Simulación de Generación Eléctrica Mediante un Proceso de Digestión Anaerobia Controlada de Residuos Sólidos Orgánicos..

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2 INTRODUCCIÓN El aumento poblacional ha generado factores que deben ser estudiados para encontrar alternativas a problemas puntuales que trae consigo este crecimiento, dos de las grandes problemáticas que se analiza son la búsqueda de energías alternas para solventar la crisis energética mundial y el manejo adecuado de los residuos sólidos generados en distintas actividades. Dentro del aporte de la Corporación Eléctrica Ecuatoriana (CELEC EP) al Plan Maestro de Electricidad (PME) se encuentra la elaboración de estudios energéticos y de energías renovables no convencionales (ERNC) para solventar los problemas de la estacionalidad que tiene la generación hidroeléctrica. Es necesario partir desde la simulación y desde la experimentación para lograr producir tecnologías maduras que tengan una eficiencia óptima, que puedan ser llevadas en un paso posterior al desarrollo de prototipos y que de esta manera logren la sostenibilidad de los procesos ambientales. En estas iniciativas aparece la generación eléctrica a partir del biogas (metano) que se produce como resultado de una digestión anaerobia, pero que sea controlada para poder tener la mayor eficiencia posible. La producción de energía eléctrica a partir de biomasa se convierte en una atractiva estrategia para el manejo de la demanda, ya que no solo permitiría suplir en parte las necesidades del consumo de energía eléctrica sino que también disminuiría la demanda nacional. Asimismo, permitiría el tratamiento y manejo de los desechos orgánicos en fincas agropecuarias, contribuyendo al cumplimiento de las obligaciones ambientales. (Cañas, 2011). El proceso de digestión anaerobia genera metano que es un biogás por sus características de poder energético y porque no produce gases de efecto invernadero en su combustión. El biogás está constituido principalmente por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y una serie de impurezas que dependen del origen primario del biogás. (Ward et al, 2008) La composición estándar del biogás tiene un contenido entre % de metano con una energía contenida de Kwh/m3 que es un equivalente en combustible de Lpetróleo/m3 biogás. (Deublein y Steinhauser, 2008) Este dato es muy interesante ya que permite al final del estudio realizar una comparación y una valoración del biogás obtenido en la simulación con su equivalente en contenido de combustible derivado de petróleo. A. Descripción de la zona de estudio. Las granjas de la zona de estudio se encuentran en la parroquia Tarqui, perteneciente a la ciudad de Cuenca en la provincia del Azuay. Es una zona que se caracteriza por la importante producción agropecuaria por lo que buscar alternativas para el manejo de los residuos sólidos que se generan es una tarea primordial. Se ha tomado como referencia las granjas de la parroquia para los diseños y simulaciones para manejar los residuos sólidos orgánicos generados por ganado vacuno, ovino, porcino y equino. B. Datos generalas sobre la digestión anaerobia. Para lograr un proceso óptimo de generación de metano se plantea la simulación y dimensionamiento de un biodigestor. En su forma más simple es un contenedor hermético, cerrado e impermeable dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar en determinada dilución de agua para que se descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio. (Fundación Hábitat, 2005)Z Sobre la capacidad de producción energética la digestión anaerobia controlada resulta tener una gran eficiencia y por lo tanto ser una ventaja muy aprovechable. Por la acción de las bacterias metanogénicas, gran parte del contenido orgánico de los residuos se transforma en gas metano; teóricamente 1 Kg. de la DBO eliminada produce 350 litros de metano a 35ºC. Este combustible posee un elevado poder energético utilizable (Pérez, 2010) Es necesario considerar que la puesta en marcha va a representar gastos por la baja velocidad de crecimiento de las bacterias y los costos energéticos que representa mantener al reactor en una temperatura de 35 C para su correcto funcionamiento. METODOLOGÍA Para el desarrollo de las simulaciones se trabaja con el programa DESSAS 7.1, que es un programa concebido para la depuración de aguas residuales pero que tiene integrados módulos que facilitan el planteamiento de varias alternativas. El esquema que se propone cuenta con un decantador primario, un espesador de fangos y un digestor anaerobio. Se plantea este tipo de esquema para poder concentrar las aguas residuales y asemejar los residuos sólidos orgánicos. El esquema de simulación se plantea 11

3 en la Figura 1: Figura 1: Esquema de simulación Al decantador primario ingresa una carga de materia orgánica medida como Demanda Química de Oxígeno (DQO) y como Demanda Biológica de Oxígeno (DBOlim), de acuerdo a las cargas que se analizan de producción de residuos de los animales de granja. Los fangos resultados de la decantación primaria son los que ingresan al digestor anaerobio previamente pasando por un proceso de espesado para que las condiciones del fango se asemejen a la de los residuos sólidos orgánicos. Se han analizado la producción de residuos de 510 animales de granja divididos entre vacas de producción lechera, puercos, ovejas y caballos. Existen datos de la cantidad de residuos sólidos que genera de acuerdo al tipo de ganado y la cantidad de gas que puede producir esos residuos como se puede ver en la Tabla 1 (Deublein y Steinhauser, 2008). Para el análisis y simulaciones que plantea este trabajo solamente se ha considerado la cantidad de residuos sólidos y con los datos de materia orgánica producida se realiza la simulación de producción de metano. una demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO5), de 60 gramos de oxígeno por día. Cuando se dispone de los datos de volúmenes que deben ingresar al reactor y la carga de contaminación con la que ingresan se diseñan los volúmenes necesarios de acuerdo con los criterios de tiempo de retención. Se analiza datos de diseño y se verifica con las simulaciones para obtener volúmenes óptimos. La digestión anaerobia controlada es un proceso en el cual se puede mantener la temperatura ideal para lograr la mayor eficiencia, al momento de plantear simulaciones previas al desarrollo de un prototipo se puede ahorrar tiempo y recursos porque se trabaja con un rango de resultados óptimos. Luego de verificar los tiempos de retención y la temperatura adecuada de digestión se analiza la producción de metano y la generación eléctrica, el primer uso que se le da a la electricidad producida es para lograr calentar los digestores y luego para la iluminación de las viviendas que se encuentran dentro de los predios de las haciendas analizadas. El esquema de digestión anaerobia y la distribución de la energía eléctrica producida se muestran en la Figura 2: Figura 2: Esquema de funcionamiento de la planta de biogás. Tabla 1. Potencial de producción por biogás por animal. Fuente: Deublein y Steinhauser, Con los datos de producción de residuos sólidos se plantea los volúmenes y la carga de contaminación que ingresa al digestor anaerobio de acuerdo con la carga de habitante equivalente. La definición oficial de Habitante equivalente es según indica el RD 11/1995. La carga orgánica biodegradable con Se utiliza el programa DESSAS 7.1, para realizar varias simulaciones de digestión y generación de acuerdo a los criterios de diseño para digestión anaerobia, se utiliza los criterios de diseño de temperatura, tiempo de retención celular y crecimiento bacteriológico ya que el programa permite la introducción y modificación de estos parámetros además de características constructivas como materiales y dimensiones. Para las consideraciones de temperatura y tiempo de retención se utiliza los crecimientos de bacterias termofílicas y mesofílicas que se presenta en la Figura 3. 12

4 Figura 3: Rango de operación para organismos mesofílicos y termofílicos. A. Fases de la simulación: El proceso de simulación sigue varias fases de acuerdo a las condiciones metodológicas mencionadas con anterioridad, las fases son: 1) Cálculo de residuos sólidos generados. 2) Cálculo de DBO5 generada 3) Cálculo de caudales de ingreso Tabla 2. Cantidad de residuos generados para el proceso de digestión anaerobia. Los residuos generados son de m3 lo que indica que es necesario es un volumen mínimo del tanque digestor para lograr un proceso adecuado, sin olvidar considerar que ese el volumen que se genera en un día y el tiempo de retención celular es 20 días por lo que ya se plantea la necesidad de realizar una recirculación del fango para lograr un sistema cerrado y no tener reactores con dimensiones elevadas, la recirculación con la que se realiza las simulaciones se muestra en la Figura 4: 4) Estimación de parámetros de diseño. a. Condiciones de temperatura fija. b.criterios iniciales de diseño. 5) Cálculo de volúmenes y dimensiones con las condiciones iniciales y condiciones de di seño. 6) Simulaciones iniciales. 7) Generación eléctrica y condiciones para operar el reactor. 8) Simulación de alternativas. Al momento de seguir las fases de simulación es posible realizar consideraciones y tener en cuenta diversos criterios que permiten que los resultados se asemejen a la realidad y se pueda operar el digestor de una manera adecuada. RESULTADOS. Se ha calculado la producción de residuos sólidos que generan los animales de la zona de estudio, de esta manera se tiene un volumen con el cual se puede trabajar según los tiempos de retención plateados en la simulación, los datos se presentan en la Tabla 2: Figura 4: Esquema de operación del reactor anaerobio con recirculación. Para calcular la carga de contaminantes que genera los animales se considera una relación para convertir en habitantes equivalentes y se utiliza el dato de generación de DBO5 por habitante equivalente, esto permite conocer la carga que debe ingresar al digestor para realizar las simulaciones. En la Tabla 3 se presentan los valores de cargas de contaminación generadas. 13

5 mismos valores que se utilizó para realizar los cálculos teóricos. Tabla 3.Materia orgánica medida como DBO5 generada. Al calcular directamente la carga de materia orgánica que ingresa medida como DBO5 es posible realizar los cálculos de generación de biogás a partir de la concentración de sólidos volátiles (SV) que representan materia orgánica. En las siguientes ecuaciones se presenta el cálculo teórico de generación, el proceso de digestión anaerobia genera una conversión en biogas que se estima habitualmente 0.15 m3/kg SV (Kiely, 1999), realizar el cálculo teórico con esta consideración se ajusta más a la realidad que si se consideraría el paso de materia orgánica directamente a metano. Se toma un porcentaje de 60% de metano en el biogás generado, se tiene: Figura 5: Datos generales de la simulación. Una de las condiciones más importantes de la modelación y de la simulación es que las condiciones sean lo más cercanas a la realidad, controlar el crecimiento de las bacterias logra cumplir ese objetivo, pues los procesos biológicos dependen de los microorganismos y del metabolismo de ellos, en la Figura 6 se muestra el módulo de simulación que permite el control de los parámetros cinéticos de las bacterias que trabajan en la digestión anaerobia. Se realiza simulaciones para 1.02 atm de presión y 35 C de temperatura, para estas condiciones el metano tiene un poder calorífico de kcal/m3: Este es un cálculo teórico, las condiciones de funcionamiento en la realidad tienen muchas variaciones, que dependen de las cargas orgánicas, de la conductividad de los materiales, el crecimiento de las bacterias, entre otros; por eso el objetivo fundamental de esta investigación es realizar simulaciones para lograr buscar la viabilidad de la tecnología alterna. En la Figura 5 se muestran los valores iniciales que se consideran para realizar las simulaciones, son los Figura 6: Cinéticas de las bacterias. Se trabaja con los datos que da por defecto el programa, ya que no se dispone de prototipos que permitan estudiar el comportamiento microbiológico, ese debe ser un segundo paso en este tipo de estudio. El volumen inicial para las simulaciones es el necesario para cubrir la cantidad de residuos sólidos que ingresan al sistema. Se diseña y simula los reactores con hormigón para la estructura del tanque y con fibra de vidrio como el material aislante. En la Figura 14

6 7 y en la Figura 8 se muestran estas condiciones de simulación. I Simulación Figura 7: Dimensiones de los reactores para las simulaciones. Figura 9: Volumen de metano producido en la simulación. En la primera simulación se observa un valor de metano alrededor de 15 m3 /día, que es un valor inferior al de los cálculos teóricos pero que tiene concordancia, el motivo es que en este proceso se toma en cuenta el comportamiento y rendimiento que tienen las bacterias que intervienen en el proceso. Figura 8: Características de conductividad de los materiales para la construcción. Luego de tener definidos los parámetros iniciales de diseño se corren las simulaciones, DESSAS 7.1, permite observar los resultados de producción de metano para cada variación de tiempo, en la Figura 9 se muestra la producción para un período de análisis, el programa realiza por defecto 1000 cálculos hasta buscar una solución. Si no se ha llegado a una solución se guarda esos cálculos y puede correr nuevamente. Se han corrido 3 simulaciones para conocer el comportamiento de la producción de metano en el proceso de digestión anaerobia y cuanto es la energía que puede generar. En la primera simulación (Figura 9) se encuentra la simulación con las condiciones iniciales, en la Figura 10 se muestra la simulación con el aumento de los tiempos de retención celular y la temperatura y en la última simulación (Figura 10) se muestra la simulación con el aumento de DBO5, pero manteniendo los volúmenes del reactor. Figura 10: Volumen de Metano producido en la segunda simulación. La producción de gas es alrededor de 16 m3 /día, pero con volúmenes de reactor de 35 m3, la cantidad de metano es relativamente mayor y no justifica tamaños elevados del reactor anaerobio por los costos de operación y costos de energía necesaria para llegar a la temperatura de trabajo. 15

7 Figura 11: Volumen de Metano producido en la tercera simulación. Al momento de aumentar la carga de concentración de materia orgánica la reacción de digestión anaerobia produce mayor cantidad de metano, esta simulación da como resultado un volumen de alrededor de 18.5 m3 en un día, con los mismos volúmenes de reactor y con el uso de la misma energía para llegar a la temperatura de trabajo de 35 C. En la Tabla 4 se muestra una comparación de las simulaciones, con sus consideraciones de diseño, producción de biogás y capacidad energética. La producción de metano está directamente relacionada con la degradación en condiciones anaerobias de materia orgánica por lo que al aumentar la concentración de ingreso la producción es mayor con los mismos tiempos de retención y consumos energéticos iguales a los de la primera simulación. La tercera simulación da una alternativa energéticamente aprovechable en el sistema de producción de biogás, marcando la opción más favorable en este análisis y la línea en la que se debería seguir investigando los procesos mencionados. La degradación anaerobia con condiciones contraladas de temperatura produce un contenido aprovechable de biogás, siendo una alternativa energética y ambiental ya que se controla un problema de contaminación con una ventaja adicional que es la eficiencia energética, convirtiéndose en un modelo de ingreso económico sustentable en el tiempo y ambientalmente positivo. Además, realizar estos procesos de simulaciones y modelamiento permite ir depurando condiciones necesarias para lograr producir tecnologías viables que pueden pasar a siguientes etapas con un alto grado de confiablidad y optimizar recursos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Biodigestores, una alternativa a la autosuficiencia energética y de bio-fertilizantes., (2005). Fundación Hábitat, Colombia. Tabla 4. Resultado de las simulaciones. En la tabla se observa que la tercera simulación es en la que se produce mayor energía eléctrica y la que los costos serían iguales que en las simulaciones iniciales, es decir que si se logra subir las cargas de contaminación y mantener los volúmenes de residuos sólidos tenemos un proceso económicamente viable. CONCLUSIONES El proceso de digestión anaerobia produce biogás con un contenido aprovechable de metano que puede ser utilizado para generación eléctrica. Los cálculos teóricos varían de las simulaciones, las simulaciones dan valores por debajo de los teóricos ya que considera rendimiento de los microorganismos, conductividad térmica de los materiales, variaciones en función del tiempo. En todas las simulaciones planteadas se observan valores por debajo de los teóricos, el incremento de tiempos de digestión anaerobia aumenta la producción de metano, pero con la necesidad de mayores volúmenes y por lo tanto mayores consumos energéticos en los reactores. [2] Cañas I, Víquez I., (2011). Utilización de biogás para la generación eléctrica. Centro Nacional de Planificación Eléctrica. [3] Dublein D., Steinhauser A., (2008). Biogas from waste and renewable. WILEY VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. [4] KIELY G., (1999). Ingeniería Ambiental; Fundamentos, entornos, tecnología y sistemas de gestión, Primera Edición, Mc Graw Hill,770. [5] Perez, J., (2011). Estudio y diseño de un biodigestor para aplicación en pequeños ganaderos y lecheros Universidad de Chile facultad de ciencias Físicas y Matemáticas departamento de Ingeniería Mecánica. [6] Real Decreto-ley 11/1995. Normas aplicables al tratamiento de las aguas residuals urbanas. España. [7] Ward A. et al., (2008) Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resoruce. Bioresource Technology, volumen 99, pag