de color azul pálido, sin puntos amarillos y no se despega de la corona a caudal máximo. Tampoco debe haber retroceso de la llama dentro del quemador. 46 Transformación del biogás en energía Esta transformación puede efectuarse a través de las siguientes tecnologías: Combustión en caldera con solo producción energía térmica Combustión en grupos electrógenos a gas para la producción de energía eléctrica Combustión en equipos de cogeneración para la producción combinada de energía eléctrica y calor Los sistemas de cogeneración buscan la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energía contenida en el biogás. En estos casos la potencia mecánica provista por el eje del motor es aprovechada para generar electricidad a través de un generador. Simultáneamente y por medio de una serie de intercambiadores de calor ubicados en los sistemas de refrigeración (agua y aceite) del motor y en la salida de los gases de escape, se recupera la energía térmica liberada en la combustión interna. De este modo se logra un mejor aprovechamiento de la energía. 2.2 Operación y Mantenimiento Las actividades de operación del biodigestor dependerán del grado de tecnificación del sistema, a mayor tecnificación menor mano de obra, pero en todo caso necesaria la capacitación de los responsables en cuanto a los procesos, y sobre todo en materia de prevención de riesgos. Medidas preventivas - Todas las áreas con operaciones de biogás deben estar bien ventiladas para evitar la acumulación peligrosa de sustancias inflamables y toxicas en caso de fugas. Si el biogás se mezcla con aire en 1:20 se forma un atmósfera potencialmente explosiva. - El usuario debe ser conciente del riesgo que conlleva el uso del biogás, sobretodo en relación al utilizo de los aparatos domésticos (quemadores, lámparas). 46 Gropelli, E. Giampaoli, O Ambiente y tecnología socialmente apropiada. El camino de la biodigestión. Centro de publicaciones, Secretaría de extensión. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina. 26

27 - El digestor de la planta de biogás y el almacenamiento del biofertilizante se deberán construir en una localización donde no pueda ser posible que humanos o animales caigan en su interior. - Las cañerías deben estar como mínimo a 30 cm bajo tierra para no tener contacto accidental con ellas. - Para el manejo del biogás es preciso definir las distintas zonas de riesgo que habrá en la planta y tener especial esmero en asegurar la ventilación de todo el sistema de biogás para que no se formen bolsas, con peligros de explosión. Teniendo en cuenta esta consideración, se podrá clasificar el área de la planta de biogás en zonas por grados de riesgo de explosión, y en función de cada grado tomar las medidas necesarias. Tareas de Mantenimiento Una vez que el sistema se encuentra en equilibrio estable consumiendo la carga de diseño, el proceso continuará por determinados períodos de tiempo y necesitará para su mantenimiento una serie de controles adecuados, teniendo en cuenta los dispositivos (medidores de ph, conductividad, temperatura, otros.) necesarios en la instalación que permitan verificar diariamente los parámetros más relevantes y que pueden afectar negativamente el proceso de digestión. Cabe recordar que el sistema trabaja con microorganismos vivos, una población bacteriana compleja, donde ante cualquier cambio, como una sobrecarga de alimentación, redundará en consecuencias negativas en el funcionamiento del biodigestor, y los aumentos de carga no siempre provocan un aumento en la producción de biogás, sino que ocurre lo contrario, provocando la disminución del rendimiento del digestor hasta su completa ineficiencia y el riesgo de inhibir totalmente la actividad de las bacterias productoras de metano, y esto sucede a causa del aumento desmedido de ácidos grasos volátiles 47 (AGV) inhibidores de la metanogénesis. Es por ello que, deberá establecerse un plan de vigilancia y monitoreo de tal forma que todos los factores y parámetros que intervienen en la producción de biogás funcionen correctamente y con seguridad Los AGV son producidos por las bacterias acidogénicas que tienen una cinética de transformación superior a la metanogénesis. 48 Para mayor información puede consultarse el manual. 27