Analisis de La Generacion y El Uso Del Biogas Como Combustible
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UNIVERSIDAD DEL BíO-BíO FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Análisis de la generación y el uso del biogás como combustible Informe de Seminario de Titulo presentado en conformidad a los requisitos para optar al Título de Ingeniero de Ejecución en Mecánica Profesor Guía: SR. CLAUDIO VILLEGAS ULLOA FRANCISCO JAVIER ROA VALENZUELA MANUEL HERNÁN CID MANRÍQUEZ CONCEPCIÓN – CHILE
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UNIVERSIDAD DEL BíO-BíO
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
Análisis de la generación y el uso del biogás
como combustible
Informe de Seminario de Titulopresentado en conformidad a los requisitospara optar al Título de Ingeniero de Ejecución en Mecánica
Profesor Guía:SR. CLAUDIO VILLEGAS ULLOA
FRANCISCO JAVIER ROA VALENZUELA
MANUEL HERNÁN CID MANRÍQUEZ
CONCEPCIÓN – CHILE
2012
I. Agradecimientos
A Dios, por estar siempre presente en nuestro camino.
A nuestros Padres, hermanos y Amigos por brindarnos su apoyo incondicional, sinceridad y los muchos años de convivencia que nos ayudaron como personas.
A nuestros Profesores que nos orientaron en el camino correcto y nos enseñaron el gran valor de la perseverancia, ya que en esos largos años de estudio, nos demostraron que para un futuro mejor, hay que perseverar y prevalecer ante todo.
A todos ellos Muchas Gracias.
FRANCISCO JAVIER ROA VALENZUELA
MANUEL HERNAN CID MANRIQUEZ
II. Dedicatoria
A Dios ante todo, por estar presente en nosotros..
A nuestro Padres y Hermanos, por su afecto
incondicional
A nuestros Amigos y Compañeros, por apoyarnos y
estar presente.
A nuestros profesores, por guiarnos.
FRANCISCO JAVIER ROA VALENZUELA
MANUEL HERNAN CID MANRIQUEZ
III. RESUMEN
El gas combustible “biogás”, proporciona una fuente energética a los
países, industrias y agricultores, que la utilizan, por medio de dos tecnologías, que
generan biogás, los Biodigestores y vertederos controlados. Estas dos
tecnologías, son de tipo renovables y están pensadas como ayudas energéticas a
la población que las use. En el caso de los vertederos controlados el informe
contiene información sobre qué son, en qué consiste el vertedero, el proceso
llevado para la extracción de biogás y la generación de energía eléctrica, sus
ventajas y desventajas. Por otra parte sobre los Biodigestores, se encuentra
información de cómo funcionan, en qué consiste un Biodigestor, cálculos en la
generación de biogás, análisis bioquímico, materiales necesarios para la
construcción de un Biodigestor y el uso del residuo fertilizante generado en el
reactor. Pensados para un caso práctico de implementación de un Biodigestor a
un pequeño agricultor, en la zona de Chacayal, sector rural de la comuna de
Purén, Región de la Araucanía, se busca la viabilidad de utilizar biogás para el uso
de un calefón modelo JUNKERS y una cocina a gas.
Con respecto a los Equipos, sistemas o dispositivos utilizados relacionados
en la generación de biogás el informe señala dispositivos de filtración de dióxido
de carbono y ácido sulfhídrico, un generador y cocina de 2 fogones a biogás,
tuberías y accesorios, moto generadores y micro turbinas alimentados por biogás,
sistemas tratamiento de gases de escape, sistema control de combustión y
dispositivos de almacenamiento y transporte de biogás. Finalmente se expone la
situación que tiene la Unión Europea y Chile, respecto a la utilización y generación
de biogás como fuente energética y a modo de ejemplo, se plantea la situación
que vive Alemania e Italia, en relación a la generación de biogás, la cantidad de
energía que les entrega, el número de plantas de extracción y sus ventajas y
desventajas. Por otro lado en Chile, existen pocas plantas de generación de
biogás como por ejemplo la Farfana y el vertedero controlado de Lomas los
colorados. En general Chile cuenta con proyecto a futuro sobre el uso de este
combustible.
IV. NOMENCLATURA.
A Área. [m2 ].
COP Coeficiente de operación.
C pCalor específico. [ kJ
kg−K ].
Cgkg carbono en el combustible, [ kgdecarbono enel comb .kgcombustible ]
Cal Ignición completa
e Espesor. [m ].
EAB Equivalente agua de la Bomba
GCoeficiente volumétrico transferencia de calor. [ W
m3℃ ].
HEntalpía. [ kJkg ].
hvEntalpía del vapor de agua[ kJkg ].
hlEntalpía del agua líquida en c°.[ kJkg ].
H 2
Composición gravimétrica del H2 [ kgde H 2
kgdecombustible ]HR Humedad relativa. [%]
mcombustible Masa del combustible [kg ]
mFlujo másico. [ kgs ].
mgConstante productos húmedos, [ kgde producotshúmedoskgcombustible ]
PBProducción Biogás [ m ³
kgSV m ³dia ]P Presión. [kPa ].
PCS Poder calorífico superior [Kj ]
QCarga térmica. ( Kcalhora ).
QcombustibleCalor combustible biogás ( Kcalhora )
Q|.|aguaCalor absorbido por el agua ( Kcalhora )
QH 2OCalor perdido por evaporación( Kcal
kgde combustible )
Q gCalor perdido combustión ( Kcal
kgde combustible )
QdisponibleCalor perdido, combustión incompleta( Kcal
kgde combustible )
QrCalor perdido por radiación( Kcal
kgde combustible )
Qcicalor perdido por combustión incompleta( Kcal
kgde combustible )
QanualCarga anual. [ kWhaño ].
Qcalef Carga de calefacción. [W ].
tmt Tiempo en presentarse la máxima temperatura.[℃ ].
t f Tiempo fin de ensayo.[℃ ].
T g Temperatura a la cual escapan los gases de comb. [℃ ].
T a Temperatura ambiente. [℃ ].
UCoeficiente global de transferencia de calor. [ W
m2K ].
vVolumen específico. [m3
kg ].VL Volumen Líquido [m3 ].
VCaudal de aire. [m3
s ].
V infiltrado
Caudal de aire infiltrado. [m3
h ].V local Volumen del local. [m3 ].
vVelocidad. [ms ].
SVSólidos volátiles [ kg
m³dia ].
STSólidos totales[ kgm³ ].
WHumedad específica. [ kgahkgas ].
XHumedad del combustible [ kgh2o
kgdecombustible ]ρ
Densidad. [ kgm3 ].
CONTENIDOS
RESUMEN………………………………………………………………………………III
1. CAPÍTULO I: Página
BIODIGESTORES Y VERTEDEROS CONTROLADOS 1
1.1 Biodigestor 2
1.1.1 Parámetros para evaluar el funcionamiento de un
Biodigestor.2
1.2.2 Ejemplo de estimación de producción de biogás 5
1.2.3 Estimación del biogás diario producido 7
1.2.4 Estudio Bioquímico suponiendo que se degrada el
estiércol de cerdo en condiciones Ideales7
1.2.5 Ejemplo de producción de Biogás ideal a base de
estiércol de cerdos en una industria8
1.2.6 Energía cotidiana utilizada y rentabilidad del Biodigestor 10
1.2 Vertedero Controlado 12
1.2.1 Ejemplo de producción de biogás en m³/h años,
Vertedero de Lomas colorado, Chile. 13
1.2.2 Formula producción de biogás vertedero Controlado 14
1.2.3 Ventajas y desventajas en la extracción del biogás de un
vertedero, en el mundo.14
1.2.4 Proceso de extracción biogás y generación de energía
eléctrica a partir de un vertedero controlado15
2. CAPITULO II: SITUACION EN EUROPA Y EN CHILE 18
2.1 Situación en Europa 18
2.1.1- Producción total de biogás, en unidades de energía
primaria ktep, incremento años 2006-2008, electricidad
generada en GWh.
19
2.1.2 Ejemplo de países europeos productores de Biogás 20
2.1.3 Situación en Chile 22
2.1.4 Proyectos relacionados a la generación de biogás en
Chile23
2.2 Procesos tecnológicos involucrados al Biogás 24
2.2.1 Plantas de Generación de energía eléctrica o
combustible24
2.2.2 Esquema, planta de biogás, conectada a red de gas
natural por Biogaspartners, Alemania.25
2.2.3 Vertedero controlado en Paris, Francia 26
2.2.4 Equipos, sistemas o dispositivos utilizados en planta de
biogás27
3. CÁPITULO III: CASO PRÁCTICO BIODIGESTORES, VIABILIDAD
DEL USO DEL BIOGAS.34
3.1 Implementación de un Biodigestor en el sector de Chacayal,
Purén34
3.1.1Cuadro estadístico de muestra 34
3.1.2 Producción de estiércol disponible 35
3.1.3 Cálculo de producción de biogás 36
3.1.4 Cálculos termodinámicos 37
3.1.5 Cálculos de exigencia para el funcionamiento de calefón
elegido.41
3.1.6 Ecuación real del biogás 43
3.2 Medición de poder calorífico, del estiércol seco, en comparación entre el estiércol y biogás. 52
3.2.1 Equivalente en agua de la bomba 53
3.2.2 Corrección por el alambre de ignición 54
3.2.3 Cálculo Poder calorífico superior: 54
3.3 Como construir Biodigestores y su listado de materiales 55
3.3.1 Listado de Materiales para un Biodigestor de bajo costo
de 18 m³56
3.3.2 Esquema Biodigestor Propuesto 57
3.4 Utilización del fertilizante Biol 58
3.4.1 Aplicaciones del fertilizante 58
3.4.2 Uso comercial del fertilizante 58
4. Conclusión. 60
5. Bibliografía.
6. Páginas web consultadas
62
62
V. INTRODUCCION
El gas combustible biogás, ha formado parte de la historia del hombre desde
que se explotaban, las minas de cobre, carbón, oro, plata, etc. El biogás o gas
metano ha estado presente, generalmente como un gas peligroso, que podría
explotar con una chispa, muy parecido al caso de el gas grisú. En la actualidad
existen innumerables países que utilizan el Biogás compuesto por metano y
dióxido de carbono, como combustible para cocinas, automóviles, industrias,
inclusive para fuerzas militares. En consecuencia en el presente Informe de
Seminario de Título, para optar al Titulo profesional de Ingeniero de Ejecución en
Mecánica, se analizará la viabilidad del uso de biogás como gas combustible para
industrias agrícolas o ganaderas, granjas y privados. El informe consistirá en
exponer en primera instancia, las tecnologías generadoras de biogás, que para el
presente informe son el Biodigestor y vertederos controlados. Los Biodigestores
principalmente consisten en reactores que albergan condiciones de ausencia de
oxígeno, generando una reacción anaerobia, provocada por las bacterias,
encontradas en el excremento entrante, lo que lleva a la generación del biogás.
Por otro lado los vertederos controlados, son vertederos sellados con estudios de
pluviometría, para la canalización de aguas estancadas, que al sellarlos se colecta
biogás, debido a la biodegradación existente por las materias orgánicas dentro de
este. Estas dos tecnologías forman parte de las energías Renovables no
convencionales.
En esta época, después de haber cumplido un siglo, con la era de la revolución
Industrial con el uso de energías por combustibles fósiles se plantea una diferente
temática con respecto ala energía del futuro con nuevas tecnologías libre de
emisiones y el concepto de energías limpias, es el caso de los países de la unión
europea junto con otros países del mundo como China, la India, Estados unidos,
Rusia, Australia , que están considerando el uso del biogás o de las energías
alternativas como mas que simples aportes, si no mas bien como posibles fuentes
que alimenten al país en el futuro. En el informe se encuentra información, gráficos
y análisis sobre estos países, colocando como ejemplo a Alemania e Italia, que
son unos de los mas grandes productos de biogás en Europa, seguido de lo que
se esta haciendo en Chile hoy por hoy, sus proyectos, en que consisten y si este
combustible tiene un futuro en nuestro país. Además el informe señalará procesos
relacionados al biogás, en qué consisten, como funcionan, los procesos de
colección de biogás, la generación de energía eléctrica a través de este
combustible, cálculos bioquímicos y un análisis de combustión que demostrara la
viabilidad del uso de un Biodigestor, en un pequeño agricultor en la zona de
Chacayal, Purén, Región de la Araucanía. Junto con un listado de materiales, con
los costos asociados de estos, para tener una noción de cuanto costaría la
implementación de un Biodigestor y los usos de el Biol o fertilizante, obtenido en el
pozo de salida del Biodigestor.
VI. OBJETIVOS
Objetivos General:
-Analizar el biogás como fuente energética para un pequeño agricultor de la
localidad de Purén, Región de la Araucanía.
Objetivos Específicos:
-Evaluar tecnologías existentes dirigidas a la creación de Biogás
Biodigestor
Vertederos
- Reunir información del aprovechamiento del biogás en la Unión Europea y
en Chile
Procesos tecnológicos involucrados al Biogás
-Estudiar del uso de Biodigestores para pequeños agricultores
Análisis de combustión del biogás para verificar su viabilidad de su uso por
un agricultor de Purén, Región de la Araucanía.
Inventario de materiales para la construcción de un Biodigestor
Utilización del fertilizante llamado Biol
1
CAPITULO I: BIODIGESTORES Y VERTEDEROS CONTROLADOS
2
CAPITULO I: BIODIGESTORES Y VERTEDEROS CONTROLADOS
Primero que todo el informe expone dos tecnologías relacionadas con la
extracción del biogás como fuente energética, estas son los Biodigestores,
mayormente utilizados por granjas y por industrias de tipo agrícola y los vertederos
que al tener gran cantidad de materia orgánica proveniente de los desechos de
industrias ganaderas, carnicerías, salmoneras, supermercados, etc. Son grandes
productores de biogás.
1.1-Biodigestor
Un Biodigestor es un reactor hermético de polietileno, diseñado para el
proceso biodegradación de estiércol animal o humano en condiciones de ausencia
de oxigeno. Existen tres tipos de Biodigestores en el mundo, el chino, el hindú y el
tubular, siendo este ultimo, el tubular, el más conocido y más recomendado por su
bajo costo. Su funcionamiento comienza cargando una mezcla de estiércol y agua
en una razón de 1:3 por el pozo de entrada, luego se debe esperar a las bacterias
anaerobias digieran la mezcla para que secreten el biogás, el cual pasa por dos
fases llamadas Acetogénesis y Metanogénesis antes de su conformación, en
donde la Metanogénesis es la fase mas importante, debido a que esta
corresponde a la producción de metano, el que se utiliza como combustible
gaseoso para los hogares.
3
El Biodigestor es una tecnología de tipo renovable utilizada por granjas e
industrias, las que ocupan el biogás como suplemento energético para hacer
funcionar lámparas, cocinas a gas, refrigeradores, sistemas de calefacción,
motores, turbinas, etc. Además se ocupa para obtener el fertilizante o Biol
obtenido del pozo de salida del reactor una vez digerida la mezcla. Este se
aprovecha como abono para cultivos, siembras o como producto para su venta.
Los procesos, de producción de biogás y fertilizante nacen, como se aprecia en la
Fig.1, en la que se encuentra en curso la obtención de Biogás por paso.
Fig.N°1.1 Esquema Procesos obtención biogás (Fuente: Link 1)
Primer paso: Introducción de estiércol de ganado o porcino, mezclado con
agua, al pozo de entrada del reactor en una razón 1:3, como se observa en
la imagen anterior,el cerdo y la vaca son los animales con los cuales se
hara la recolección de estiércol animal.
4
Segundo paso: Espera de la reacción anaerobia, la que consiste, en que
las bacterias contenidas en el estiércol animal, en condiciones de ausencia
de oxígeno, trabajen a temperatura de 30 °C y a presión atmosférica,
digiriendo la mezcla. Bajo estas condiciones la obtención de biogás demora
25 días aproximados, desde la primera carga.
Tercer paso: Extracción del biogás, se lleva a cabo por una tubería de PVC
conectada en la parte superior del Biodigestor. La tubería esta conectada
por medio de unos flanges roscados adheridos al plástico polietileno que
compone al reactor. Luego pasa por una válvula de seguridad, que consiste
en una botella con agua, su función es retener o conservar el vapor de agua
ascendente por el tubo. Posteriormente será conservado y purificado.
Cuarto paso: Conservación del biogás, es lograda con reservorios de
plástico polietileno, fabricados con el mismo material del reactor. Son de
costo muy bajo, generalmente se les debe poner una instalación de rejado
con alambre, para que las personas no estén en contacto con ellos.
Quinto paso: Purificación del biogás con trampas de ácido sulfhídrico, la
trampa del ácido sulfhídrico se necesita para eliminar la presencia de H2S
que normalmente es 1% o menos del biogás, este provoca problemas en
los equipos que utilizan biogás, ya que este gas es de tipo corrosivo. Cada
6 meses se debe realizar mantenimiento para este dispositivo.
Sexto paso: obtención del Biol o fertilizante, extraído por el pozo de salida
del reactor, tiene una procedencia natural y no química. Se utiliza para
cultivos , aumentando la velocidad de desarrollo de sus productos. También
se encuentra la válvula de salida de seguridad que tiene la función de
eliminar los residuos sólidos existentes en el Biodigestor para que este no
se tape.
5
1.1.1.-Parámetros para evaluar el funcionamiento de un Biodigestor
En la obtención de biogás existen factores que determinarán la calidad y la
cantidad de gas, estos son: pH, DQO, ácidos grasos, Temperatura, digestión
anaerobia (bacterias).
pH (Potencial Hidrógeno): El pH es un parámetro que dice cuan ácida o
alcalina se encuentra la solución en el reactor. Este debe ser cercano a pH
7, en los casos prácticos este pH varia entre 6,5 y 7,5 dentro del reactor.
DQO (demanda química de oxígeno): La DQO, mide la porción de
materia orgánica que es biodegradable o no, en una muestra que es
susceptible a oxidación por un fuerte oxidante químico, en el caso del
Biodigestor la DQO es la cantidad de oxigeno que necesita 1 mol de
glucosa o mezcla existente en el reactor para oxidarse, que por lo general
son 6 moles de oxígeno, la DQO, tiene 2 tipos de análisis
a) DQO Soluble: Es una medición del material orgánico que logra
solubilizarse en el agua y que generalmente se encuentra en la descarga
de un reactor.
b) DQO Total: Es una medición que comprende los sólidos insolubles y
solubles además de las grasas, que tienden a consumir oxígeno durante su
descomposición.
Ácidos grasos: Los ácidos grasos son biomoleculas que se generan en la
hidrólisis del estiércol, el cual es utilizado por las bacterias para la
generación de biogás. Para ello, si el reactor tiene un grado de
concentración de ácidos grasos mayores, alterará el pH de éste. Una
manera de regular esta concentración es disminuyendo la carga diaria al
reactor de materia orgánica, esto hará que los ácidos grasos disminuyan.
6
Temperatura: La temperatura es un factor primordial en el reactor, debido
a que éste parámetro tiene una relación directa con los días de retención de
la mezcla en el reactor, para la generación de biogás. La temperatura
óptima de producción de biogás es de 30 a 35ºC, encontradas en zonas
tropicales o semis-desiertos. Por otra parte si la temperatura se encuentra
aproximadamente a 5ºC, las bacterias disminuyen su actividad y se quedan
“dormidas”; En tal situación no habrá generación de Biogás.
Proceso anaerobio: El proceso anaerobio consiste en la biodegradación
de estiércol fresco que incluye bacterias que continúan digiriendo el
excremento dentro de el reactor, produciendo metano en un 60-80%,
dióxido de carbono en 20-40% y otros gases. La degradación se produce
en ausencia de oxígeno y queda identificado como digestión anaerobia. El
proceso comienza con una hidrólisis del estiércol, generando ácidos
orgánicos como el ácido sulfhídrico mediante una des-hidrogenación y
Acetogénesis del estiércol o mezcla, para que luego, las mismas bacterias,
generen la reacción Metanogénica, digiriendo el hidrógeno y el ácido
acético para que se convierta en metano, que es el gas que permite la
combustión. Una vez terminada la digestión anaerobia, el residuo ya
digerido es el Fertilizante de excelente calidad llamado Biol, el cual consta
con propiedades naturales que ayudan al cultivo agrícola.
Fig1.2 (Fuente: Link 4)
7
1.1.4.-Estudio Bioquímico suponiendo que se degrada el estiércol de cerdo
en condiciones Ideales
El estiércol animal o excremento es también glucosa digerida por el animal, por lo
tanto ¿Qué cantidad de biogás y de energía se puede esperar de una determinada
cantidad de excremento de porcino?
La oxidación de la glucosa se expresa como:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 +6H2O
La ecuación indica que para oxidar totalmente un mol (180 g) de glucosa se
necesitan 6 moles de oxígeno, es decir, 6 x 32 = 192 g de oxígeno, para la
digestión anaerobia o descomposición La ecuación que describe el proceso para
la generación del metano a partir de la glucosa, se expresa de la manera
siguiente:
C6H12O6 = 3CH4 + 3CO2 (180 g) → 3 x 22,4 x 10³ mL de metano
Teniendo presente que 1 mol de gas ideal ocupa un volumen de 22,4 L a 0 °C de
temperatura y 1 atm de presión; y de 22,7 L si la presión es de 1 bar (0,9869 atm).
La ecuación señala que un mol (180 g) de glucosa al descomponerse totalmente
dará 3 x 22.4 x10³ mL de metano. Entonces si 180 g de glucosa necesitan 192 g
de oxigeno para que esta se oxide, a una Temperatura de 0 °C y a una presión
atmosférica de 1 atm, utilizando 1 gramo de DQO en 3 x 22,4 x 10³ mL/ 192 gr. de
oxigeno, serian 350 (mL/gramo de oxigeno) de biogás.
Si el análisis se hace a 25 °C y a 1 atm, que son las condiciones promedio en
zonas centrales de Chile o norte del país como Santiago, Quillón, Chillan, Santa
Juana, Antofagasta, Iquique, Copiapó, la Serena, exceptuando algunos meses de
invierno, donde las Temperaturas son mas bajas. Entonces en consecuencia si la
Temperatura del Biodigestor es de 25 °C, a una presión atmosférica, nos daría
8
3 x 24,4 x 10³ mL/ 192 gr. De oxigeno, serían 381,2 (mL/ gr. De oxigeno) de
biogás.
Según la ley de los gases ideales, se calcula el volumen de metano a una
temperatura y una presión, entonces, a 25 °C:
PV = n RT V = n RT/P
Por lo tanto si Consideramos 1 mol de CH4:
V = ((1 mol x (0,082 L-atm/°K-mol) x (298 °K)) / 1 atm → V = 24, 4 mL
Entonces, 1 kg de DQO son 381,2 litros de metano; pero el biogás es metano más
otros gases, en lo fundamental CO2. Considerando el biogás con 60% de metano y
40% de CO2, entonces por cada kg de DQO destruido en el digestor, se forman:
381,2 x 100 / 60 = 635,3 litros de biogás
Por cada kg de DQO destruido dentro del digestor de biogás se puede esperar
una producción de 635,3 litros de biogás.
1.1.5.-Ejemplo de producción de Biogás ideal a base de estiércol de cerdos
en una industria
La alimentación, las condiciones de cría y otros aspectos varían
considerablemente las características de las excretas y su magnitud.
Peso de la excreta más orine: 5% del peso vivo de la masa porcina.
DQO: 60 g/L.
Entonces si 1 litro de excreta es igual a 1 kg y se tiene 80 cerdos, con un peso
de 50 kg cada uno en el corral y en su conjunto pesan 4 000 kg, puede esperarse.
4 000 x 0,05 = 200 kg de excreta diario.
Por lo tanto la carga contaminante en términos de DQO y expresada en kg.
9
(200 x 60) / 1 000 = 12 kg de DQO
Es decir, la masa porcina (80 animales con un peso vivo total de 4 000 kg)
vierte al medio todos los días el equivalente a 12 kg de DQO, Entonces, la
expresión que se propone para definir la posible producción de biogás, es:
((DQO (en kg) x 635,3) / 1 000) x 0,60 = 4,57 m³ de biogás producido,
Puesto que, se esta considerando 60% de eficiencia en la fermentación anaerobia
dentro del digestor, un régimen mesófilo, unos 25 °C con digestión no controlada,
en condiciones termófilas éste puede variar y llegar incluso a 85% o más. Si
evaluáramos la posible producción de biogás de la masa porcina, estaría en el
orden de:
((12 x 635,3) / 1 000) x 0,60 = 4,57 m³ de biogás/día.
Energía alcanzada por el proceso anaerobio
¿Cuánta energía eléctrica o térmica se podría alcanzar gracias a este proceso
Bioquímico, si Consideremos la combustión del metano?
Se esta considerando un biogás de 60% de metano y 40% de CO2:
Según la pág. 41 el calor entregado por el biogás con un 60% de metano es de
4824,16 kcal/m³.
Como 1 kWh = 860 kCal
4824,16 / 860 = 5,609 kWh/ m³.
Entonces, 1 m³ de biogás (60% de CH4 y 40% de CO2) tiene una energía de
5,609 kWh. La eficiencia de transformación de energía se ve afectada al
convertirla. Según la empresa Agromec, la conversión de energía eléctrica tiene
30% de eficiencia, para la térmica un 50% y para casos prácticos con tecnología
10
de no alto rendimiento la eficiencia de conversión en energía eléctrica es 8.2% y
térmica es 10-12% entonces:
En conclusión, si la masa porcina son 4 000 kg de peso vivo:
Biogás a producir = 4,57 m³/día.
Energía esperada alto rendimiento:
Eléctrica = 4,57 x 1,68 = 7,69 kWh/día ; Térmica = 4,57 x 2,80 = 12,81 kWh/día
Eléctrica = 4,57 x 1,68x30 = 230.7 kWh/día
Eliminación de DQO = 4,57 / 0,6353 = 7,19 kg/día.
1.1.7.-Energía cotidiana utilizada y rentabilidad del Biodigestor
De forma estimativa ¿cuánta energía utiliza una casa bien equipada?
Tabla de consumo aparatos eléctricos
Tabla N°1.2
Cuatro focos eléctrico 60w x 4 x 6h/día= 1440wh/día
Dos televisores 65w x 2 x 6h/día= 780wh/día
Un video75w x 6h/día= 450wh/día
Un aire acondicionado 1300w x 6h/día=7800wh/día
Micro ondas 1000w x 1h/día= 1000wh/día
Una plancha para la ropa 1000w x 1h/día=1000wh/día
Un refrigerador 400w x 24h/día= 9600wh/día
Total :22070wh/día x 30 día/mes= 662100 wh/mes x 1kW/1000 w= 662 kWh/mes
11
La tabla N°2 indica que 662 kWh/mes gastaría una casa, en energía
eléctrica al mes, en la vida cotidiana. Un Biodigestor de 7.8 m³ de volumen tiene
un costo de $230 US (dólares norteamericanos), que en costo Chileno es
$120.000 CL (pesos Chilenos) según tabla N°15 aproximadamente. Si la
eficiencia de conversión eléctrica es de un 30% la energía eléctrica entregada por
el ejemplo de una granja con pocos animales explicados anteriormente, indica que
la energía eléctrica entregada en un mes es de 722 kWh, la cual satisface
demanda de energía mensual, si es un generador común de bajo rendimiento solo
cubriría 1/3 partes de la energía de la casa bien equipada con 230.7 kWh/mes.
(Fuente: Link 2)
12
1.2.-Vertedero Controlado
Un vertedero controlado es un vertedero que posee sellado,
impermeabilización y pozos de extracción de biogás. Para la generación de
Biogás el vertedero debe poseer materia orgánica que, al degradarse, produce el
biogás, por medio de las bacterias anaerobias (en ausencia de oxígeno), por lo
tanto ¿cuánta materia orgánica y materia industrializada tiene el vertedero? En los
países mas desarrollados, como los europeos tienen un margen de 40% a 60%
de desechos industriales del total de RSU aproximadamente, esto debe a que sus
desechos son en su mayoría son: polímeros, metales, químicos, herramientas,
botellas, máquinas, etc. En países latinoamericanos la cantidad de RSU, es
bastante alta, existe un promedio de RSU orgánicos en un 50% hasta un 75%, lo
que indica, viabilidad en la extracción de biogás.
Un vertedero controlado tiene por finalidad colectar los gases que emanan
de la basura, aprovechándolos de manera energética, además de evitar la
contaminación que provocan. En caso de que no se puedan utilizar, estos deberán
ser quemados por una chimenea de seguridad. El siguiente esquema se muestra
cada una de estas fases según la composición del gas en % de volumen:
Fig. N°1.3 (Fuente: Link 5)
Fase I: Fase inicial, aerobia Fase II: Fase de transición Fase III: Fase ácido
Fase IV: Fase Metanogénica Fase V: Fase la maduración
13
En la Fig. 1.3, la fase IV en la etapa metanogénica existe un aumento
progresivo hasta un tope máximo de biogás, esta es la fase de mayor utilización
del vertedero, en esta fase es donde los residuos de materia orgánica son de gran
relevancia, dado su gran importancia en la creación de biogás.
1.2.1.-Ejemplo de producción de biogás en m³/h años, Vertedero de Lomas
Los Colorados, Chile.
El vertedero controlado construido por la empresa KDM Energía S.A ubicado en
Panamericana Norte kilómetro 62,5, comuna de Til Til., es un vertedero que se
inicio con una primera estación de extracción en noviembre del 2009 y una
segunda estación puesta en marcha el 14 de julio de 2011. El vertedero tiene un
72% de Biomasa biodegradable que al transformarse a biogás tiene con una
composición de Metano (CH4) con 48,5 %, Dióxido de Carbono (CO2) con 40,2%,
Oxígeno (O2) con 2,3 %, Nitrógeno (N2) con 9 % y es trasladado por una matriz de
transporte del biogás con capacidad de 35.000 m³/hora, mediante 8 trenes con 26
vagones cada uno a diario.
La extracción de biogás es de 8.000 m³/hora de biogás y el traspaso de biogás a
energía eléctrica, es de 15,5 MWhelec/h, con una eficiencia de conversión de un
40% y en energía térmica, es de 16,7 MWhterm/h, con una eficiencia de conversión
de un 43%. La energía que alcanza por el vertedero al año es 75 GWh/año con
una potencia 15 (MW) y factor de servicio de un 57% anual.
Los Moto-Generadores que logran la alta eficiencia de conversión son, el moto-
generador WAUKESHA APG1000, con una potencia nominal de 1000 kWe y el
moto-generador GE JENBACHER J420 GS, con una potencia nominal de
Potencia Nominal de 1413 kWe. Estos equipos necesitan mantención, según la
cantidad de horas en funcionamiento. La mantención consiste en cambios de
Aceite/Filtros cada 2.000 horas, Regulación de Válvulas cada 4.000 horas, Minor
Overhaul cada 30.000 horas, Major Overhaul cada 60.000 horas
14
1.2.2.-Formula producción de biogás vertedero Controlado
Qt=L0×∑i=1
n
M i×e−k ti
• Qt = Tasa de producción anual (m³/año)
• k = constante de degradación; K = 0.35 para 20 °C; K = 1.2 para 35 °C
• L0 = Potencial de generación de gas (m³/ton)
• Mi = Masa dispuesta en el año i (ton)
• ti = edad de la sub-masa i (años)
(Fuente: Link 5)
1.2.3.-Ventajas y desventajas en la extracción del biogás de un vertedero, en
el mundo.
El biogás tiene principalmente 2 formas de utilización más conocidas, una
es la transformación del biogás a energía eléctrica a través de moto generadores y
micro turbinas y la otra alternativa es ocuparlo de forma térmica, con equipos
diseñados para su uso. Generalmente el biogás se envía a gasómetros para su
acumulación o esta conectado a la red de gas natural, para luego ocuparlo como
combustible en calderas de biogás, autos o cocinas.
Tabla N°1.3 Ventajas y desventajas Vertederos
Ventajas de los vertederos RSU Desventajas en los vertederos RSU
La basura o RSU nunca dejaran de desecharse por lo tanto es una materia prima que esta permanente.
El costo de instalación es alto con respecto a las utilidades entregadas por la extracción de biogás
Los RSU industriales pueden ser reciclados unas ves extraído todo el biogás.
El costo operacional es alto, respecto a utilidad generada por la extracción del biogás.
El impacto medio ambiental generado por el vertedero controlado es positivo para la comunidad.
La transmisión de energía eléctrica a la red interconectada es costosa
15
Las desventajas de la tabla N° 1.3 indican que la extracción requiere
bastante dinero, siendo la maquinaria y los materiales demasiado costosos
respecto a la cantidad de biogás a extraer y la baja utilidad que es este generaría.
Por lo tanto no es rentable respecto otras inversiones de energías convencionales,
se estima que después de un plazo de 5 años, la inversión se recuperaría.
1.2.4.-Proceso de extracción biogás y generación de energía eléctrica a
partir de un vertedero controlado
La extracción de biogás se lleva a cabo a través de obras sucesivas para la
captación de este gas renovable las que son: Los posos de captación; El colector
principal; Central de aspiración; Antorcha de seguridad; Moto generadores,
Subestación y líneas; Finalmente una Balsa de lixiviados. En el esquema siguiente
se muestra el proceso de colección de biogás y su transmisión.
Fig.1.4 (Fuente: Link 5) Proceso de colección y distribución de biogás
1. Posos de captación: son una serie de pozos verticales, con una cantidad
de 200 a 300 según cuantas hectáreas cubra el vertedero. Los pozos
verticales están formados por tubos de PVC o HDPE tipo teja de 315 mm
taladrados aproximadamente en la mitad de su longitud para permitir la
16
entrada del gas. simultáneamente a 2 pozos. Luego son conectados a las
tuberías que conducen el biogás a los diversos puntos de regulación y
consumo.
2. Colector de Biogás: Línea de conducción de biogás formada por una
tubería de polietileno de alta densidad de 90 mm de diámetro.
3. Central de aspiración: la central de aspiración es la que mantiene
constante el porcentaje de metano en el biogás y oxigeno, el biogás una
vez controlado se envía a los diferentes puntos de consumo.
4. Antorcha de seguridad: Las antorchas de seguridad están,
principalmente, para evitar que exista una explosión y para evitar la
contaminación que provoca el metano liberado, que es 21 veces mas
contaminante que el dióxido de carbono, por lo tanto la antorcha evita que
este gas se escape, transformándolo en dióxido de carbono.
5. Moto generadores: Los motores generadores son los encargados de
transformar el biogás en energía eléctrica, en donde se pierde un 10% de
potencia por el uso del biogás.
6. Subestación y línea: Transmite la energía mediante torres de energía y
líneas eléctricas
7. Tratamiento lixiviado: Los lixiviados producidos en los vertederos se
recogen y almacenan en balsas o piscinas hasta su tratamiento final.
CAPITULO II:
17
SITUACION EN EUROPA Y EN
CHILE
CAPITULO II: SITUACION EN EUROPA Y EN CHILE
18
La situación que viven países de la unión europea, con respecto a la producción
de biogás va en ascenso al transcurrir los años. La actividad industrial del biogás
desde el año 2006 en adelante ha aumentado en la gran mayoría de los países de
la unión europea, sobre todo en Alemania en donde su crecimiento ha sido del
120,7 % hasta el año 2008. Suiza y en otros países utilizan el Biogás como
combustible para autos y cocina, siendo Suiza el país que más utiliza este
combustible para la industria automovilística
2.1.-Situación en Europa
La situación actual en Europa sobre el uso de biogás crece a cada año,
muchos países o la mayoría de ellos tiene extracción de biogás, las fuentes de
generadoras de biogás en Europa son Vertedero, depuradoras residuos
municipales, residuos industriales/comerciales, residuos agrícolas, residuos
ganaderos. Para el año 2007 se estimo que se produjeron en Europa 5,9 millones
de tep, tep es la unidad de energía que produciría una tonelada de petróleo al
quemarse procedentes del biogás. Estudios posteriores de “Eurobserv’er”
muestran que el año 2009 se obtuvo un valor superior, de 7,5 millones de tep.
Siendo la energía producida en plantas descentralizadas de tratamiento de
residuos agropecuarios, de residuos municipales y centralizadas de codigestión la
que presentó un aumento más significativo en el periodo 2006-2008 (Fuentes:
Barometer on the estate of renewable energies in Europe, 2009).
2.1.1.-Producción total de biogás, en unidades de energía primaria ktep,
incremento años 2006-2008, electricidad generada en GWh utilizando biogás.
19
Tabla N°2.1 Producción anual de energía en ktep obtenida del biogás
Países Energía(Ktep) 2006
Energía(Ktep) 2008
Centrales eléctricas (GWh )2008
Centrales cogeneración(GWh) 2008
Electricidad total(GWh) 2008
Alemania 1.665,3 3.659,1 1.142,0 8.317,8 3.675,8
Reino Unido 1.498,5 1.584,4 474,7 5.322,7 1.637,1
Francia 298,1 418,9 308,7 1.599,5 452
Italia 383,2 387,9 42,6 968,7 410
Austria 118,1 216,9 650,0 732,7 232,4
Países Bajos 141,1 176,5 88,1 682,5 225,7
España 319,7 192,4 44,0 584,5 203,2
Polonia 62,4 64,7 163,0 337,2 131,7
Suecia 27,1 96,5 203,7 266,9 103
Dinamarca 92,9 93,5 246,9 248,1 93,8
República Checa
63,4 76,2 0,0 246,6 90
Bélgica 77,6 79,5 20,4 191,4 87,6
Finlandia 36,5 41,7 16,8 127,3 45
Europa 4.898,9 7.542,1 16.310,2 3.654,7 19.964,7(Fuente: Link 6)
Ktep: Miles de toneladas de petróleo remplazadas
GWh: Es la cantidad de en energía en Giga Watt, que se genera utilizando biogás
2.1.2.-Ejemplo de países europeos productores de Biogás
Alemania
20
Situación de Alemania
El potencial de biogás de Alemania estimado en 2006 asciende a unos 50
millones de MWh/año de potencia eléctrica (4.300 ktep/año o 180 PJ/año) sin
tener en cuenta los cultivos energéticos, es decir, contando con los residuos
agrícolas y ganaderos, los industriales o comerciales y los municipales.
Si se considera los cultivos energéticos en 2010, la cifra asciende a 90 millones de
MWh/año (7.740 ktep/año o 324 PJ/año), hasta 165 millones de MWh/año (14.190
ktep/año o 594 PJ/año) en 2030.
El estudio tomó como referencia que 1 millón de MWh/año (86 ktep/año) equivalen
a 1.000.000 toneladas/año de silo maíz en 20.000 hectáreas cultivadas.
Potencial de alemania en 109 kWh/año utilizable de biogás en Alemania
en 2006, por lo tanto son 417 PJ/a
Energía Generada
La energía generada en Alemania por Cultivos energéticos en su mayoría,
Vertederos, Depuradoras, Residuos municipales, Residuos
industriales/comerciales, Materiales conservación paisaje, Residuos agrícolas,
Residuos ganaderos. Generan una cantidad de energía de 417 PJ al año lo que
significa en igual medida a 13.218,9 MW/año de potencia al año.
1 PJ = 31,7 MW/ año ; 417PJ= 13.218,9 MW/año
Materias primas utilizadas
Según datos aportados por la Asociación Alemana de Biogás, en la
distribución de las materias primas actualmente empleadas para la producción de
biogás predominan los residuos agrícolas y ganaderos (51%), seguido de los
cultivos energéticos (33%), residuos municipales (11%) e industriales (5%).
ITALIA
Situación en Italia
21
A finales de 2008 se encontraban en operación un total de 115 plantas de
biogás agroindustrial. Este número representa un incremento en 43 unidades con
respecto a 1999 y 78 unidades si se consideran las plantas en fase de
construcción. A finales de 2008, un total de 22 plantas estaban en fase de
construcción y 17 se encontraban en trámites de autorización. En la mayoría de
los casos, las plantas se ubican en las regiones del norte de Italia.
Materias primas
Desde la década de los 90 el incremento de plantas que han aprovechado los
beneficios de la co-digestión se ha incrementado, no obstante, el número de
plantas que utilizan únicamente purín de porcino o de vacuno como sustrato es
elevado y representa más de la mitad de las plantas de biogás agroindustrial
instaladas en Italia, las plantas según tipo de sustrato son: Sólo purín de cerdo 44
plantas, Sólo purín de vacuno 38 plantas, Co-digestión de purín de cerdo y de
vacuno 5 plantas, Purín de cerdo y/o de vacuno y/o gallinaza co-digerido con
residuos orgánicos y cultivos energéticos 35 plantas, Purín de cerdo y/o de vacuno
y/o gallinaza co-digerido con cultivos energéticos 20 plantas, Cultivos energéticos
co-digeridos con residuos orgánicos 9 plantas.
Barreras encontradas para la aplicación de la tecnología
Económicas:
El Costo de inversión para la construcción de plantas de biogás es
excesivamente elevado y el tiempo de retorno de la inversión es más de 5
años. Además, existe reticencia respecto a la concesión de préstamos por
parte de las entidades financieras.
Técnicas
22
Inexistencia de un procedimiento estandarizado para el diseño de sistemas
y predicción de la cantidad de biogás producido. Dificultad para la
evaluación del tamaño de la planta, componentes y tecnología que va a ser
implementada.
Dificultad para la recogida local de materias primas aprovechables para la
producción de biogás. Concienciación escasa en el ámbito ganadero y
agroalimentario.
Localización de las empresas de ingeniería y de consultoría en el norte de
Italia, lo que dificulta la implantación de la tecnología en otras regiones
italianas.
Carencia de información en cuanto al posible aprovechamiento del
digestato como fertilizante.
Sociales:
Información escasa y con poca calidad, respecto a aspectos técnicos y
económicos (costes de inversión, tiempo de retorno, etc.), por parte de los
sectores implicados. Especialmente escasa difusión de la tecnología entre
los ganaderos.
2.1.3.-Situación en Chile
Chile es un país que esta comenzando, a considerar este combustible como
aporte energético a la red eléctrica o sistema interconectado, ya existen
innumerables proyectos relacionados a la generación de este gas combustible, en
colegios, pueblos y hasta ciudades. Pero su principal desventaja es que no es lo
suficiente energético como para proveer una solución a nivel País, para que sea
considerado. En Chile ya se esta hablando sobre revolución energética de tipo
Renovable no convencional, como lo indica una meta parlamentaria que es que en
Chile 2020 tenga un 20% de su energía total proveniente de energías alternativas
libres de emisiones contaminantes. (Fuente: http://cer.gob.cl/)
2.1.4.-Proyectos relacionados a la generación de Biogás en Chile
23
Káiser Energías: Es una empresa especializada en desarrollo de
proyectos de ingeniería en la construcción de plantas productoras de biogás
por medio de purines, haciendo uso de la tecnología de Biodigestores. Esta
empresa esta denominada con el nombre de “Proyectos de Biogás a
Pequeña y Mediana Escala a través de purines”, desarrollada por Dr. Felipe
Kaiser, Director Ejecutivo de Káiser Energía.
Producción de Biogás La Farfana: Proyecto de Producción de Biogás, de
la Planta de tratamiento de aguas La Farfana, de Aguas Andinas. La planta
productora de biogás, tiene una producción de 25 MM m³ de biogás al año,
en la cual un 24% de biogás es para autoconsumo en calderas, el 76%
restante, con una disponibilidad 19 MM m³ de biogás y una composición de
Metano en 65%, Dióxido de carbono en 34%, Nitrógeno en 2%, esta planta
provee principalmente a Metro Gas, la cual conecta el biogás purificado a la
red de gas natural. La planta cuenta con certificación del protocolo kyoto
Producción de Biogás del Vertedero Lomas Los Colorados: Empresa
de Generación eléctrica a través de Biogás, generado en el Vertedero
controlado Lomas Los Colorados, por la empresa KDM energías S,A.
Su ubicación Loma Los Colorados, Comuna de Til-Til, Región
Metropolitana, Recibe y compacta más 6.000 ton/día de residuos, con un
72% de masa biodegradable, lo que produce 8000 m³/hora de biogás y en
términos de energía estos representan 38,8 MWh/h si se transformaran en
un 100% en energía. La empresa cuenta con equipos de alto rendimiento
de conversión de biogás a energía térmica y eléctrica con una Eficiencia
Eléctrica de 40% y Eficiencia Térmica de 43%, produciendo en Energía
Eléctrica con un 40% es de 15,5 MWhelec/h y en Energía Térmica con un
43% de eficiencia es 16,7 Mwhterm/h. Esta compañía tiene una vida útil de
30 años y es un ejemplo de la viabilidad del uso de este combustible al
largo plazo proveyendo a Chile de energía.
24
2.2.-Procesos tecnológicos involucrados al Biogás
Plantas generadoras de electricidad o de combustible, mediante la
extracción de biogás, por vertederos o Biodigestores.
2.2.1.-Plantas de Generación de energía eléctrica
La Fig. N° 5 muestra la obtención de biogás de un vertedero controlado
para la generación de energía eléctrica a través de moto generadores, para luego
distribuirla a una torre de poder conectada a la red eléctrica. Se utilizan de igual
manera micro turbinas de pequeña potencia con 30kW cada una, estas pequeñas
turbinas, utilizan el biogás como combustible. Teniendo resultados, excelentes en
baja de emisiones NOx y mas aun poseen menor cantidad de partes móviles que
los moto generadores, mas bajo costo de mantenimiento, aunque dentro de sus
desventajas son, una bajo de rendimiento en 25%-35% y ser tecnología mas
costosa, al ser mas pequeña.
Fig.2.1 (Fuente: Link 5) Esquema generación de energía eléctrica por
medio de un vertedero controlado
Inyección de biogás a la red de gas natural
25
Fig.2.2 (Fuente: Link 5)
Esta red permite el transporte del biogás, depurado del H2S y NH3, al igual
que el gas natural, en donde el flujo y la presión del biogás son similares a la
distribución de la red de gas natural.
Un ejemplo de ello es Suecia, con 35 estaciones de servicio que distribuye biogás,
a 7000 vehículos que lo utilizan, contempla una substitución de 14 millones de
litros de gasolina. Por otra parte la situación en Europa en el 2006, países de
como, Francia, España, Alemania, Inglaterra, etc. Se tenía una tarifa eléctrica
media de 76,588 €/MWh, esto equivale a $48.590 el MWh en pesos Chilenos, en
cambio, en Chile, para el 2006 el costo de el MWh era aproximadamente $50.840
pesos Chilenos, sin el uso de biogás.
2.2.2 Esquema, planta de biogás, conectada a red de gas natural por
Biogaspartner, Alemania.
Fig.2.3 (Fuente: Link 7) Esquema usos y aplicaciones del biogás
La Figura N° 2.3 muestra a un Biodigestor o reactor anaerobio que digiere los
residuos de los cultivos, obteniendo biogás, el que va conectado a la red de gas
natura. En consecuencia provee suministro de energía a casas, automóviles,
industrias, etc. Esta planta es utilizada en Alemania por la empresa
26
Biogaspartner, la cual es una de las grandes industrias extractoras de biogás en
ese país.
2.2.3 Vertedero controlado en parís, Francia.
En el vertedero de Bouqueval (Plessis-Gassot) ubicado en parís, Francia,
tiene una producción total de biogás de 13.000 m³/hora, de los que se
Valorizan 10.000 m3 para producir 10 MW/hora de electricidad, es decir, el
consumo medio de una ciudad de 30.000 habitantes.
Tras su captación y control, los 10.000 m³ de biogás que se producen en el
vertedero controlado de Bouqueval se queman en tres calderas, los quemadores
de estas calderas se adaptan automáticamente a la cantidad y a la calidad del
biogás entrante, es decir, a su contenido en metano, cada una de las calderas
suministra 30 toneladas de vapor a 380° C, a una presión de 40 bars, este vapor
pone en marcha la turbina que gira a 7.500 rpm, conectada a su vez a un
alternador que, produce cerca de 20.000 voltios de electricidad.
Fig. 2.4 (Fuente: Link 7) Generación energía eléctrica planta vertedero
controlado bouqueval
2.2.4 Equipos, sistemas o dispositivos utilizados en plantas de biogás.
Los sistemas y dispositivos que se utilizan para la generación de energía a través
del biogás, son diversos, ya que estos dependerán de en que se estén ocupando,
27
por la misma razón que el diseño y el rendimientos de los equipos dependerá
según la situación y lugar, si es en una industria o una granja.
Moto generadores industriales alimentados por biogás
Funcionan con biogás pero se pierde un 10% de potencia en el motor por el
uso de este, lo que conlleva el mismo nivel de pérdidas en la generación de
Electricidad. Para que los motores generen electricidad de forma segura,
necesitan, Sistema de encendido electrónico, Sistema de tratamiento de gases de
escape, Control de combustión, Mezclador de Aire-Biogás
Fig. 2.5 Fig.2.6Generador con motor Diesel adaptado Generador con motor para Biogás
(Fuente: Link 5) Motores adaptados para combustible biogás para la generación
de energía eléctrica
Sistemas de tratamiento de gases de escape:
Consiste en un intercambio térmico regenerativo, el gas de escape fluye a
500°C, desde el motor a través de la unidad conmutadora hasta el primer
depurador, donde se calienta hasta 800 °C en la cámara de reacción, el gas de
escape reacciona con el oxígeno que contiene, oxidando el monóxido de carbono
y el hidrocarburo para producir dióxido de carbono y agua, luego el gas de escape
vuelve a emitir calor a medida que atraviesa la segunda depuradora y llega a la
28
unidad conmutadora que lo dirige al conducto de escape de humo, esto disminuye
la emisión de monóxido de carbono.
Fig.2.8 (Fuente: Link 8) Tratamiento de gases de la combustión
Sistema de control de combustión:
Controla las emisiones de gases de escape y mantiene un funcionamiento
del motor estable. Corrige los parámetros del motor para garantizar que éste
cumpla los requisitos de emisión de NOx de forma permanente, compensando en
el caso de desviaciones de las características del gas.
Fig.2.9 (Fuente: Link 8) Control de la combustión
Mezclador de Aire-Biogás:
En el caudal másico del gas, la proporción aire-gas permanece constante
Con la temperatura de la cámara de combustión, el sistema de control regula la
29
emisión de gases del motor ajustando la proporción aire-gas
correspondientemente.
Fig.2.10 (Fuente: Link 8) Mezclador Aire-biogás
Dispositivos de almacenamiento y transporte de biogás
El almacenamiento de biogás proveniente de una planta, debe ser almacenado
idealmente con el mejor rendimiento posible, ya que este almacenamiento es
fundamental para la venta o trasporte de biogás a las personas, equipos,
ciudades, etc. Para tal tarea se utilizan sopladores o Blowers, en principio son
similares a las bombas hidráulicas, estos por acción centrifuga o de
desplazamiento positivo aumentan la presión del biogás en el sistema y así poder
enviarlo a mayores distancia, estos generalmente son ubicados al final del lugar
de tratamiento de residuos y seguridad, logrando enviar el gas tratado y filtrado
hacia a su lugar de uso.
Generalmente el almacenamiento de biogás es a través de gasómetros o
reservorios, de los cuales podemos nombrar los de tipo campana, flotantes, de
membranas, etc. Estos pueden ser implementados según el tipo de planta y su
aplicación.
Tuberías y accesorios
30
En el transporte de biogás se utilizan tuberías de gas de PVC o de cobre, de igual
manera de las que se ocupan para el gas natural o licuado. La instalación de
accesorios en la red de tuberías, ya sean válvulas, codos, bifurcaciones,
reducciones, acoples, etc. Se recomienda que estos sean del mismo material de
las tuberías, si es PVC, todos sus accesorios deben ser también del mismo
material, para evitar el desgaste que podría ocasionar el contacto entre materiales
plásticos y metálicos. Y para que exista una mejor adherencia entre ellos.
Fig.2.11 (Fuente: Link 8 ) Tubería PVC
Dispositivo Trampa del ácido sulfhídrico (H2S)
La trampa del acido sulfhídrico se necesita para eliminar la presencia de H2S que
normalmente es 1% o menos del biogás y puede provocar problemas en los
equipos donde se esté utilizando biogás, ya que este gas es de tipo corrosivo.
Utilizando la trampa sugerida (que sustituye filtros a base de óxido de hierro), es
posible eliminar el azufre.}
Fig.2.12 (Fuente: Link 5) Trampa acido sulfhídrico con viruta de hierro.
Filtro para la eliminación del Dióxido de Carbono (CO2)
31
El filtro de Dióxido de carbono se utilizan para la eliminación de CO2 existente
en el biogás, de forma tal que para cantidades menores de biogás, como los
Biodigestores de tipo familiar se ocupan filtros con una presión de 1cm de columna
de agua y para concentraciones mayores de biogás como vertederos o digestores
más grandes se ocupan filtros con una presión como mínimo de 4 cm de columna
de agua. Esta eliminación se lleva a cabo debido a una solución alcalina de agua
más cal, en el dispositivo.
Fig.2.13 (Fuente: Link 9) Trampa Dióxido de carbono solución alcalina
Generadores domésticos
Los generadores son los encargados de transformar la energía mecánica
producida por el combustible, en energía eléctrica, un ejemplo de esto, es el
generador eléctrico a base de biogás o LPG marca PUXIN con una relación de
consumo de biogás de 0.55 a 0.65 m3 / kWh, potencia nominal de 1200 W,
potencia máxima de 1300 W, salida DC / AC 12V a 8.3 A, generador monofásico
con motor de brocha, tiempo de trabajo continuo no más de 6 horas.
Fig.2.14 (Fuente: Link9 ) Moto generador domestico para biogás
Cocina domestica de dos quemadores a base de biogás
32
Las cocinas con dos quemadores son las mas utilizadas, como por ejemplo: La
Cocina Marca Shenzhen Puxin Science & Technology Co., Ltd. con una carga
calorífica de 2.8 KW, una taza de consumo de biogás de 0.45 m³/h para cada
quemador, una eficiencia del 57% y una presión de entrada del biogás de 1,6 KPa.
Fig.2.15 (Fuente: Link 9) Cocina dos quemadores
33
CAPITULO III: CASO PRÁCTICO BIODIGESTORES, VIABILIDAD DEL USO DEL BIOGAS.
34
CAPITULO III: CASO PRÁCTICO BIODIGESTORES, VIABILIDAD USO BIOGAS.
3.1 Caso práctico Biodigestor
Análisis de un caso práctico, para la implementación de un Biodigestor de
tipo familiar, bajo en costo, en la localidad de Purén, región de la Araucanía.
3.1.1Cuadro estadístico de muestra:
Un análisis técnico de un Biodigestor de uso doméstico en un sector rural.
Se elaboró dentro de un cuadro estadístico, del cual se obtuvo un promedio de la
cantidad de animales que tiene un pequeño agricultor. La muestra fue realizada en
el sector chacayal, sector rural de la comuna de Purén. Los animales menores no
se consideraron debido a la poca producción de estiércol.
Tabla N°5 Cuadro estadístico.
Agricultor Vacunos ( sobre 400 Kg) Cerdo (sobre 100 Kg)
1 24 1
2 13 0
3 27 2
4 14 1
Total (4 agricultores) 78 4
Promedio 19,5 1
Aproximación 20 1
La muestra fue realizada 9 de abril del 2012, la cual dio como resultado un
promedio de 20 vacunos sobre 400 Kg. y 1 cerdo sobre 100Kg. Por cada
agricultor.
Según estudio de www.bae.nesu.edu y seminario de la Universidad de
Chile, la cantidad de estiércol que generan es la siguiente.
35
Tabla N°6 Estiércol producido.
Vacuno sobre 400 Kg
Cantidad de estiércol.
(m3/día)
Cerdo sobre 100 Kg Cantidad
de estiércol.
(m3/día)
Estudio 1 0,05 0,0045
Estudio 2 0,0473 0,0051
Promedio 0,048 0,0048
Con el promedio de estos dos estudios se trabajó para obtener la cantidad
de estiércol disponible para la producción de biogás. Además la producción del
biogás es causada por descomposición anaeróbica del estiércol, es decir, para
ocurra la descomposición se debe realizar con una mezcla de agua la cual es
1(estiércol):2(agua) y en un proceso libre de oxígeno.
3.1.2 Producción de estiércol disponible
Tabla N°7 Estiércol obtenido
Tipo de animal Cantidad de
animal
Producción de
estiércol (m3/día)
Por animal.
Resultado
(m3/día)
Vacuno (sobre 400
Kg)
20 0,048 0,96
Cerdo (sobre 100
Kg)
1 0,0048 0,0048
TOTAL 0,96
Con este resultado la mezcla de estiércol y agua sería de 1:2. Por lo tanto el
volumen total de la mezcla es de 2,89 (m3/día).
36
3.1.3 Cálculo de producción de biogás
Según una investigación realizada en los E.E.U.U sobre la producción de biogás
en animales
(Fuente: Link 11).
Tabla N°8 Producción de biogás
Tipo de animal Producción de biogás
(m³/día) por animal.
Cantidad de
animales
Total de biogás
producido
(m³/día)
Vacuno (sobre 400
Kg)
1,33 20 26,6
Cerdo (sobre 100
Kg)
0,11 1 0,11
Total de biogás
disponible
26,71
La energía obtenida de forma teórica, producto de la cantidad de animales y
su producción de estiércol diario, Entregan una producción de 26,72 (m3/día).
37
3.2. Cálculos termodinámicos
Si se plantea la ecuación estequiometrica ideal del biogás. Tomando en
cuenta una composición de un 60% de Metano y 40% de Dióxido de carbono en
base seca. Esta sería de la forma:
0,6CH 4+0,4C02+a (O2+3,76N2 )↔xCO2+ y N2+b H 2O
C→0,6+O ,4=x=1
H→2,4=2b=b=1,2
O2→0.8+2a=2 x+b=a=1,2
N2→3,76a= y=4,512
La ecuación ideal queda planteada de la siguiente forma:
0,6CH 4+0,4CO2+1,2O2+4,512N2↔CO2+4,512N 2+1,2H 2O
Análisis de los productos de la combustión:
Tabla N°9 Resultado de los productos de la combustión
Componentes Kmol %volumen
Dióxido de carbono 1 14,898
Nitrógeno 4,512 67,22
Agua 1,2 17,87
Total 6,712 100
Cálculo de masa por kg de combustible:
mg=(kg de productoshúmedos)/(kgde combustible)
38
Tabla N°10 Pesos moleculares.
Componentes Pesos moleculares (kg/kmol)
Metano 16
Dióxido de carbono 44
Oxígeno 32
Nitrógeno 28
Agua 18
mg=CO2+4,512×N2+1,2×H 2O
0,6×CH 4+0,4×CO2
=1×44+4,512×28+1,2×180,6×16+0,4×44
=191,9327,2
=7,05 kg de productos húmedoskg combustible
Cantidad de kg de carbono presente en el combustible:
Cb= 0,6×12+0,4×120,6×16+0,4×44
=(12 )
(27,2)=0,44 kgdecarbono enel combustible
kgde combustible
Calor perdido por gases calientes de la combustión:
Parámetros:
Tg= Temperatura a la cual escapan los gases de la combustión en el caso
del biogás el rango de esta temperatura es entre (150-200), en un procesos
de una combustión. En este caso se estima una temperatura alrededor de
150 grados Celsius, Con el fin de optimizar la pérdida de energía.
Ta= Temperatura ambiente rango (25-30) grados Celsius en el sur de Chile
en época de verano.
Cp= Calor específico del biogás a presión constante, se asume un valor
alrededor de = 0,313 (Kcal/kgC).Correspondiente al 60% del calor
específico del gas metano.
Qg=mg×Cpg× (Tg−Ta )=7,05 kgde productos húmedokg decombustible
×0,313kcalkg c°
× (150−25 )C=276,06 kcalkgde combustible
Calor perdido por combustión incompleta.
39
Qci=4824,16×CO×CbCO2+CO
=0
El análisis de esta combustión es ideal, por lo tanto, no se produce monóxido
de carbono lo que lleva a que el calor perdido por combustión incompleta sea
cero.
Calor perdido por evaporación de agua formada por la combustión del
hidrogeno y humedad del combustible:
Parámetros:
X= Humedad del combustible.
H = Composición gravimétrica del H
Hv= Entalpía del vapor de agua.
Hl= Entalpía del agua líquida en C.
X=1,2H 2O
27,2=1,2×18
27,2=0,79
kgh2o
kgde combustible
H=0,6H 4
27,2=0,6×427,2
=0,08kg de H 2
kgdecombustible
Hv=597,2+045Tg=597,2+0,45×400=777,2
Hl=25
QH 20=(X+9H )× (Hv−Hl )=(0,79+9×0,08 )× (777,2−25 )=1194,34 kcal
kgde combustible
Calor perdido por radiación, convección y conducción:
La pérdida en estos casos fluctúa entre 1%-10%. Para este proceso se
determinará un rango de 5% debido a que, a menor requerimiento es mayor el
porcentaje de pérdida de energía.
40
Qr=QBiogas×0,05=4824,16kcal
kg decombustible×0,05=241,20 kcal
kgde combustible
Calor disponible de forma ideal:
El calor disponible del biogás corresponde a un 60% del poder calorífico
superior del gas natural, en consecuencia el calor disponible del gas natural es de
9648,33 kcal/m³, tomando en cuenta que la densidad del biogás es de 1,2 kg/m³.
(Fuente: Link 11).
QrDisponible=Qi−Qg−QCI−QH 2O−Qr=4824,16−276,06−0−1194,34−241,20=3112,55
kcalkgdecombustible
Eficiencia de la combustión:
Eficiencia de la combustión=QDisponible
Qi×100=3112,55
4824,16×100=64%
Con este porcentaje trabajando de forma ideal, la eficiencia de la combustión
obtiene un positivo resultado con un porcentaje de 64%.
En conclusión se determinó que el poder calorífico disponible corresponde
a 3112,55 (Kcal/kg de combustible).
De acuerdo con la producción de biogás disponible, en la tabla 4, Se determina el
calor del combustible biogás, que se obtiene según la ecuación estequiometria
ideal.
Datos:
Flujo volumétrico de biogás =26,74 (m³/día) =1,11(m³/hora)
Densidad del biogás = 1,2 (kg/m3)
QCombustible biogas=ρbiogas× v×Q disponible=1,2kgm3×1,11
m3
hora×3112,55
kcalkgdecombustible
=4160,86 kcalhora
41
Según los parámetros reales de rendimiento energético de un calefón varía
entre un 10% a 12% del valor teórico, en donde un 12% del valor corresponde a
499,30 (kcal/hora).Fuente: profesor guía.
3.1.6 Cálculos de exigencia para el funcionamiento de calefón elegido.
Los parámetros, de exigencia necesarios, para el funcionamiento de un
calefón de la marca JUNKERS W7, el cual funciona a gas natural, adaptable a
biogás con modificaciones en las válvulas, tiene los siguientes requerimientos:
Requerimientos:
Modelo Junkers
Flujo volumétrico = 7litros/min
Temperatura máxima del agua= 40 C
flujovolumétrico de agua= 7litrosminuto
×60=420 litroshora
→1 litrodeagua es=a1kilogramodeagua∴=m=420( kghora
)
Balance de energía de calor especifico del biogás y calor absorbido por el
agua.
QCombustible del biogas=Qabsorbido por elagua∴
QCombustible del biogas=499,30kcalhora
Qabsorbido por el agua( kcalhora )=m( kilogramohora )×C p( kcalkg K )×∆T (K )
Por otra parte el rango de diferencia de temperatura, al cual debe ingresar y
salir agua, de acuerdo al poder calorífico que se tiene producido por el biogás.
Suponiendo un calefón común.
QCombustible del biogas=Qabsorbido por elagua=499,30( kcalhora )=420 ( kghora )×1( kcalkgK )∆T (K )=( 499,30
kcalhora
420kghora
×1kca lkgK
)=∆T (K )=1,18K
42
Este resultado, Indica que la diferencia de temperatura del agua es de 1,18
grados Celsius; Por consiguiente la temperatura de entrada del agua al calefón
alcanzaría 11,18 grados Celsius, en conclusión no resultaría la utilización de un
calefón con esta cantidad de biogás, ya que la exigencia de temperatura de
entrada del agua no cumple con lo requerido y el rango que oscila la temperatura
del agua a la entrada se encuentra entre 5 – 10 grados Celsius, además el poder
calorífico del gas butano o gas licuado utilizado en circunstancias domesticas
posee un poder calorífico de 10884,61 kcal/kg que es mayor al poder calorífico
entregado por el biogás que corresponde a 3112,55 kcal/kg, por otra parte el
rendimiento de un calefón es bajo debido a su diseño de serpentín que
proporciona un rendimiento de un 12%. (Promedio de Temperatura tomado del
agua de la llave).
El promedio de tiempo que tiene una persona al ducharse es de 10 minutos,
por lo tanto, si el requerimiento de agua es durante 10 minutos y además el caudal
de una llave abierta completa es de 7(litros/minuto) con una temperatura de
entrada de agua de 10 grados Celsius y la temperatura deseada del agua de 34
grados Celsius. Nuestra pregunta quedaría formulada de la siguiente manera:
Cuanta masa de agua logro calentar a la temperatura deseada, con un
Qcombustible biogasde 499,30(kcal/hora).
Qcombustible biogas=Qabsorbido por elagua ( kcalhora )=m( kilogramohora )×C p( kcalkg K )×∆T (K )
m=QAbsorbido por elagua
C p×∆T=
499,30kcalhora
1kcalkgK
× (307−283 )K=20,80
kgde aguahora
La masa de agua que se logra calentar a la temperatura deseada en una
hora es de 20,804 litros de agua. Si el caudal de la llave es de 7(litros/minuto) y la
43
ducha promedio es de 10 minutos, el agua necesaria para la ducha sería de 70
litros. En conclusión los litros de agua deseada se lograrían en 3 horas
aproximadamente.
De acuerdo a los resultados obtenidos de la ecuación de combustión ideal en la
pagina 52, indica que puede funcionar de un termo alimentado con biogás de
forma ideal.
3.1.7 Ecuación real del biogás
La composición del combustible biogás para la ecuación estequiometria está
conformada de la siguiente manera.
Tabla N°11
Componentes % volumétrico
Metano 60
Dióxido de carbono 38
Hidrógeno 1
Monóxido de carbono 0,5
Oxígeno 0,2
Acido Sulfhídrico 0,1
Nitrógeno 0,2
Para un gas combustible como el biogás; Se estima que el porcentaje de
monóxido de carbono en los productos húmedos de la combustión es de 1%, por
lo tanto, su valor se desprecia por su baja magnitud y relevancia.
0,6CH 4+0,38CO2+0,01H 2+0,002O2+0,05CO+0,001H 2S+0,002N2+a (O2+3,76N2 )↔xCO2+ y SO 2+b N 2+w H 2O
C→0,6+0,38+0,05=x=x=1,03
H→2,4+0.02+0,002=2w=w=1,211
O→0,76+0,004+2a+0,05=2 x+2 y+w=a=1,2295
44
S→0,001= y
N→0,004+7,52a=2b=b=4,6249
Por lo tanto la ecuación estequiometria quedaría de la siguiente forma:
0,6CH 4+0,38CO2+0,01H 2+0,002O2+0,001H 2S+0,002N 2+1,2295 (O2+3,76N2 )↔1,03CO2+0,001SO2+4,6249N2+1,211H 2O
Para obtener una combustión eficaz, el combustible se debe quemar con
un 10% a 12%, de exceso de aire, según Apuntes de combustión profesor Luis
Cerda, en la asignatura de termodinámica aplicada, Universidad del Bío-Bío. En
base de estos datos el presente análisis de combustión, contempla un 10% de
exceso de aire.
a '=1,2295×0,1+1,2295=1,352
0,6CH 4+0,38CO2+0,01H 2+0,002O2+0,05CO+0,001H 2S+0,002N2+a ' (O2+3,76N2 )↔x 'CO2+ y ' SO2+b ' N2+u' O2+w ' H 2O
C→0,6+0,38+0,05=x '=x '=1,03
H→2,4+0.02+0,002=2w '=w '=1,211
O→0,76+0,004+2,704+0,05=2x '+2 y '+w'+2u '=u'=0,1225
S→0,001= y '
N→0,004+7,52a'=2b=b'=5.0855
En conclusión la ecuación a trabajar queda determinada de la siguiente
forma:
0,6CH 4+0,38CO2+0,01H 2+0,002O2+0,001H 2S+0,002N 2+1,352 (O2+3,76N2 )↔1,03CO2+0,001SO2+5,0855N 2+0,1225O2+1,211H 2O
Porcentaje de exceso de aire:
1,352−1,22951,2295
×100=9,96%≈10%
Cálculo de masa por kg de combustible:
45
Tabla N°12
Componentes Pesos moleculares (kg/Kmol)
Metano 16
Dióxido de carbono 44
Oxígeno 32
Nitrógeno 28
Agua 18
Hidrógeno 2
Monóxido de carbono 28
Acido sulfhídrico 34
Dióxido de azufre 64
Tabla N°13
Componentes kg de productoshumedos kg decombustible
Metano 0,6
Dióxido de carbono 1,03 0,38
Oxígeno 0 ,1225 0,002
Nitrógeno 5,085 0,002
Agua 1 ,211
Hidrógeno 0,01
Acido sulfhídrico 0,001 0,001
Dióxido de azufre 0 ,001
46
Masa por kg de combustible
mg=(kg de productoshumedos)/(kgde combustible)
mg=1,03×CO2+0,001×SO2+5,085×N 2+0,1225×O2+1,211×H 2O
0,6×CH 4+0,38×CO2+0,01×H 2+0,002×O2+0,001×H 2S+0,002×N 2
mg= 1,03×44+0,001×64+5,085×28+0,1225×32+1,211×180,6×16+0,38×44+0,01×2+0,002×32+0,001×34+0,002×28
mg=213,48226,526
=8,048 kgde productos humedoskgcombustible
Cantidad de kg de carbono presente en el combustible:
Cb=0,6×12+0,38×1226,526
=0,443 kgdecarbono enel combustiblekgde combustible
Calor perdido por gases calientes de la combustión:
Parámetros:
Tg= Temperatura a la cual escapan los gases de la combustión en el caso
del biogás el rango de esta temperatura es entre (150-200), en un procesos
de una combustión insuficiente. En este caso se estima una temperatura
alrededor de 150 grados Celsius, Con el fin de optimizar la pérdida de
energía.
Ta= Temperatura ambiente rango (25-30) grados Celsius en el sur de Chile
en época de verano.
47
Cp= Calor especifico del biogás a presión constante, se asume un valor
alrededor de 0,313 (Kcal/kg C).Correspondiente al 60% del calor especifico
del gas metano.
Qg=mg×Cpg× (Tg−Ta )=8,04 kgde productoshúmedokgde combustible
×0,313kcalkgc °
× (150−25 )C=314,87 kcalkg decombustible
Calor perdido por combustión incompleta.
Qci=4824,16×CO×CbCO2+CO
=0 kcalkgdecombustible
Calor perdido por evaporación de agua formada y humedad del
combustible:
Parámetros:
X= Húmedad del combustible.
H = Composición gravimétrica del H
Hv= Entalpía del vapor de agua.
Hl= Entalpía del agua liquida en C.
X=1,211H 2O
26,52=1,211×18
26,52=0,82
kgh2o
kg decombustible
H=(0,6×H 4+0,01×H 2+0,001×H 2)
26,52=
(0,6×4+0,01×2+0,001×2)26,52
=0,09 kgde Hkgdecombustible
Hv=597,2+045Tg=597,2+0,45×400=777,2
Hl=25
QH 20=(X+9H )× (Hv−Hl )=(0,82+9×0,09 )× (777,2−25 )=1235,63 kcal
kg decombustible
Calor perdido por radiación, convección y conducción:
48
Este proceso Tiene un rango de 5%, al igual que en el caso de la ecuación ideal.
Qr=QiBiogas×0,05=4824,16kcalkg
×0,05=241,20 kcalkg
Calor disponible de forma ideal: Con un Qi de 4824,16 kcal/kg
QrDisponible=Qi−Q g−QCI−QH2O−Qr=4824,16−306,58−0−1235,63−241,20=3040,73
kcalkgde combustible
Eficiencia de la combustión:
Eficiencia de la combustión=QDisponible
Qr×100=3040,730
4824,16×100=63%
De acuerdo con la producción de biogás disponible, de la tabla N° 8 , Se
obtiene el calor específico correspondiente a la ecuación real del biogás.
Datos:
Flujo volumétrico de biogás =26,74 (m³/día) =1,11(m³/hora)
Densidad del biogás = 1,2(kg/ m³)
QCombustible biogas=ρbiogas× v×Q disponible=1,2kgm3×1,11
m3
hora×3040,73
kcalkg decombustible
=4064,84 kcalhora
De acuerdo a los parámetros reales de rendimiento del poder calorífico de
un combustible, se determinó que el rendimiento de un termo a biogás es similar al
funcionamiento de una caldera en consecuencia, el rendimiento de una caldera en
propicias condiciones es de un 40%. Así también el vendedor Felipe Araneda, de
49
la compañía Albin Trotter estima condiciones reales de un 35% de rendimiento.
Por lo tanto la energía útil de un termo a biogás es de 1422,69 kcal/hora.
Por lo tanto la ecuación estequiometria correspondiente al biogás, se
obtiene de los litros de agua que se logran al calentar el agua, a la temperatura
deseada de 34 grados Celsius.
m=QAbsorbido por elagua
C p×∆T=
1422,69kcalhora
1kcalkgK
× (307−283 )K=59,28
kgde aguahora
La masa de agua que se logra calentar en 1 hora, no es similar a la masa
de la ecuación ideal, en donde se posibilita la implementación de un termo que
funcione a biogás, en consecuencia, el termo elegido es de una capacidad de 130
litros, el cual tiene un valor de 700 mil pesos.
Características:
Estanque. Sólido acero de 3mm de espesor, sometido a un triple cincado
por dentro y fuera, probado hidráulicamente a 250 lbs de presión.
Ánodos de aluminio. Evitan los efectos de la corrosión en su interior,
aumentando su duración. En base a una gruesa capa de lana mineral,
eficiente aislación térmica que evita pérdidas de calor.
Encendido automático con piezoeléctrico. (Sin fósforo).
Control termostático regulable. Controla en forma confiable la temperatura,
significando un ahorro de energía.
Único con protector térmico. Corta automáticamente el gas si se llegara
producir algún exceso de temperatura del agua.
Accesorios T. Cada termo va provisto de su correspondiente válvula de
seguridad y escape, de material inoxidable, regulada y probada a 200 lb de
50
Presión
Fig.19 (Fuente: Link 10)
3.2.- Medición de poder calorífico, del estiércol seco, en comparación entre
el estiércol y biogás.
Un ensayo realizado en la Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Universidad del Bío-Bío, conto de dos pruebas correspondientes, a 5 gramos de
mezcla de estiércol con agua, por tanto La mezcla de estiércol se efectúo con un
5% de estiércol de cerdo (cerdo de 100 kg) y un 95% de estiércol de vacuno
(vacuno de 400 kg). La mezcla fue secada para extraer su mayor cantidad de
humedad, en una primera instancia, luego fue secada al aire libre y fue sometida a
una balanza de humedad marca “Precisa”, modelo xm60.
Cálculos de humedad del estiércol
Humedad perdida al aire libre
51
Peso inicial secado al aire libre=Pesocrisol+Pesoestiercol humedo=33,743 gr .
Peso final secadoal aire libre=11,885 gr
Perdidadehumedad del estiercol secado alaire libre=33,743−11,885=21,863gr
Humedad perdida con balanza de humedad “precisa” con una muestra de
4,976 gr.
Peso inicial=4,976 gr
Peso final=4,392 gr
Humedad perdida por balanza=4,976gr−4,392 gr=0,584 gr
Porcentaje dehumeda perdida demezcla deestiercol=11,74%
El laboratorio fue ejecutado mediante una bomba calorimétrica, la cual
funciona quemando el combustible, a volumen constante. Esta bomba cuenta con
un crisol, en el cual se sitúa el combustible de mezcla de estiércol mas humedad.
En el interior un alambre el cual enciende el combustible. Luego se carga la
bomba con oxigeno a 20 At. Luego se ubica dentro del calorímetro rodeado por
agua la que absorbe el calor desarrollado por la combustión.
La cantidad de combustible (mezcla de estiércol) es de 0,5 gr.
Tabla N°14
Medición Temperatura
ensayo 1 (C)
(ensayo calculado)
Temperatura
ensayo 2 (C)
Tiempo en
segundos
1 19,00 19,09 0
2 19,06 19,12 30
3 19,32 19,40 60
4 19,46 19,52 90
5 19,56 19,64 120
6 19,62 19,70 180
52
7 19,66 19,74 210
8 19,68 19,78 240
9 19,70 19,78 270
10 19,71 19,78 300
11 19,71 19,78 330
3.2.1.- Equivalente en agua de la bomba:
Qbomba=QEAB
MBomba×C pBomba×∆T=M agua×C pagua×∆T
EAB=M bombaC pbomba
C pagua(kg )=
(2,97kg ×0,11 KcalkgC
)
(1KcalkgC
)=0,33kg
Variación de temperatura:
Donde:
R1= Corrección por calentamiento (para nuestro ensayo, R1= 0)
R2= Corrección por enfriamiento.
∆T=(Temp .maxima−Temp .encendido )+R2−R1 (C )=(19,72−19 )+(−4,999×10−3 )=0,7150(C )
Donde:
P2= Pendiente de enfriamiento.
t f= Tiempo fin de ensayo.
tmt= Tiempo en presentarse la máxima temperatura.
T mt= Temperatura máxima alcanzada.
53
T mt= Temperatura al final del ensayo
R2=P2 (t f−tmt )
2(C )=−3,333×10−4(330−300)
2=−4,999×10−3(C)
P2=(T f−Tmt )(t f−tmt )
(Cs)=
(19,71−19,72 )(330−300 )
=−3,333×10−4(Cs)
3.2.2.-Corrección por el alambre de ignición:
Cal=(L I−Lf )C1=o (ignicióncompleta)
La corrección del acido nítrico y acido sulfúrico la estimación será 0 debido a que
se considera una combustión ideal.
(Cl¿¿al+Can+Cas)=0¿
3.2.3.-Calculo Poder calorífico superior:
magua= Masa del agua.
EAB= Equivalente en agua de la bomba.
C pagua= Calor especifico del agua.
∆T = Variación de temperatura.
mcombustible= Masa del combustible.
PCS=(magua+E AB )×C pagua∆T−(Clal+Can+Cas)
mcombustible
=(1,9+0,3391 )×1×0,7150−(0)
5×10−4=3201,91 kcal
kg.
3.3- Listado de materiales para construcción Biodigestor:
54
Para la construcción de un Biodigestor de 78 m³ según la Guía de diseño
Biodigestores familiares, realizada por Jaime Martí Herrero indica que, se necesita
plástico de polietileno tubular negro, debido al daño generado por radiación solar.
El espesor de el plástico debe ser de 300 micrones, su largo dependerá del tipo de
Biodigestor que se quiera instalar, pero para un reactor de 78 m³ se tendrá un
largo de 50 metros además se necesitaran 20 metros adicionales para la “carpa
solar” o invernadero que es la que recubre los arcos en el Biodigestor.
Para la conducción de Biogás de la tubería de la parte superior se necesitan 2
Flanges ½” de Plástico, uno macho y una hembra de rosca, el macho tendrá que
atravesar, la doble capa de plástico desde el interior y la hembra se enroscará
encima de este, los disco rígidos no deben ser menores a 10 cm de diámetro.
Para el sellado, se utilizan 2 discos de goma con un agujero en el medio, estos
discos son muy comunes en las licuadoras o elementos donde existe giro o
torque, estos irán colocados entre los discos de los flanges, los que serán
apretados contra la doble capa de plástico.
Los tubos de PVC de entrada y salida son de 6” de diámetros con un largo 1
metro de largo, las uniones entre el plástico de polietileno y las tuberías de PVC
se hacen con ligas de goma, la conducción del Biogás se hace a través de
tuberías tipo PED o manguera de riego de PVC de ½” pulgada utilizando 4 Codos
PCV ½” pulgada, 4 Tee PVC ½” pulgada, 2 Niple PCV ½” pulgada, Para el paso
de biogás gas se ocuparán 4 Llaves de bola ½” pulgada de plástico debido a que
estas aseguran que el Biodigestor quede completamente hermético.
Para la cocina se utilizan 2 Codo metálico ½” pulgada, 2 Tubos metálicos ½”
pulgada de 12 cm de largo c/u, 2 Tubos metálicos ½” pulgada de 7cm largo c/u.
Materiales agregados a la construcción del Biodigestor son clavos, los que se
ocupan para fijar el plástico que forra a la zanja hacia su suelo y paredes, los
cuales estarán clavados con un pedazo de jebe (pequeño pedazo de goma), estos
fijaran el plástico a la zanja. Se necesita Paja, para el fondo de la zanja luego de
haberla forrado con plástico, la paja evita que Biodigestor se dañe por ramas o
piedras en el suelo.
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Se necesitan neumáticos de goma rellenos con tierra, para formar las paredes de
50 cm de alto respecto al suelo, estos estarán alrededor de la zanja para luego ser
tapados por una mezcla de adobe, aislando la Temperatura del Ambiente, del
reactor ayudando a que se conserve la temperatura del reactor, lo que logra que
las bacterias trabajen de forma rápida y eficiente.
La poza de entrada debe tener una malla metálica que impide el ingreso de
materias solidas, no diluidas al interior del Biodigestor, además se necesita
madera, para construir un cerco alrededor de los neumáticos que estará envuelto
en alambre como medida de seguridad, finalmente las herramientas como Tijeras,
serrucho, martillo, tarraja de ½” pulgada, Llave ‘estilson’ # 10.
3.3.1-Listado de materiales para un Biodigestor de bajo costo de 18 (m³)
Tabla N° 15
Material Cantidad Precio$
( CL=Pesos
Chilenos)
Precio$
(US=Dólares
Estadounidenses)
Conducción
biogás
Tubería de PCV
de ½”
25m $8.500 17
Conducción
biogás
Llaves de bola
½”
de plástico
4 $9.500 19
Conducción
biogás
Trampa del
ácido sulfhídrico
(H2S estropajo
de acero,)
1 $2.000 4
Conducción
biogás
Flange ½” de
Plástico
2 $3.000 6
Conducción
biogás
Codos PCV ½” 4 $500 1
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Conducción
biogás
Niple PCV ½” 2 $500 1
Conducción
biogás
Tee PVC ½” 4 $1.000 2
Conducción
biogás
$500 1
Cocina Codo metálico
½”
2 $500 1
Cocina Tubos metálicos
½”,
12cm
2
$1.000 2
Cocina Tubos metálicos
½”,
7cm
2
$1.000 2
Biodigestor Tubería PVC 6” 2 m $6.500 13
Liga de
neumático
60 m $6.000 12
Biodigestor Polietileno
tubular
(300 micrones
color negro
humo)
30m
$70.000 280
Biodigestor Carpa solar 20 m $50.000 100
Termo 1 $700.000 1400
Costo Total $841.500 $1682US
3.3.2.-Esquema Biodigestor Propuesto
57
Fig. 20 (Fuente: Dibujo propio realizado en Microsoft Power point.)
3.4.-Utilización del fertilizante llamado Biol, para las siembras y como un
producto comercial generador de ingresos
La mezcla existente de agua y estiércol de animal en el Biodigestor
culminara transformándose en Fertilizante, llamado también como Biol (fase
liquida) o Biosol (fase sólida) que es la mezcla ya digerida. El fertilizante producido
tiene un contenido en nitrógeno de 2 a 3%, de fósforo , 1 a 2%, de potasio y el
resto en materia orgánica con un pH entre 6.5 y 7.5, significa que están cerca del
pH neutro, lo que implica que la planta o cultivo tiene mayor facilidad en
adoptarlo.
3.4.1-Aplicaciones del fertilizante
Las aplicaciones de fertilizante dependerán de en qué se utiliza, sin
embargo algunos ejemplos básicos de sus usos son:
Para cultivos, cuando la tierra se ara, se puede utilizar como fertilizante.
Crecimiento de plantas, se aplica el fertilizante de forma foliar, en una
relación de 1 de fertilizante por 4 de agua,
Se puede utilizar con óptimos resultados durante una helada, así también
cuando ya comience a aparecer el fruto, pero nunca durante la floración, ya
que podría llegar a quemar la planta.
El fertilizante es utilizable en frutas, verduras, pasto, etc. En todo lo que
este plantado pero se debe tener cuidado en su uso porque es muy potente
su acción
3.4.2.-Uso comercial del fertilizante
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El fertilizante llamado Biol producido por el Biodigestor se usa en empresas
agrícolas, granjas, florerías, etc. que necesitan diariamente este fertilizante, al cual
se le añaden ciertos aditivos (hoja de tabaco, ají, locoto, ceniza, etc.), para
aumentar su duración. Este fertilizante se produce de forma diaria, lo que significa
que el dueño del Biodigestor puede utilizar este fertilizante para su venta, teniendo
presente que si la mezcla de entrante es de 20 Kg saldrá la misma cantidad en
fertilizante, además este si se deja reposar al sol, se transformara a estado solido
por medio de la acción del sol, luego se podría vender, a florerías, en donde las
compran abono para luego revenderlo en bolsas de fertilizante que tienen desde ,
1 Kg, 5 Kg a 15 Kg, lo que hace factible que si en una granja se obtiene mucho
fertilizantes este se puede generar una fuente de ingresos pequeña.
El fertilizante del Biodigestor cumple una función fitosanitaria ya que actúa como
repelente contra insectos- plagas de los cultivos El efluente es muy utilizado para
fertilizar plantas acuáticas, plantas ornamentales, para el cultivo de peces, pues se
fertilizan los estanques para producir algas y fitoplancton que consumen los peces.
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4.-CONCLUSIÓN
En definitiva en este Seminario de Título se comprendió de manera mas amplia, el
uso de energías Renovables, como el biogás y las tecnologías relacionadas a la
generación de biogás, que fueron los Biodigestores y vertederos, en donde se
concluyo que, los Biodigestores son una tecnología viable para agricultores o
ganaderos en zonas rurales, utilizando reactores pequeños que necesiten poca
carga biodegradable, debido a la baja necesidad energética, que estos demandan.
Aun más útil es para los criadores de ganados, porcinos o cultivos, para lecherías,
carnicerías, embutidos etc. Ya que estos pueden generar grandes cantidades de
m³ de biogás, los cuales se pueden transforman en kWh de energía eléctrica, que
en conclusión dado el ejemplo de las granjas de cerdo es en consecuencia una
tecnología muy viable. Caso aparte seria los vertederos controlados, los cuales
cuenta con una eficiencia energética muy baja con tan solo 20 MW hasta 50 MW
de potencia instantánea y sus costos de instalación y de operación son muy
elevados, respectos de las otras fuentes que generan energía eléctrica, como las
plantas hidroeléctricas que generan 450 MW de potencia instantánea conectada
red interconectada, en consecuencia los vertederos controlados son una
tecnología no viable en estos tiempos, como solución energética. En cuanto a la
situación europea y los proyectos en Chile; La situación actual indica que la
extracción de biogás aumenta cada vez más, a medida que pasan los años y más
aun el de desarrollo de las aplicaciones que tiene este combustible conectado a la
red de gas natural. De igual modo, la aceptación de este combustible por la
sociedad es positiva y alentadora.
60
En cuanto al análisis de combustión se concluyó que el biogás generado, tomaría
2 horas aproximadamente en calentar 130 litros de agua para un Termo Albin
Trotter, además el análisis de combustión real, a partir de la ecuación
estequiometria, revela la viabilidad del uso de el biogás como combustible
utilizable para un agricultor del pueblo, aunque el costo de el termo es demasiado
alto, para un agricultor. Finalmente, también se concluyó que el costo de los
materiales a utilizar, hacen parecer al Biodigestor como una tecnología de bajo
costo y eficiente y por último el fertilizante generado, retribuye una ventaja no
cuantificada en dinero, pero es de gran ayuda para los cultivos de un agricultor.
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5.-BIBLIOGRAFÍA.
Libros y normas consultadas.
1. Dimensionamiento y diseño de Biodigestores y plantas de biogás.2. Ediciones Universidad Nacional del Litoral
6.-PÁGINAS WEB CONSULTADAS.
1. Link1:http://www.energizar.org.ar/
energizar_desarrollo_tecnologico_biodigestor_como_funciona.html
2. Link 2: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Energia/Energia50/HTML/Articulo07.htm
3. Link 3: http://www.viogaz.com/Generacion_electrica_con_biogas.pdf
4. Link 4: http://www.cedecap.org.pe/uploads/biblioteca/10bib_arch.pdf
Vertederos controlados
5. Link 5:http://www.fundacionenergia.es/PDFs/Biomada%2006/XNoguer.pdf
Biogás Unión europea
6. Link 6:http://www.idae.es documentos_11227_e16_biogas_db43a675.pdf
Procesos Tecnológicos
7. Link7:http://www.idae.es/index.php/mod.documentos/mem.descarga?file=/
documentos_11227_e16_biogas_db43a675.pdf
8. Link 8:http://materias.fi.uba.ar/6756/Aplicaciones%20del%20Biogas%201C%2007.pdf
9. Link 9: Tesisaprovechamiento_energetico_del_biogas_en_El_Salvador.pdf,Universidad
del Salvador
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Caso practico
10.Link 10:http://www.abastible.cl/habitacional/residenciales/productos.php?cate=10
11.Link 11: Tesis Aplicación de purines de cerdos, Universidad de Chile
12. : Link 12:www.bae.nesu.edu
