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ii
-
I I I
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERLCO SANTA MARIA
SEDE CONCEPCION - REY BALDUINO DE BELGICA
.- .
_'\ \
ESTUDIO DE PRODUCCION DE BIOGAS PARA APROVECHAR LOS
RESID UOSORGANICOS
ACA rj%,
,3/81t /or
TEC
014
Trabajo de Titulación para optar al Titulo de Ingeniero
de Ejecución en Mecánica de Procesos y
Mantenimiento Industrial
Alumno:
Ignacio Felipe Alexander Needham Ulloa
Profesor Gula:
Ing. Victor Hugo Valdebenito Cartes
2015
7011
Dedicatoria:
A ml abuelo, quien paso a ser ml
padre yqite siempre me enseñO se, mi
huen horn bre...
Gracias la/U...
A ml inadre, quien siempre luchó y dio
kxk) J)oi' ml ' ml bien es/ar.
Gracicis izani
Agradecimientos:
A Mallcis, ml hjo, quien me da
fuerza y energia en lodo inomenlo
A Katherine, ml novia, quien me
luvo paciencia y me dio su compañia
incondicional en lodo momento...
• .. A nil famE/ia por apoyarme en esie
largo camino de formacion acadé mica
y siempre creer en ml...
• . . A mis abuelos, Renato y Laura,
quienes flieron los qzie me dieron las
mejores herramientas y crianza para
lograr el éxilo...
• . A ml madre, Claudia, la persona
que me enseñó a nunca rendirme...
A mis amigos y compañeros, sobre
lodo a Mario Casiro, quien ha
Ilegado a ser como un hermano
SIGLAS V SIMBOLOGIA
Cl-I4 : Gas Metano
CO2 : Dióxido de Carbono
02 : OxIgeno
CO : Monóxido de Carbono
H2 Hidrógeno
H2 S Acido Sulfhidnco
P Fósforo
K : Potasio
N Nitrogeno
Ca Calcio
UN : Radiación Ultra Violeta
PVC Poticloruro de vinilo
PEAD Polietileno de Alta Densidad
mm : milImetros
GLP Gas Licuado del Petróleo
RSU : Residuos Sólidos Urbanos
ppm Parte Por Millón
mg : Miligramo
L : Litro
kW : Kilowatt
°C : Grados Celsius
m Metro
P atm : Presión Atmosférica
Kg : Kilogramo
in3 : Metro Cubico
F : Fuerza
A :Area
cm : Centimetros Cuadrados
4ijj
INDICE
Ir1_'R(11)DI_J(I( I()r' . 1
1.1. OBJETIVO GENERAL .4
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................... 4
CAP!TULO 1: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................ 5
2.1. PROBLEMA ENERGETICO .................................................................. 7
2.2. PROBLEMA AMBIENTAL....................................................................7
2.3. DEFINICION DEL LUGAR .................................................................8
2.3.1. Suministroeléctrico ........................................................................... 8
2.3.2. Agua potable......................................................................................9
2.3.3. Alcantarillado .................................................................................... 9
2.3.4. Problernasdesalud ............................................................................ 9
2.4. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA...................................................9
2.5. JUSTIFICACION Y MOTIVACION......................................................9
2.6. LIMITACIONES ...................................................................................10
CAPITULO 2: MARCO TEORICO ................................................................ 11
3.1. BIODIGESTION ANAEROBICA ........................................................14
3.2. BTOGAS.................................................................................................16
3.2.1. Compuestos del biogas .................................................................... 16
3.2.2. Usos del biogãs ................................................................................ 20
3.2.3. Diferentes aplicaciones del biogás ..................................................21
3.2.4. Factores que regulan el proceso de producción ............................... 21
3.2.5. Parárnetros operacionales que hacen referencia a las condiciones de
trabajo de los digestores ........................................................................................... 23
3.1. BIODIGESTOR.....................................................................................28
3.3.1. Estructura de un biodigestor............................................................28
3.3.2 Biodigestores segiin su tipo de carga................................................29
3.3.3 Biodigestores segün su método de construcción .............................. 30
3.4. ENERGi A..............................................................................................33
3.4. 1 Clasificación de energias..................................................................33
3.4.2 EnergIas renovables .34
3.4.3 EnergIas no renovables.....................................................................34
3.4.4 BioenergIa ......................................................................................... 34
3.5 BIOMASA..............................................................................................34
3.5. 1 Clasificación de la biomasa.............................................................. 35
3.5.2 Tipos de biocombustibles ................................................................. 35
3.6 FACTORIES DE CALCULO PARA EL DISE1O Y
DIMENSIONAMIENTO ............................................................................... .............. 36
3.6.1 Dimensionarniento del Biodigestor..................................................36
3.6.2 Dimensionamiento del estanque de acumulaciOn.............................36
3.6.3 Piscina o estanque del efluente ......................................................... 37
3.6.4 Cantidad de Estiércol por Animal.....................................................37
3.6.5 SolidosTotales .................................................................................37
3.6.6 Solidos Volátiles ............................................................................... 38
3.2.1 ProduccióndeBiogás ....................................................................... 38
3.6.8 Volumen del Gasómetro ................................................................... 39
3.7 VENTAJAS Y DES VENTAJAS ...........................................................40
3.7.1 Ventajas............................................................................................40
3.7.2 Desventajas.......................................................................................40
CAPITULO 3: D1SE1O Y SOLUCION..........................................................41
4.1. REQUERJMIENTOS ............................................................................. 43
4.2 CALCULOS DE DIMENSIONAMIENTO...........................................46
4.2.1 Cantidad de Estiércol por Animal.....................................................46
4.2.2 Estanque de AcumulaciOn ................................................................ 46
4.2.3 Volumen del Biodigestor..................................................................46
4.2.4 Solidos Totales .................................................................................46
4.2.5 Solidos Volátiles ............................................................................... 47
4.2.6 Producción de Biogás ....................................................................... 47
4.2.7 Volumen del Gasómetro ................................................................... 47
4.2.8 Piscina o estanque del efluente.........................................................48
4.3. SELECCION DE EQUIPOS .48
4.4. SELECCION DE VALVULAS, FITTINGS, TUBERIAS Y
ACCESORIOS.............................................................................................................52
4.4.1 Sistemas de Control .......................................................................... 52
4.4.2 Válvulas, Fitting y Tuberias.............................................................54
4.4.3 Estructura de Estanque Acumulador................................................ 57
CAPiTULO 4: PROCESO Y PROCEDIMWNTO ........................................ 59
4.1. PROCESO..............................................................................................61
4.2 PROCEDIMIENTO...............................................................................61
CAPITULO 5: EVALUACION TECNICA V ECONOM1CA ...................... 65
5.1 EVALUACION TECNICA ...................................................................67
5. 1.1 Condiciones permisibles...................................................................67
5.1.2 Componentes del equipo..................................................................67
5. 1.3 Costos asociados...............................................................................68
5.1.4 Ficha Técnica Final del Estudio esta................................................68
5.2 EVALUACION ECONOMICA ............................................................ 69
5.2.1 Criterios de evaluación ..................................................................... 69
5.2.2 Propiedades de los combustibles en estudio..................................... 69
5.2.3 Consumo de la vivienda...................................................................69
CONCLUSION Y RECOMENDACIONES.................................................... 71
BIBLIOGRAI'IA. ................................................................................................ 73
LINKOGRAFi..................................................................................................74
ANEW A............................................................................................................ 75
INDICE DE F1GURAS Y TABLAS
Figura 2-1. Procesos de Digestion ........................................................... 15
Figura 2-2. Usos del biogás ..................................................................... 20
Figura 2-3. Grafica producción v/s temperatura.....................................24
Figura 2-4. Tipos de biodigestores. ......................................................... 30
Figura 2-5. Biodigestor de estructura sOlida fija .................................... 31
Figura 2-6. Biodigestor de domo flotante . 31
Figura 2-7. Biodigestor balón de piástico ................................................ 32
Figura 2-8. Clasificación de energIas ...................................................... 33
Figura 3-1. Diagrama de seiección .......................................................... 44
Figura 3-2. Diagrama de seiección Semi continuó .................................. 45
Figura 4-1. Diagrama de Proceso. ........................................................... 61
Figura 4-2. Procedimiento, paso 1...........................................................62
Figura 4-3. Procedimiento, paso 2...........................................................62
Figura 44. Procedimiento, paso 3...........................................................63
Figura 4-5. Procedimiento, paso 4...........................................................63
Figura 4-6. Procedimiento, paso 5...........................................................64
Tabla 2-1. Composición tIpica de Biogás ................................................ 16
Tabla 2-2. Aplicaciones de biogás ........................................................... 21
Tabla 2-3. Tipos de sustratos...................................................................21
Tabla 2-4. Tiempos de retención hidráuiica ............................................ 25
Tabla 2-5. Estiércoi segitn peso del animal.............................................26
Tabla 2-6. Factor de producción .............................................................. 27
Tabla 5-1. Condiciones permisibles........................................................67
Tabla 5-2. Componentes del sistema.......................................................67
Tabla 5-3. Costos asociados....................................................................68
Tabla 5-4. Ficha técnica ........................................................... 68
Tabla 5-5. Poderes caiorIficos de los combustibles..........................69
INTRODUCCION
tCA Fj
j
A raiz de la gran cantidad de residuos generados por el hombre, ya sea en sus
propios hogares, en pequeñas y grandes empresas o industrias (restaurantes, verdulerlas,
universidades, etc.) y con los ültimos antecedentes sobre laopinión p(iblica con el tema
del sobrecalentamiento global, en donde se concluye que las emanaciones producidas
por el uso de combustibles fósiles es uno de los principales agentes responsables de la
contaminación.
Si bien estos combustibles fósiles permitieron un desarrollo productivo nunca
antes conocido en la historia del hombre, también produjo un alto impacto negativo
sobre el medio ambiente. La combustiOn de este tipo de combustibles genera emisiones
de gases tales como diOxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y otros gases
que han contribuido y ain contribuyen a generar y potenciar el efecto invernadero, la
liuvia ácida, la contaminación del aire, suelo y agua, además que son una fuente de
energia no renovable, es decir, una vez que el hombre use y agote ]as reservas del
mundo, ya no podrán ser repuestas.
Para aprovechar estos residuos se propone un biodigestor, el cual genera un
producto Ilamado Biogás. Este es una mezcla de gases principalmente metano (CH4) y
dióxido de carbono (CO2 ), se obtiene a través de una digestiOn anaerObica que es un
proceso hiolOgico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxlgeno, y mediante la
acciOn de un grupo de bacterias especificas, se descomponen en productos gaseosos.
Por esta razOn surge la idea de aprovechar estos residuos generados por el
hombre constituidos principalmente de desechos vegetales, aguas residuales, excremento
de animales para elaborar un combustible renovable que sea utilizable en los hogares
corno alternativa ecológica de bajo costo, y que los gases arrojados a la atmosfera sean la
menor cantidad emanada y disminuir el efecto invernadero.
El Biogás busca solventar este problema energético y ambiental en zonas rurales
especificas de Chile, la poblaciOn rural no cuenta con la distribuciOn del suministro
convencionat de gas (GLP) para sus estufas o cocinas, haciendo de Ia "lena" su principal
fuente de calor, la cual contamina el aire, a Ia vez su uso incrementa estaciones
invernales lo que produce mayor contaminación.
En Chile la población rural es del 13%, to que significa que son 2.226. 103
habitantes especialmente situados en el sur del pals que sufren una inadecuada
distribución del gas (GLP), este es un factor importante para la calidad de vida y por
ende un aceptable nivel de desarrollo humano.
ru
1.1.OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un estudio sobre la producción de Biogás mediante un biodigestor anaeróbico a partir de residuos orgánicos, corno recurso energético renovable.
1.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Un estudio de pre factibilidad técnica del sistema de Biogas para implementaciOn rural.
Analizar al biogás como verdadera opcion energética en reemplazo parcial o total de La lena.
• Identificar gases que componen el Biogás.
Analizar prototipo de un biodigestor pam utilización hogarefia.
CAPi1'ULO 1: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
7
2.1.PROBLEMA ENERGETICO
En nuestropais la obtención o explotación de gas natural es muy escasa y por
ende poco rentable para las empresas que quieran Ilevar a cabo estos proyectos, por esta
problemática fue como en 1995 Chile gasificó su matnz al máximo de gas argentino con
una confianza ciega, lo cual tenia muchos beneficios y precios muy accesibles. Pero en
2004 comenzaron las restricciones de Argentina, que priorizó abastecer su mercado
interno, y se desencadenó la traumática "crisis del gas".
Otro de sus vecinos, Bolivia, que posee grandes reservas se niega a vender este
combustible a Chile, por su reclamo de una salida al mar. Chile importa más del 70% de
sus insumos energéticos, incluido el gas.
Esta crisis del gas afecta directamente en la población chilena, los precios de
importaciOn y distribución que se manejan hoy en dia son altisimos. Esta situación dio
lugar a que las empresas chilenas encargadas de la distribución del gas subieran sus
precios y fijaran limitantes en sus procesos de comercialización.
Una limitante de la comercialización que se fijó, fue de no realizar gastos extras
en la distribución, lo que afecto muy directamente a las zonas rurales del pals, ya que
estas empresas no gastaban más de lo necesario en combustible para ir a dejar el
suministro energético tan lejos de las instalaciones. Las comunidades rurales fueron
golpeadas por los precios altisimos y Ia escasa o nula distribución de gas para sus
hogares, generando una disminución importante en la calidad de vida de las personas,
privándolas de calor y de una cocción de alimentos en tiempos más cortos,
2.2.PROBLEMA AMBIENTAL
En el tema ambiental más de 2 millones de muertes al año se producen, alrededor
del mundo, a causa de la contaminación que sufre el aire que respiramos, la tierra de la
que nos alimentamos y el agua que bebemos.
La contaminación ambiental se produce cuando varios gases nocivos para la
salud, tanto quimicos, biológicos como fisicos alteran el medio en que vivimos. Se
considera que un ambiente es contaminado cuando cambian sus caracterIsticas y atenta
contra la salud de los seres vivos y la calidad de los recursos naturales.
La contaminación ambiental puede producirse tanto por contaminantes naturales
como por la acción del hombre. El ser humano es el principal culpable de la
contaminación de rios, mares, del aire y de la tierra mediante actividades industriales, comerciales, agrIcolas, dornicil iarias y móviles.
Los principales contaminantes pueden ser fisicos como la radioactividad, ci calor, el ruido, y biológicos como por ejemplo los desechos orgánicos, que al descomponerse contaminan el lugar donde se encuentran ya sea el aire o el suelo. Las causas más importantes de la contaminación ambiental son:
El aumento de Ia población que no ha permitido que se regule de forma adecuada la recolección de residuos.
Concentración de personas en grandes centros urbanos. . El desarrollo industrial y sus fábricas han contaminado de forma irreversible ci
aire de rnuchas ciudades. La industria es la principal actividad que arroja más gases tóxicos al medioambiente.
Los automóviles fabricados hasta ci momento no poseen un sistema para que contaminen menos y los que si tienen un sistema de menor contaminación es de dificil acceso a la población.
. El alto volumen de tráfico de vehIculos particulares y su falta de regulación contaminan las principales urbes y capitales del mundo.
2.3.DEFINICION DEL LUGAR
El lugar se definea partir de una necesidad o una carencia del suministro básico del gas (GLP), ci sector a cual va enfocado ci sistema son algunas localidades de la comuna de Arauco, especIficarnente Yani.
Estas localidades son ampliamente habitadas por pequeflos agricultores que trabajan sus tierras para obtener algunos alimentos, otra actividad en Ia zona es Ia crianza de animales, vacas, corderos, chanchos, gallinas entre otros, lo que genera más desechos orgánicos aumentando la contaminaciOn y ci rnal olor.
23.1. Sum inistro eléctrico
En la comuna, ci sector urbano tiene una cobertura de 85,1 1%del suministro eléctrico, mientras que en ci sector rural la cobertura es solo del 25,36%.
2.3.2. Agua potable
En la comuna el sector rural tiene una cobertura de agua potable del 5,96%. En el
sector urbano la cobertura alcanza el 73,14%.
2.3.3. Alcantarillado
El sector rural de la cornuna no cuenta con alcantarillado, a excepción del distrito
3 (Ramadillas, Conurno, Pichilo, La Meseta y Las Corrientes) que tiene la infima
cobertura del 1,49%. En el sector urbano, en tanto La cobertura de alcantarillado es del
14.74%.
2.3.4. Problemas de salud
Los principales problemas de salud de la comuna son enfermedades respiratorias
infantiles, patologIas de piel (sarna y alergias), parasitosis infantil y adultos, parasitosis
intestinal infantil, patologlas de piel en adultos, patologIa dental, accidentes de trabajo, e
hipertensión arterial.
2.4.FLJNCIONANLIENTO DEL SISTEMA
El actual sisterna de servicio de la compafiIa distribuidora de gas no cuenta con
un adecuado plan de entrega en estas localidades, el problema va desde una larga espera
del suministro a una total falta de entrega, por tanto es Ia población misma quien debe
acudir a la compañIa a buscar el recurso para poder utilizarlo en sus hogares o
simplemente buscar lena como reemplazo del gas.
2.5.JUSTIFICACION V MOTIVACION
Tomando todos los puntos anteriores, el sisterna actual de distribución está en
condiciones inadecuadas para la población siendo en ocasiones que los misrnos clientes
son quienes van por el suministro, esto repercude directarnente a la vivienda teniendo
corno consecuencia un bajo nivel de calidad de vida y desarrollo.
10
Es aqul donde nace la necesidad de contar con un suministro alterno al que ya poseen o bien ci reempla.zo total de este, haciendo de Biogas la mejor alternativa para sus viviendas.
2.6.LIMITACIONES
El estudio a realizar en este trabajo de tItulo se basara en una familia conformada de 4 integrantes del sector rural que cuenten con un promedio de dos cerdos y una vaca para generar los desechos orgánicos.
El desarrollo de este trabajo de titulo se limita principalmente a la elaboración de un Biodigestor prototipo a menor escala, para poder cuantificar la implementación de este a fivel que cumpla con las necesidades.
CAPITULO 2: MARCO TEORICO
13
Durante siglos las sociedades rurales han transformado la naturaleza para
producir alimentos de fácil asimilación y descomposición posterior, y productos para ci
consurno a partir de materias primas escasamente transformadas corno madera, algodOn,
hierro y cuero, entre otros una vez cumplen su objetivo estos productos se convierten en
residuos fácilmente degradables por ci medio; por ejemplo, los sobrantes de alimento se
surninistran como alimento al ganado; los desechos agrIcolas y los exerernentos de
animales y personas se usan para abonar la tierra; los residuos de productos derivados de
la madera se emplean corno lena, etc. Las sociedades urbanas actuales producen gran
cantidad de Residuos Sólidos Urbanos (RSU); por sus caracteristicas muchos de ellos
son dificiles de asirnilar por la naturaleza, especialmente por el empleo de procesos
quirnicos y mecánicos complejos en La elaboración de productos de consumo masivo, los
cuales implican transformaciones sustanciales de las materias prirnas (es ci caso de los
productos derivados del petróleo); en muchos casos estos procesos modifican la
estructura quirnica básica de los materiales, requiriéndose de muchos años para su
degradacion por pane de la naturaleza, en contraste con los productos provenientes de
las areas rurales. Por esta razón, en las ciudades se generan enormes volürnenes de
residuos que en un corto lapso deterioran ci ambiente y se convierten en un problema
ambiental.
14
3.1.113I0JMGESTION ANAEROBICA
La digestion anaeróbica es un proceso biológico en el que Ia materia orgánica, en
ausencia de oxIgeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias especificas, se
descompone en productos gaseosos (Cl-I4, CO2,H2, H2S, etc.), que se utiliza como
combustible para generar calor, iluminaciOn y Ia cocciOn de alimentos. También produce
un digestato o biofertilizante, que es una mezcla de productos minerales (N, P. K, Ca,
etc.), que son utilizados en la agricultura para regenerar los suelos como abono.
El proceso controlado de digestion anaerobia es uno de los más idOneos para Ia
reducciOn de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los
residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos
tratados.
La digestion anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de
aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias
alimentarias.
La digestion anaerObica es un proceso que puede ser resumido en cuatro etapas:
HidrOlisis: consiste en una transformación controlada por enzimas extracelulares
en la que las moléculas orgánicas complejas y no disueltas se rompen en
compuestos susceptibles, para emplearse como fuente de materia y energIa para
las células de los microorganismos.
Acidogénesis: La segunda etapa, controlada por bacterias, consiste en La
transformaciOn de los compuestos formados en la primera etapa en otros
compuestos de peso molecular intermedio como diOxido de carbono, hidrOgeno,
ãcidos y alcoholes alifáticos, metilamina, amoniaco y sulfhIdrico.
Acetogénesis: los ácidos y alcoholes que provienen de la acidogénesis se van
transformando por la acción de bacterias en ácido acético, hidrOgeno y dióxido
de carbono.
Metanogénesis: ültima etapa, consiste en la transformación bacteriana del ácido
acético y del ácido fOrmico en dióxido de carbono y metano y la formaciOn de
metano a partir de dióxido de carbono e hidrOgeno.
Las bacterias responsables de este proceso son anaerObicas estrictas. Se distinguen dos tipos de microorganismos, los que degradan el ácido acético a metano y
dióxido de carbono (bacterias metanogenicas acetoclásticas) y los que reducen el
dióxido de carbono con hidrógeno a metano y agua (bacterias metanogenicas
hidrogenófilas).
I COMPUESTOS OROANICOS COMPLEJOS (Carbohi&atos. protenas y Ilpidosi
HIDRÔLISIS
COMPUESTOS ORGANICOS SIMPLES (A2UcaIe,. atninoacdos y cido yiasc
TACIDOGNESIS I
ACIDOS GRASOS VOL.ATILES Acptato pfopianato. bt,tirato o1c)
ACETOGNESIS
ACETATO (2 crbonos)14
CH-COO
I METANOGEtESIS I
METANO V DIOXIDO DR CAR BONO CH, + CO,
Figura 2-1. Procesos de Digestion.
Fuente: Adaptado de Paviostathis, SO., Giraldo-Górnez, E. 1991.
La principal via de producción de metano es la correspondiente a Ia
transforrnación del ácido acético, con alrededor del 700/o del metano producido. Este es
un proceso lento y constituye Ia etapa limitante del proceso de degradacion anaeróbica.
Como se observa, el metano no es ci ünico gas que se produce en la degradación
de la materia orgánica en condiciones anaerobias, se trata de una mezcla de gases
conocida como biogás.
Está compuesto por un 60% de metano (CH4), un 38% de dióxido de carbono
(CO2) aproximadamente y trazas de otros gases. La composición o riqueza del biogás
depende del sustrato digerido y del funcionamiento del proceso.
FI1
3.2.BIOGAS
El biogás es un poderoso combustible hioenergético que se obtiene a base de
desechos orgánicos. Cuenta con numerosos beneficios y es una forma de energia limpia
y renovable.
El biogás se obtiene a partir de la digestion anaerObica de los materiales orgánicos, este combustible bloenergético es una mezcla metano, dióxido de carbono y una variedad de otros gases.
COMPUESTO (%) CONCENTRACION
Metano(CH4 ) 50-70
Dióxido de Carbono (CO2 ) 30 -50
Hidrogeno (H2 ) 1-10
Nitr6geno(N2) <3
Oxigeno(02) <0.1
Acido SulihIdrico (H2S)
(PPM)
0 -800
Tabla 2-1 Composición tipica de Biogás.
Fuente: Biodigestores farniliares. Gula de diseño y manual de instalación.
3.2. 1. Compuestos del biogás
El biogás, como acabamos de mencionar, consta de metano, diOxido de carbono,
ácido sulfhidrico, nitrOgeno e hidrOgeno.
A continuación se muestran en detalle cada uno de estos gases.
Metano
El metano es el hidrocarburo alcano más sencillo. Está compuesto por cuatro átomos de hidrOgeno unidos covalentemente a un átomo de carbono. Es una sustancia que se presenta en forma de gas a temperatura y presión normales, siendo además
incoloro e inodoro, y apenas soluble en agua.
17
Las principales fuentes de metano son la descomposición anaerobia de material
orgánica como lo son pantanos, los procesos de digestion y defecación de animales,
especialmente en animales ganaderos, combustiOn anaerobia de la biomasa y bacterias
en plantaciones de arroz. Una fuente de emanación de metano muy importante, como lo
son los vertederos, en donde gran parte de los residuos orgánicos que están almacenados,
se degrada en condiciones anaerobias, produciendo metano. La mejora en las técnicas de
almacenaje y gestión de basura en los vertederos, con ci buen sellado de las instalaciones
y la recuperaciOn del metano creado, ci que puede ser utilizado como fuente energetica,
han reducido las emisiones de gases que contribuyen al efecto invernadero, y de hecho
ya se está Ilevando a cabo en paIses desarrollados.
Otra fuente antropogénica, fueron los escapes en las minas de carbOn a
comienzos del siglo pasado. La agricultura y la ganaderla, también son productoras de
metano. Todos los años, millones de toneladas de metano son generados por
microorganismos que viven en condiciones anaerobias, actuando en medios muy
diversos, como en ci estómago de un rumiante, at interior de un estercolero, un campo
inundado para ci cultivo de arroz, entre otros.
DiOxido de carbono
Gas, denorninado también anhidrido carbónico, cuya molécula está compuesta
por dos átomos de oxIgeno a un átomo de carbono. Se trata de una molécula lineal y
apolar. Muchos seres vivos (organismos como animales y seres humanos) toman el
oxigeno del aire, exhalando diOxido de carbono, ci que es asimilado por organismos
autótrofos, como plantas y vegetales.
Este gas, es uno de los gases presentes en la atmósfera que provocan el efecto
invernadero, contribuyendo a que la temperatura del planeta esté en ci rango en donde
pueda ser habitable.
El ser humano utiliza el dióxido de carbono de muchas formas diferentes, como
por ejemplo en la industria de bebidas gaseosas, extintores, hielo seco, etc.
For estudios cientIficos, la ingestion de este gas, puede causar irritaciOn, náuseas,
vómitos y hemorragias en ci tracto digestivo, su inhalaciOn prolongada puede causar
asfixia e hiperventilaciOn, mientras que en estado sOlido (hielo seco), puede causar
quemaduras muy dolorosas en la pie].
18
Suifuro de hidrógeno
El sulfuro de hidrógeno es Lin gas incoloro e inflarnable, con olor a huevo
podrido, de sabor dulce y perceptible a concentraciones muy bajas (0.002 mg/L), sin
embargo, a concentraciones mayores a 500 mg/L, inhibe Ia capacidad del nervio
olfativo, impidiendo Ia detección del gas, lo que lo hace aiin más peligroso. Este gas 10
podemos encontrar en gases provenientes de voicanes, materiales sulfurosos, aguas
estancadas y en concentraciones muy bajas en ci biogás generado a partir de residuos
orgánicos. Este gas es más denso que el aire, ardiendo en éi con una Ilamativa llama azul
pálida. Las bombonas o tanques sometidos a fuego, pueden romperse violentamente y
salir disparadas si cede la válvula, por ende, hay que tener sumo cuidado cuando se
trabaja con éstas.
El sulfuro de hidrógeno es soluble en etanol, acetona, carbonato de propileno,
algunos glicoles y éter etilico. También es soluble en agua, sin embargo, estas
disoluciones no son tan estables, pues se absorbe oxIgeno, con Jo que se genera azufre
elemental, enturbiando la solución.
El sulfuro de hidrógeno anhidro, es poco corrosivo de aceros al carbOn y aceros
inoxidables. Sin embargo, aceros duros y aitamente tensionados se vuelven frágiles por
la aceión de este compuesto, lo que se puede evitar, utilizando cubiertas de teflOn.
En ci caso del biogás, como el sulfuro de hidrógeno se encuentra hümedo (ácido
sulfhidrico), hay corrosiOn y ruptura de aceros, cobre y latOn; materiales usados como
cañerias para ci transporte del biogás. Para prevenir la corrosiOn, se puede utilizar la
misma técnica que con ci sulfuro de hidrógeno anhidro: utilizando cubiertas de teflOn o
extrayéndoio qulmicamente.
Hidrógeno
El hidrOgeno es el elemento quImico más abundante en la naturaleza. A
temperatura ambiente se Ic encuentra como molécula diatOmica. Es altamente
inflamable, incoloro e inodoro. También es ci elemento más ligero y abundante en ci
espacio, estando las estrellas formadas mayoritariamente por este elemento, en estado de
plasma durante Ia mayor parte de sit ciclo.
El hidrOgeno puede ser absorbido por ci ser humano por medio de Ia inhalaciOn.
19
Altas concentraciones de este gas, pueden causar un ambiente deficiente de
oxIgeno, y los individuos que respiran esta atmósfera, pueden experimentar sintomas
que incluyen dolores de cabeza, zumbidos en los oldos, mareos, somnolencia,
inconsciencia, náuseas, vómitos, depresión en todos Los sentidos e inciuso causar la
muerte.
Para la generación de este gas, o al trabajar con él, se tienen que tomar ciertas
precauciones, investigando para conocer detenidamente los aicances de este gas.
Entre los peligros fisicos, está la generación de mezclas explosivas al mezciarse
con aire. QuImicamente, el calentamiento puede provocar una combustion muy violenta
y expiosiva reaccionando muy violentamente con ci aire, oxigeno, halOgenos y oxidantes
fuertes, provocando riesgo de incendio y explosiOn.
Las cantidades de hidrOgeno presentes en ci biogás, no generan n1ng6n peligro,
aunque hay que tornar las debidas precauciones sobre posibles focos de infiamación yb
explosiOn. Recordemos que el biogas en si, es inflamable.
• NitrOgeno
Elemento qulmico que en la naturaleza y a condiciones normales de presion y
temperatura, lo encontrarnos a Ia forma de molécuia diatOmica, además de ser ci
principal constituyente de La atmOsfera (78% por volumen de aire seco). Esta
concentraciOn es ci resultado del balance entre Ia fijaciOn del nitrOgeno atmosférico por
acción bacteriana, eléctrica y en la quimica, y su liberaciOn por medio de la
descomposiciOn de materias orgánicas por bactenas o por combustion (biogás).
El nitrOgeno es además ci constituyente principal de todas las proteinas, asi como
también de muchos materiales orgánicos. Su principal fuente mineral es ci nitrato de
sodio. Gran parte del interés industrial en ci nitrógeno, se debe a Ia irnportancia de los
compuestos nitrogenados en la agricultura e industria qulmica, de ahi la importancia del
nitrOgeno para convertirlo en otros compuestos.
En ci biogás, el nitrOgeno, junto a las sales minerales, convierten ci efluente o
lodo sobrante de la digestion anaerobia en un rico fertilizante para plantas y medios de
cultivo.
20
3.2.2. Usos del biogás
En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier equipo comercial
diseñado para uso con gas natural. El grafico que se encuentra a continuación resume ]as
posibles aplicaciones.
Biogás
-
- - -
Co Quemadores Lámparas Motores Generacion (Estuias y -
Conmas)
rEle'ctricidad I
Calor Iluminacion Potencia Me;ca
1k
Figura 2-2. Usos del biogãs.
Fuente: Adaptado de http://www.biodisol.com
Para este trabajo de tItulo se trabajó con quemadores. El biogás mezclado con
aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefactos descomponiéndose
principal mente en CO2 y H20. La combustion completa sin el exceso de aire, puede ser
representada por la siguiente ecuaciOn quImiea:
CH4 ± 202 > CO2 + 2H0
21
3.2.3. Diferentes aplicaciones del biogás
En el cuadro se han listado los principales artefactos que utilizan biogás
juntamente a su consumo medio y su eficiencia.
ARTE FACTO
Quemador de cocina
Lámpara de mantilla (60W)
Motor a gas
Quemadorde 10 kW
Infrarrojo 200 W
Co generador
CONSUMO
300 - 600 I/h
120-1701/h
0.5 m3/kWh
2 m3/h
30 I/h
1 kW elect.
0.5 rn/kWh
2 kW térmica
RENDIMIENTO
50 - 60
30-50
25-30
80-90
95-99
hasta 90
Tabla 2-2. Aplcaciones de biogãs
Fuente: http://www.labioguia.com
3.2.4. Factores que regulan el proceso de producción
Para que pueda desarrollarse el proceso se debe mantener unas condiciones
ambientales y operacionales adecuadas, para ello se controlan diversos parámetros
ambientales:
a) Sustrato
Las diversas materias primas que se pueden utilizar en la fermentación
metanogénicas, pueden ser residuos orgánicos de origen vegetal, animal, agroindustrial,
forestal, doméstico u otros.
Residuos de origen animal Estiércol, orina, carries, residuos de pescados y residuos de matadero.
- - ----------
Residuos de origen vegetal Malezas, rastros de cosecha, pajas, forrajes en mal estado.
Residuos de origen humano Heces, basura, orina.
Residuos agroindustriales Salvado de arroz, cosechas, residuos de sernillas.
Residuos forestales Hojas, ramas, cortezas.
Residuos de cultivos acuáticos
i\lgas marina, malezas acuáticas.
Tabla 2-3. Tips de sustratos
22
Las caracteristicas bioquIrnicas que presenten estos residuos deben permitir el
desarrollo y Ia actividad microbiana del sisterna anaerObico. El proceso microbiolOgico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino que también deben estar
presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fOsforo, potasio, caleb,
magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, niquel y otros menores). Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas. Las sustancias con alto
contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos previos (cortado, macerado, compostaje) a fin de liberar las sustancias factibles de ser transformadas de las incrustaciones de lignina. En el caso de estiércoles animales, la degradación de cada uno de ellos dependerá fundamentalmente del tipo de animal.
PH
El pH debe mantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones
entre 6,5 y 7,5. Su valor en el digestor no solo determina La producción de biogás sino también su cornposiciOn.
Alcalinidad
La alcalinidad es una medida de Ia capacidad tampOn del medio. Puede ser
proporcionada por un amplio rango de sustancias, siendo por tanto una medida inespecIfica. En ci rango de pH de 6 a 8, el principal equilihrio quImico que controla La
alcalinidad es ci diOxido de carbono- bicarbonato. La relación de alcalinidad se define como la relaciOn entre la alcalinidad debida a los ácidos grasos volátiles (AGV) y Ia
debida al bicarbonato (alcalinidad), recomendándose no sobrepasar un valor de 0,3-0,4
para evitar La acidificación del reactor.
Nutrientes
Con valores que aseguren el crecirniento de los microorganismos. Una de las
ventajas inherentes al proceso de digestion anaerobia es su baja necesidad de nutrientes como consecuencia de su pequea veiocidad de crecimiento. El carbono y ci nitrOgeno son Las fuentes principales de alimento de las bacterias formadoras de metano. Por tanto, Ia relación Carbono/NitrOgeno tiene una gran importancia para ci proceso fermentativo
recomendándose un ratio 20-30 como ci óptimo.
23
e) Tóxicos e inhibidores
Las sustancias inhibidoras son compuestos que bien están presentes en el residuo
antes de su digestion o bien se forman durante el proceso fermentativo anaerobio. Estas
sustancias reducen el rendimiento de Ia digestion e incluso pueden Ilegar a causar la
desestabilizaciOn coinpieta del proceso. A determinados niveles los AGV generan serios
probiernas de inhibición sobre todo en combinaciOn con niveles bajos de pH. Otros
probiemas de inhibiciOn son los causados por el amonio, el ácido sulfhIdrico, o los
ácidos grasos de cadena larga. Los pesticidas, desinfectantes o antibiOticos presentes en
algunos subproductos también pueden liegar a afectar el proceso segün su concentraciOn.
3.2.5. Parárnetros operacionales que hacen referencia a las condiciones de trabajo de
los digestores
a) Temperatura
A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de
los microorganismos y se acelera ci proceso de digestiOn dando lugar a mayores
producciones de biogás.
La temperatura de operaciOn en ci digestor, está considerada uno de los
principales parámetros de diseño, ya que variaciones bruscas de temperatura en ci
rnismo, pueden provocar desestabilizaciOn en el proceso.
Se distinguen tres rangos fundamentalmente:
Rango sincrofilico que va desde 10 °C a 25 °C, caracterizado por un baja
producciOn de biogás y bajo consumo energético.
• Rango mesofihico que esta entre 25°C y 45°C, este rango es ci más utilizado por
su optima producción y rnedio consumo energético.
• Rango termofilico entre 45°C y 65°C, este rango puede conseguir una mayor
velocidad del proceso y una mejor eliminaciOn de organismos patógenos. Sin
embargo, ci rango terrnOfilo suele ser más inestable a cualquier cambio en las
condiciones de operación y presenta además mayores problemas de inhibiciOn
del proceso por la sensibilidad a algunos compuestos, como ci amoniaco.
24
Tasa W crecirmento De mcroorgansmos
('c)
100 Termoflcos
Su
50 Mesoflca \
40 :I /k/' _Y
- 20 40 60 SO Teinperatura (C:
Figura 2-3. Grafica producción v/s temperatura
Fume: Pavlostathis, S.G.. Giraldo-Gómez, E. 1991.
Agitación
En función de Ia tipologia de reactor dehe transferirse al sistema el nivel de energIa necesario para favorecer Ia transferencia de sustrato a cada población de bacterias, siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacion y Ia correcta formación de agregados bacterianos.
Algunos tipos de digestores pueden funcionar sin ning1n tipo de agitaciOn (frecuentemente en digestores rural es).
La agitación puede ser hidráulica o mecánica. Para grandes volimenes, Ia agitación por gas, es la que presenta ]as mayores ventajas, tanto por Ia efectividad en la agitación, como por su sencillez de diseño y operación.
La velocidad de Ia agitación es un parámetro que, también influye en el
desarrollo del proceso, siendo necesario un equilibrio entre una buena homogeneización
y la correcta formación de colonias bacterianas. Una velocidad de agitacion demasiado
alta por encima de las 700 rpm, puede disminuir ligeramente la producción de biogás, por la posible ruptura de agregados bacterianos.
Tiempo de Retención Hidráulico (TRH)
Es el cociente entre el volumen del digestor y el caudal de alimentación, es decir, el tiempo medio de perntanencia del influente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos, para alcanzar los niveles de energia y/o reducción de la carga contaminante que se hayan prefij ado.
25
La velocidad de degradación depende en gran parte de la temperatura, pues a
mayor temperatura el tiempo de retención requerido es menor.
Existen dos tipos de tiempos de retención:
Tiempo de retención hidráulico (TRH)
Tiempo de retenciOn de sóiidos (TRS)
En ci rango de las temperaturas ambiente a la cual la region del Bioblo se
encuentra segOn su latitud fluctüa entre, 10 °C y 25 T.
Para el estudio de este trabajo de titulo, se tomó como referencia la temperatura
promedio anual del aflo 2014, siendo esta 15.8 T. A Ia vez su tiempo de retenciOn
hidráulico seria 51 dias.
TEMPERATURA (°C)
10 15
20
25 30
TIEMPO DE RETENC1ON (dias) SIN N'IEJORA DE FERTILIZANTE
70 Si 3-
27
20
TIEMPO DE RETENCION (dias) CON MEJORA DE FERTILIZANTE
87 63
40
34
25
TabIa2-4. Tiempos de retenciôn hidráulica
Fuente: Gula de lrnplementación de Sisternas de Biogás, Documento ANC-0603-19-01
d) Carga Orgánica Volumétrica (COV)
Es la cantidad de niateria orgánica introducida diariamente en ci digestor,
expresada normalmente en sólidos volátiles, por unidad de volumen y tiempo.
La materia prima que puede ser empleada en un digestor anaerobio es muy
diversa: estiércol, residuos agricolas, excedentes de cosechas, aguas residuales con alta
carga orgánica, etc. En todo caso, debe evitarse alimentar residuos con cascara dura o
visceras, ya que estos requenrIan un tiempo para ser digeridos mucho mayor del
esperable. Los estiércoles que mayores cantidades de biogás producen son los del cerdo
y los bovinos.
26
La cantidad de estiércol que producen diferentes tipos de animales se tabula a
continuación:
ANIMAL Kg DE ESTIRCOL FRESCO
PRODUCIDO POR CADA 100
Kg DE PESO DE ANIMAL
Bovino 8
Equino 7
Cerdo 4
Caprino 4
Conejo 3
Humano adulto 0.4
Humano infantil I 0.2
labIa 2-5. Estiércol se-án peso del animal
Fuente: Biodigestores familiares. Guia de diseño y manual de instalación.
Para este trabajo se prornedia el peso de un bovino en 250 kg, y dos cerdos con
90 kg cada uno.
Concentración del sustrato
• Só!idos Totales (ST): Los sólidos totales representan el peso del estiércol
una vez seco y por tanto es la carga real de materia sOlida que se estará
introduciendo en ci biodigestor. De forma general, el estiércol fresco tiene
entorno a un 17% de solidos totales. El rango puede variar de 13 a 20/.
Solidos Volátiles (SV): Los sólidos volátiies representa la parte de los
só!idos totales del estiércol que están sujetos a pasar a fase gaseosa. Su
valor corresponde aproximadamente, y de forma general al 77% del
solido total introducido por dia.
Producción de biogãs (PB)
La producción de biogás diana depende de la cantidad de solidos volátiles que
hagan en la carga de estiércol. Por ello para conocer la producción de biogas es
necesario conocer previamente la cantidad de estiércol que se va a introducir diariamente
27
al biodigestor, se debe determinar la cantidad de solidos totales que hay en el estiércol, y
a partir de ese resultado, se estima los sólidos volátiles. Conociendo los sólidos volátiles,
dependiendo del tipo de estiércol que se esté empleando, la producción de biogás será
mayor o menos.
Ganado Factor de producción Factor general
Bovino 0.25 - 0.30 0.27
Cerdo 0.25 - 0.50 0.39
Tabla 2-6. Factor de producción
Fuente: Biodigestores familiares. Gula de diseño y manual de instalación.
28
3.1.BIODIGESTOR
Es un contenedor hermético, tamblén ilamado reactor, que permite la
descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y facilita la extracción del gas resultante para su uso como energIa. El biodigestor cuenta con una
entrada para el material orgánico, un espacio para su descomposición, una salida con válvula de control para el biogás, y una salida para el material ya procesado (bioabono).
El biodigestor es un sistema sencillo de implementar con materiales económicos y se está introduciendo en comunidades rurales aisladas y de paises subdesarrollados
para obtener el doble beneficio de conseguir soiventar la problemática energética-ambiental, asI como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animates.
3.3.1. Estructura de un biodigestor
• Reactor
Es el principal componente del biodigestor, es una cámara totalmente hermética donde se almacena y se descompone la materia orgánica para conformar el biogás y ci bioabono.
Tubo de aiimentación
Este tubo es por donde ingresa la materia orgánica hacia el reactor, para su
posterior descomposición.
Salida del efluente
Esta salida permite evacuar Ia materia ya descompuesta, este efluente recibe el nombre de bioabono y es utilizado como fertilizantes de suelos.
Salida del biogás
Este ducto permite la distribución y dirección del biogás hacia ci quemador o su
función asignada, se ubica en la parte superior del reactor.
Válvula de seguridad
Esta válvula controla la sobre presión del sistema, se utiliza para prevenir Ia ruptura del reactor ocasionada por las presiones altas del gas generado de la
29
fermentación anaeróbica.Consiste en una botella plástica insertada al tubo de salida,
cuando la presión del digestor es mayor a la presión atmosférica, se liberará el gas.
Gasómetro
La principal función es almacenar el biogás hasta la utilización, cuenta de dos
partes, una cüpula móvil con sello de agua y el contenedor de gas. Este sistema
permite garantizar presiones estables o constantes de trabao.
3.3.2 Biodigestores segán su tipo de carga
Los biodigestores se pueden clasificar segiin su método de carga en dos tipos:
Biodigestor Tipo Batch o discontinuas
Este tipo de Biodigestor es cargado con material en un solo lote, por lo que
también se llama comünmente Biodigestor tipo Lote. Cuando Ia producción de gas decae
bajo un cierto nivel después de un perIodo de fermentación, este es vaciado por
completo para volver a ser cargado con material fresco.
Biodigestor Tipo Continuo
En este tipo de Biodigestor, se agrega material continuamente y ci efluente se
descarga en la misma cantidad en que se ingresa material. El proceso se caracteriza por
una fermentación constante, una producción uniforme de gas, facilidad y control. Se
aplica en zonas en donde el material residual es abundante.
Biodigestor Tipo Semi Continuo
Se cargan en lapsos cortos cot-no de 12 horas, I vez al dIa, o cada tres dias, se
utiliza cuando la disponibilidad de materia orgánica es constante en los dias. Los
principales, son ci Hindi, ci Chino, y ci Taiwanés, cada uno con ventajas y desventajas,
como si se quiere aprovechar más ci gas o ci biofertilizante, si se quiere usarlo para fines
sanitarios o de producción, diversas ventajas que veremos más adelante.
30
TI POS t(& I'f)I.<%A Cf (
CONTINUO DISCONTINUO SEMI-CONTINUO
O(WtAZAMI I I INTO I I I - .- NOWZON?A&
I Oladede Guatemala (Carga por lotes HINDU
J TAIWAN
¼j o Batch) (CUpuIMÔviI) (tubular) (CIPAVo biodget,
CHINO mDCbUQcQtOJ
(Cüpula Fija)
Figura 2-4. Tipos de biodigestores.
Fuente: http://bio-digestores.blogspot. corn
3.3.3 Biodigestoressegiin su método de construcción
Biodigestor de estructura sólida fija
Consiste en una cámara de gas comiinmente construida de ladrillos, piedra o
concreto el cual es fijo. La estructura interna está constituida por capas para aisiar la
cámara. La construcción de estos digestores es compleja, por lo que se requiere de
personal altamente capacitado. El gas producido durante el proceso de fermentación es
almacenado bajo ci domo por 10 que se generan grandes fuerzas estructurales, es por este
motivo que su diseflo es generalmente semiesférico con el fin de evitar concentraciOn de
tensiones.
Este tipo de digestor debe ser embutido bajo tierra para contrarrestar las
presiones internas, que pueden Ilegar sobre los 0.15 bar (0.148 atm).
Estos reactores son factibles económicamente por sobre los 5 m3 de capacidad y
se conocen de hasta 200 m3, siendo este tipo de planta los más difundidos en China, con
airededor de cinco miliones de piantas pequenas.
Ert' ad esti c.
31
Ctia ;a. - alTacera'e de gas
Sa14a ef1uete :e,,i zarte
Figura 2-5. Biodigestor de estructura sólida fija
Fuente: littp://bio-digestores.blogspot.com.
Biodigestor de domo flotante
Biodigestor del dorno flotante (India). Este biodigestor consiste en un tambor,
originalmente hecho de acero pero después reemplazado por fibra de vidrio
reforzado en plástico (FRP) para superar el problema de corrosion. Normalmente se
construye la pared del reactor y fondo de ladrillo, aunque a veces se usa refuerzo en
hormigOn. Se entrampa ci gas producido bajo una tapa flotante que sube y se cae en
una guIa central. La presión del gas disponible normalmente varIa entre 4 a 8 cm. de
columna de agua. El reactor se alimenta continuamente a través de una tuberIa de
entrada.
____ SALJDA DO'1O ft GAS
UIZCLA 1 J(J4_vALvuL.A
,.' i CA%O r(RrvzAhTt
E)TRADA \\ / CAMARA SAL IDA '
A DIGESTION
Figura 2-6. Biodigestor de domo flotante.
Fuente: http://bio-digestores.blogspot.corn
j
Biodigestor balón de plástico
Este tipo de biodigestor consta de una bolsa situada en La parte superior del
digestor y es en donde se almacena el gas. La presión del gas se logra básicamente por la
elasticidad del globo o adicionando pesos sobre éste. El plástico de la bolsa debe ser
resistente al clima y a la radiación UV, por lo que se recomienda el uso de plástico
reforzado o caucho sintético. Materiales como PVC y polietileno han sido aplicados con
éxito. Sin embargo, la vida ütil de estas estructuras, generalmente, no excede los dos a
cinco aios, por lo que este tipo de planta es recomendable solamente cuando existe Ia
posibi lidad de reparación localmente.
Esta tecnologIa es recomendable corno una alternativa transitoria, cuando se
requiere una solución rápida para la utilización de la materia prima y generación de
biogás.
Salida deBiogas
Entrada Salida de Biomasa de Blol
Biogas
Biomasa
Figura 2-7. Biodigestor balón de plástico
Fuente: http:/fbio-digestores.blogspot.com
3.4.ENERGIA
La energIa se define como la capacidad de la materia para realizar un trabajo. Si
bien el término puede definirse desde una variedad amplia de enfoques, lo cierto es que
todos ellos guardan algtn tipo de relación con la definición provista.
3.4. 1 Clasificación de energias
Las fuentes de energIa se clasifican en dos tipos principalmente, las energias
renovables y las energias no renovables
Las energias renovables son las energias que se encuentran directamente en Ia
naturaleza y son inagotables. Estas energias no contaminan al medio ambiente.
Las energias liamadas no renovables son aquellas que proporcionan Ia parte más
importante de energIa consumida en los piases industrializados. Estos combustibles, una
vez usados no se pueden restituir.
Gas natural Energias no renovables .< Petrôleo
L
I Energia Solar Fotovoltalca Pasiva
Energia Eólica Energia Hidroeléctrica Energia De las Olas Energia Termomarina Energia Mareomotrtz
Energias renovables - Energia De las Corrientes Marinas Biogas
Biomasa Blodlesel Aicoholes Lettas y bagazos
Geotérmica
Bloenergia
Figura 2-8. Clasificación de energias
Fuente: http://www.Iabioguia. corn!
34
3.4.2 Energias renovables
Las energIas renovables son aquellas energIas que provienen de recursos
naturales que no se agotan y a los que se puede recurrir de manera permanente. Su
impacto ambiental es nulo en la emisión de gases de efecto invernadero como el CO')
Se consideran energIas renovables Ia energia solar, la eólica, Ia geotérmica, la
hidráulica. También pueden incluirse en este grupo la biomasa y la energia rnareornotriz.
3.4.3 Energias no renovables
Las denominadas fuentes de energia no renovables son las que tienen un carácter Iirnitado en el tiempo, ya que su consumo iniplica su desaparición sin posibilidad de
renovación. Entre otras de sus caracterIsticas está la producción de emisiones y residuos que daflan el medioambiente y sOlo se encuentran y explotan en zonas determinadas del planeta.
Las energias no renovables corresponden a los denominados combustibles fósiles (petrOleo, gas natural y carbOn).
3.4.4 BioenergIa
La bioenergia es Ia obtención de energia procedente de Ia vida. Normalmente se equipara este concepto con el de biomasa pero la bioenergia es Ia suma de la energia
propia que se puede obtener de los materiales orgánicos o biomasa y la energia que aportan los seres vivos como animales de tiro o la energia que aporta el propio ser humano en su labor o trabajo.
3.5 BIOMASA
El concepto de biomasa fue adoptado de la biologla, ya que por definición, la
biomasa es el conjunto total de los organismos vivientes, animales y vegetales de una detenninada region, considerados colectivamente, por lo tanto, energéticamente
hablando, el concepto de biomasa es el aprovechamiento del colectivo de los organismos vivos, caracterizado por poseer como base compuestos orgánicos reducidos con los que se consigue un aporte energético orgánico y no fOsil. Es decir, la biomasa es la energia que podemos obtener a partir de Ia materia viva o masa.
35
3.5.1 ClasificaciOn de la biornasa
La biomasa, como recurso energético puede clasificarse en biomasa natural,
residual y cultivos energéticos.
• La biomasa natural es la que se produce en la naturaleza sin intervención
humana.
• La biomasa residual es el subproducto o residuo generado en las actividades
agricolas, silvIcolas y ganaderas, asI como residuos de Ia industria
agroalimentaria y en Ia industria de transformación de la madera (aserraderos,
fábricas de papel, muebles, etc.), asI como residuos de depuradoras y el reciclado
de aceites.
Los cultivos energéticos son aquellos que están destinados a la producción de
biocombustibles.
3.5.2 Tipos de biocombustibles
Biodiesel: es un biocombustible liquido alternativo, producido a partir de
recursos renovables y dornésticos tales como aceites vegetales o grasas
animales de primera o segunda generación. No contiene petrOleo, es
biodegradable, renovable y no tóxico.
Bioetanol: también Ilamado etanol de biomasa, es el principal producto
obtenido de la ferrnentaciOn y destilación del almidón, contenido en Ia
materia orgánica, previamente extraldo por procesos enzimáticos. Se
obtiene a través de ]as siguientes materias primas: féculas y cereales
(trigo, maIz, centeno, yuca, patata, arroz) y azücares (melazas de cafla,
melazas de remolacha, sirope de azücar, fructuosa, suero).
• Biogás: también conocido como biometanol, es el producto gaseoso de la
descomposición anaeróbica de materia orgánica.
36
3.6 FACTORES DE CALCULO PARA EL DISESO v DIMENSIONAMIENTO
3.6.1 Dimensionamiento del Biodigestor
El dimensionamiento geométrico del sistema se calcula a partir del volumen total
del biodigestor. Ver tabla 34.
El volumen del biodigestor está dado por la siguiente ecuación:
VB = TI?xiS
Dónde:
VB: Volumen del Biodigestor en [L]
TR: Tiempo de retención en dIas
TS: Total de sustrato diario en [L]
3.6.2 Dimensionamiento del estangue de acumulación
El volumen del estanque está dado por la siguiente ecuación:
Vac TrX Vs1 I DIa
Dónde:
Vac: Volumen del acumulador en L
Tr: Tiempo de retención en dias
VsID : Volumen de sustrato diario en L
37
3.6.3 Piscina o estangue del efluente
El volumen de la piscina de efluente o biolodo está dado por la siguiente
ecuación:
Vcb = Tr XVBL ICA r.
Dónde:
Vcb: Volumen del contenedor de biolodo.
Tr: Tiempo de retención en dias.
VBL: Volumen del biolodo diario en L.
3.6.4 Cantidad de Estiércolpor Animal
Esta ecuación determina la cantidad de estiércol por dia que produce cada especie
de animal. Ver Tabla 3-5.
E=NAX PVPx! 100
Dónde:
E: Estiércol en kilogramos por dia de cada especie
NA: Nümero de animates por una especie (vacas, cerdos, humanos, etc)
PVP: Peso vivo promedio por animal [Kg]
PE: Producción de estiércol por dia en porcentaje de peso vivo.
3.6.5 Solidos Totales
De forma general, el estiércol fresco tiene entorno a un 17% de solidos totales. El
rango puede variar de 13 a 20%.
ST =TS x ST°A
VB
38
Dónde:
ST: Cantidad de solidos totales en
TS: Total de sustrato diario en [L]
ST%: Porcentaje de solidos totales en estiércol fresco
VB: Volumen del biodigestor en [m3 ]
3.6.6 Solidos Volátiles
Su valor corresponde aproximadamente, y de forma general al 77% del solido
total introducido por dia.
SV= STxSV%
Dónde:
SV: Cantidad de solidos volátiles en[/m3]al dia
ST: Cantidad de solidos totales en [ K9/m3 ]
SV%: Porcentaje aproximado de solidos volátiles en un dia
3.2.1 Producción de Biogás
Para determinar el factor de producciOn segin el tipo de animal. Ver Tabla 3-6
PBFPa xSVxVBa
Dónde:
PB: Producción aproximada de biogás en [M3 ]al dia
FP,,: Factor de Producción segán el tipo de animal
SV: Solidos Volátiles
VB: Volumen del Biodigestor segán el estiércol de animal [m3]
39
3.6.8 Volumen del Gasómetro
El volumen del gasómetro nos servirá pam almacenar el biogas.
VG = Tr x PB
Dónde:
VG: Volumen del Gasómetro en [m3 ]
Tr: Tiempo de retenciôn en dIas
PB: Producciôn de biogás en rm3/ th. ai
1
- AICA
40
3.7 VENTAJAS V DESVENTAJAS
.3.7.1 Ventajas
. Produce biofertilizante rico en nitrógeno, fósforo y potasio, capaz de competir
con los fertilizantes qulmicos, que son rnás caros y dañan el medio ambiente.
Elimina los desechos orgánicos, por ejemplo, Ia excreta animal, contaminante del
medio ambiente y fuente de enfermedades para el hombre y los animales.
Se considera una fuente limpia de energIa, porque la emisión de contaminantes
de gases es mucho menor en comparación con la quema de combustibles fósiles.
• Es un importante sustituto de los combustibles derivados del petróleo (gasolina y
diesel).
Permite disminuir la tala de los bosques at no ser necesario el uso de la lena para
cocinar.
Oportunidades para el desarrollo tecnolOgico o de la industria de servicios propios.
3.7.2 Desventajas
• El digestor debe encontrarse cercano a la zona donde se recoge el sustrato de partida y a Ia zona de consumo.
• Debe mantenerse una temperatura constante y cercana a los 35°C, para tener el mayor rendimiento. Esto puede encarecer el proceso de obtención en climas frIos.
Necesita acumular los desechos orgánicos cerca del biodigestor.
CAPITULO 3: DISEISO V SOLUCION
43
Esta secciOn presenta algunas condiciones que deben tenerse en cuenta para la
selección preliminar de un sistema de producción de biogás.
4.1.REQUERIMIENTOS
Los principales requerimientos para un buen diseflo de estos sistemas incluyen:
El diseño: Debe ser simple tanto para la construcción como para La
operación y mantenimiento ya que el sistema de biogás va enfocado a
zonas rurales.
Materiales: Se deben utilizar materiales que estén disponibles localmente.
Se debe emplear un tipo de material resistente a la corrosion, con
propiedades de aislamiento efectivas.
Duración: La construcciOn de un biodigestor requiere cierto grado de
análisis. Unbiodigestor de corta vida podrIa ser económicamente rentable
pero puede no ser reconstruida una vez su vida ütil termine. Seria
necesario construir biodigestores más durables, pero esto puede aumentar
los costos en la inversiOn inicial.
Se deben implementar dispositivos de seguridad.
Un sistema de producciOn de biogás ideal debe ser de bajo costo tanto
como sea posible (en términos del costo de producciOn por unidad de
volumen de biogás).
44
En La localidad de Yani el problema energético es a causa de la lejanla del sector
y ci dificil acceso por carninos de ripio.
Al tener conocimientos de energias renovables y contar con biomasa (estiércol de
aniniales), es factible utilizar los recursos de buena manera, para ello se propone un
biodigestor anaeróbico para la producción de biogás.
La siguiente imagen muestra la metodologia a seguir para determinar ci biodigestor y
las condi ciones de funcionamiento.
Figura 3-1. Diagrama de selecciôn.
45
ANN
Fabundante Se necesita
materia nica.
debe contar con gran espacio para
suinsta1aci6n.
-13
- Su construcción tiene costos muy
OWL :L - Su diseño es fácil de asimilar
- Su construcciOn es más sencilla que las anterior.
elevados.
Figura 3-2. Diagrama de selecciónSemi continuó
FIR
4.2 CALCULOS DE DIMENSIONAMIENTO
4.2.1 Cantidad de Estiércol por Animal
EBOV.i flO = 8
x 250[Kg] x - 100
Bovino_
LU Kg'1
dIa
Ecerdo = 2 x 90 [Kg] x 4-
100
ECerdo = 7.2 Kg,
dia
4.2.2 Estangue de Acumulación
Vac = 3 [dIas] x 27.2 L 'DIa
Vac = 81.6 [L]
4.2.3 Volumen del Biodigestor
VB =51 [Dias]x 27.2 L/ W.
VB= 1387.2 [L]
4.2.4 Solidos Totales
ST = 27.2 Kg x 0.17
1.387 m3
ST= 3.33 Kg,
47
4.2.5 Solidos Volátiles
Se asume que los kilogramos de SV son m3
SV = 3.33 Kg/M3 al dia x 0.77
I SV=2.56mBI0 S
'mVB al dia
4.2.6 Producción de Biogás
Segiin la Tabla 3-6. Factor de producción, ci factor de producción dependerá del
tipo de animal en este caso cardo o bovino.
PBBOVInO = 0.27 x 2.56 m3B06S/3y
al dia x 1.02 m3V8
= 0.70 m3Btoas/,
PBCerdo = 0.39 X 2.56 M3Biogas
/M 3VB al dia x 0.367 m3"
/ PBce m 3Bi0 s
rdo = 0.366 'dIa
3Biogás I + 0.366 PB=0.70 "dIa dia
PB = 1.06 ' 3Biogas /
dIa
a Para la producción de biogás obtenida de 1.06 m
3Bio sg tdIaP0 m05 poner en
funcionamiento una cocina aproximadamente 3. 5horas.
4.2.7 Volumen del Gasómetro
VG = 3 dias x 1.06 mId.
VG=3.18m3
48
4.2.8 Piscina o estangue del efluente
Dada que Ia producción de biogás es de 1.06 rn /Id. y el total de materia
orgánica es de 27.2 Kg, se realiza un pequeiio balance de materia dando corno resultado
26.14 Kg de biolodo.
Vcb = 3dias] x 26.14 L1 dia
\'cb = 78.42 L
4.3.SELECCION BE EQUIPOS
La selección de equipos para este diseño no debe presentar riesgos para el
sistema y debe cumplir ciertos aspectos importantes:
Seguros en la construcción y funcionarniento del sisterna
Bajo costo de inversion
• Vida itiI larga
• Diseflo sencillo
Los materiales más adecuados para la construcciOn de biodigestores y una vida
itil larga son: acero inoxidable y concreto, estos materiales nos entregan muchas
ventajas en su funcionamiento y vida ütil, pero ci costo de inversion es muy elevado para
la implementación en zonas rurales. Otro material disponible es el plástico (Polietileno
de alta densidad), este material nos entrega ]as mismas condiciones de seguridad y
funcionamiento, pero a un bajo costo de inversiOn, algunas propiedades del polietileno
de alta densidad son:
El PEAD es un material terrnoplástico parcialmente amorfo y parcialrnente
cristalino. El grado de cristalinidad depende del peso molecular, de la cantidad de
monómero presente y del tratamiento térmico aplicado.
Presenta mejores propiedades mecánicas (rigidez, dureza y resistencia a la
tension) y mejor resistencia quImica y térmica que el polietileno de baja densidad,
debido a su mayor densidad. Además es resistente a las bajas temperaturas,
impermeable, inerte (al contenido), y no tóxico.
49
También presenta fácil procesamiento y buena resistencia al impacto y a la
abrasion.
Estanque de acumulación
Lo calculado para el estanque de acumulaciOn es de 81.6 [L] de capacidad, la
cual se le debe agregar un sobredimensionamiento, siendo esto la se!ecciOn serla un
estanque de 100 [U] de fácii acceso en el comercio.
/?
Biodigestor
El volumen calculado para ci biodigestor fue de 1387.2 [U, este valor debe ser
sobredimensionado para que pueda generarse el biogás.
CAPACIDAD: 2000 L
MATERIAL: Polietileno de alta densidad
DIMENSIONES:
Dián1ro interior: 1440 mm
Diántro superior: 1700 mm
Altura: 1140 mm
MARCA: INFRAPLAST
CAPACIDAD: 100
MATERIAL: Pohetileno I
de alta densidad
OTA: Perfbración
50
c. Gasómetro
Al real izar el cálculo del gasómetro dio como resultado un volumen total de 3.18
M', dado que ci volumen total del biodigestor seleccionado es de 2 m3, nos da una
diferencia de 2.56 m3 total de capacidad.
El gasómetro es un sistema que permite acumular y mantener a presión constante
el biogás alojado en él, cuenta con un contendor boca arriba el cual se le introduce agua
para asi generar un sello hidráulico con la cüpula móvil. La cüpuLa móvil es un estanque
boca abajo dentro del contenedor que sube y baja en forma vertical con las diferencias
de presión que ejerce ci biogás.
CONTENEDOR
CAPACIDAD: 2.56m3
MATERIAL: Polietileno de alta densidad
DIAMETRO: 1800 min
ALflJRA: 1000 mm
COPULA MOVIL
CAPACIDAD: 2.56 m3
4 MATERIAL: Polietileno de alta densidad
I
DIAMETRO: 1700 mm
ALTURA: 1120 mm
NOTA: 2 perforaciones para instalar Las salidas de estanque
51
d. Contenedor de biolodo
El contenedor de efluente o biolodo será el encargado de La recepción de la
materia orgánica ya descompuesta, Ia capacidad calculada es de 78.42 L, también debe
agregar un cierto sobredimensionamiento con lo cual ci estanque será de 80 L.
CONTENEDOR BIOLODO
CAPACIDAD: 80 L
-- MATERIAL: Polietileno de alta densidad
52
4.4.SELEC06N DE VALVULAS, FITTINGS, TUBERIAS V ACCESORIOS
Los materiales seleccionados para los fittings, tuberlas y algunas vã!vulas serán
de polietileno de alta densidad y PVC, ya que estos materiales son resistentes a la
corrosion y oxidaciOn, adernás de tener un bajo coso de mantenirniento.
En cuanto a los accesorios, se refiere a los sistemas de control que utilice ci
biodigestor, estos cumplen un rol muy importante en la operación y funcionamiento de
cada proceso para asegurar y garantizar Ia producciOn de biogás.
4.4.1 Sistemas de Control
Entre los accesorios de control que existen, nos basarernos y ocuparemos un
manómetro y una váivula de alivio.
ManOmetro: Los rnanOmetros son los instrumentos utilizados para medir
Ia presión de fluidos (lIquidos y gases), en este caso registrará la presiOn a
la que trabaja el biodigestor.
Válvula de alivio: Las válvulas de alivio de presión, tarnbién Ilainadas
válvulas de seguridad, están disefladas para aliviar la presiOn cuando un
fluido supera un lirnite preestablecido (presiOn de trabajo). Su misión es
evitar la explosion o el fallo de un sistema u equipo por un exceso de
presiOn.
Para seleccionar estos sistemas debenios conocer la presiOn a la cual estará
sometido el gasómetro, esta presión será Ia maxima que soporte el sistema del
biodigestor. La presiOn a Ia cual estemos trabajando está dada por el peso propio de la
ciipula móvil y Ia presiOn atmosférica.
La ecuaciOn para caicular la presiOn de trabajo será la siguiente:
= + '3atm
53
Dónde:
P:Presiónen Kg/
F: Fuerza en Kg
1atrn : Presión atmosfénca en Kg/ 'cm2
A: Area en cm2
Datos de la cuipula móvil:
Peso de la campana: 62 Kg
Peso del agua: 1000 Kg
Area de la cñpula móvil: 22 564 cm2
Presión atmosférica: I Kg, /cm2
62 Kg+1000 Kg P
=
1 Kgi 22564cm2 'cm2
P= 1.04/ 2
MANOMETRO
N.
RANGO 0+ 3Kg/ cm
. i. DIAMETRO: 100mm •,' t j i . .'
CONEXION: 1/2" BSP
MATERIAL: Aleación cobre
TEMPERATURA MAX 60 OC
PRECISION: 2.5% rango total
54
VALVULA DE ALL VIO
,J. 2 . .
4-
cun
CONEXION: ½" X 3/4"
4.4.2 Válvulas, Fitting y Tuberlas
Salida de Estangue: Esta salida de estanque, se instalará en la parte
inferior del biodigestor y es la encargada de crear la apertura para que
ingrese la carga de materia orgánica y pueda ser procesada.
SALIDA DE ESTANQUE
MEDIDAS: 63mm X 2'
MATERIAL: PVC
• Válvula de Bola: Esta válvula estará unida con la salida de estanque, Ia
válvula abrirá o cerrara el paso de la materia orgánica que proviene del
estanque de acumulación. También puede ser utilizada como sistema de
control, en caso de que el biodigestor necesite ser limpiado solo se deberá
cerrar la válvula e impedir el ingreso de la materia orgánica.
VALVULA DE BOLA
MEDIDAS: 63 mm
MATERIAL: PVC
TWO DE UNION: AMERICANA
• Copia: Esta copla cumplirá Ia funeión de unir la salida de estanque con la
válvula de bola y también la válvula con ci codo de 45° para mantener el
conjunto sellado.
COPLA
MEDIDAS: 63 mm x 2"
MATERIAL: PVC
Codo 45°: El codo será utilizado para unir la copla y ci tubo de
conducción de Ia materia orgánica que proviene del estanque de
acumulación.
CODO 45°
MEDIDAS: 63 mm x 45°
MATERIAL: PVC
• Salida de estanque: Esta salida de estanque será utilizada en tres partes,
una a la salida del biodigestor que conducirá ci biogás al gasómetro, en ci
gasómetro tendremos dos salidas de estanque una que ingrese ci biogás y
otra que dejara salir ci biogás a su lugar de utilización.
SALIDA DE ESTANQUE
MEDIDAS: 20 mm x 1/2"
MATERIAL: PVC
TERMINAL: CEMENTARIHE
56
Tuberlas: Las tuherIa son las encargadas de dirigir el tluido a sus distintas
etapas, la tuberla de 63 mm, llevará la materia orgánica del acumulador al
interior del digestor y la de 20 mm, dirigirá ai biogás producido desde el
digestor a! gasómetro.
1 TUBERIA PVC PRESTON
MEDIDAS: 20 mrny63 mm
MATERIAL: PVC
PRES ION: C-16
• Terminal: El terminal unirã la válvula de paso tipo bola con la manguera
que transportará ci biogas a su utilización.
TERMINAL PLANSA
MEDIDAS: 1/2"
MATERIAL: POLIPROPILENO
TERMINAL: He
Válvula de paso tipo bola: Esta váivula permitirá controlar ci paso del
biogás a su utilización, si no estã en utilización el gas, solo dehe cerrarse
VALVULA DE PASO TWO BOLA
MEDIDAS: 20 mm
MATERIAL: ACERO
TERMINAL: Hi - Hi
57
• Codo 90°: Estos codos servirán para unir las tuberIas de PVC que salen del
biodigestor y que liegan al gasómetro.
j
CODO 900 CEMENTAR
MEDIDAS: 20 mm x 20 MITI
MATERIAL: PVC
TERMINAL: CEM
4.4.3 Estructura d& Estanque Acumulador
• Gata hidráulica: Esta gata hidráulica de tipo botella será la encarga de
ejercer presión sobre la tapa del estanque acumulador y hacer ingreso de
la materia prima al biodigestor.
GATA HIDRAULICA TWO
ii'.. BOTELLA
PACIDAD: 3 TON
MAX. RECORRIDO: 425 mm
I PESO: 4,2 Kg
-.
• Perfil de estructura: Este perfil seth usado para construir la estructura que
soportara la gata hidráulica
4%440
PERFIL CUADRADO
MEDIDAS: 70x70x2 mm
MATERIAL: ACERO ESTRUCTURAL
CAPITULO 4: PROCESO V PROCEDIMIENTO
61
4.1.PROCESO
Para poder obtener el biogás la materia orgánica (estiérco!) debe ser
descompuesta de forma anaeróbica. Para ello se Ic deposita en un contenedor Ilamado
biodigestor que esta herméticarnente sellado y libre de oxIgeno.
Para entender un poco más de cómo funciona el proceso para obtener el biogás se
muestra la siguiente tigura desde la recolecciOn del estiércol hasta ci quemador donde
será utilizado.
oaii eli uuiuuuiuuuuu.iiu.uu..ui
Tjd Es(k
Eticico! -
L'JL I Ai,uiuiIadi BIIOdO
Figura 4-1. Diagrama de Proceso.
4.2 PROCEDIMIENTO
Este procedimiento será el que deba lievar acabo el usuario de este biodigestor,
para un correcto funcionamiento del sistema.
• Paso I : Recolección y acumulación
En este paso Ia persona que utilice este biodigestor deberá recolectar todas ]as
mañanas ci estiércol producido por los animates en ci establo, para luego ilevarlo al
estanque de acumulación. Este paso deberá repetirse durante tres dias.
62
Establo
Estierc ol
I
a
Acuniula dor
Figura 4-2. Procedirniento, paso 1.
• Paso 2: Ingreso de la materia orgánica el Biodigestor
Luego de haber transcurrido los tres dIas, es hora de hacer ingresar Ia materia
orgánica al biodigestor, para ello el estanque de acumulación cuenta con un sistema
básico de presiOn, que cuenta con una gata hidráulica invertida tipo botella para ejercer
presiOn sobre una tapa, la tapa del estanque corn ienza a descender empujando la rnezcla
al interior del biodigestor.
Am
Acuiiiuladoi
Figura 4-3. Procedimiento, paso 2.
• Paso 3: Conducción del Biogás
Una vez transcurrido el tiempo de generación del biogás, este será conducido por
caulerlas al sistema de gasometro, para que se acumule y se mantenga a presión
constante.
Gaciietro
r~~*
Figura 4-4. Procedimiento, paso 3.
• Paso 4: Utilización del Biogás
Ya acumulado el biogás, este es conducido hasta su utilización final, el cual es
ser quemado en una cocina para generar calor y cocinar alimentos.
uuuuuuuuu.uuuulr,
Quetnaclor
Figura 4-5. Procedimiento, paso 4.
• Paso 5: Retirar el Biolodo
A medida que Ia materia orgánica se transforma en biogás, ésta también avanza
hasta el estanque de biolodo, acumulándose y posteriormente utilizada corno fertilizantes
para ci cultivo mismo de hortalizas y enriqueciendo los suelos.
F-., 0)
64
Biolodo ,1
Figura 4-6. Procedimiento, paso 5.
CAPITULO 5: EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
67
5.1 EVALUACION TECNICA
Para realizar uria evaluación técnica, el equipo desarrollado debe cumplir con
los requerimientos de diseño, y adecuarse a los parámetros establecidos.
Condiciones permisibles
PAR AMETROSDEOPERACION ITEM Disefo Criticidad
Biodigestor 2000 L -
<2000 L
Estangue de acumulación 100 L <100 L
Gasómetro 2.56 m3 <2.56 m3
Estangue de biolodo 801, --- <80 L
.
de trabaio 14 Kg, ' ') Cm
Tipo de carga Semi continuo Dc forma irregular o discontinua
LparadePio [ 15.8°C 0-10°C
Tabla 5-1. Condiciones permisibles
5. 1.2 Componentes del eguipo
ICONIPONENTE CANTIDAD DIMENSIONES I MATERIAL
mm Biodiestor 1 1700 x 1440 x 1140 Polietileno de Alta densidad Estangue de acuniulación 1 430 x 500 Polietileno de Alta densidad Contendor 1 1800 x 1000 Polietileno de Alta densidad Cüpula Móvil I 1700 x 1120 Polietileno de Alta densidad Estangue_biolodo 1 636 x 400 Polietileno de Alta densidad
[Salida de estangue 2 63 x 2" PVC Válvula de paso (bola) 2 63 PVC Copla 2 63 x 3" PVC Codo 450 2 63 x 45° PVC Salida deestangue TuherIadebioás Terminal He
____________[
3 1
1
20 x 1/2"
20 X 6000 20
PVC
- PVC
polipropileno
Válvulade bola 1 20 PVC Codo90°__- 2 20 x 90° PVC Tuberia de alirnentaciOn 1 63 x 6000 PVC
1 Man6metro 1 100 Aleacióndecobre Válvula de alivio 1 3" Bronce
'I'abla 5-2 Componentes del sistema
Mo
5. 1.3 Costos asociados
VALOR COMPONENTE UNIDAD CANTIDAD $ VALOR
UNITARIO
Biodigestor 1 c/u 212847 213847
Estanque de acumulación 1 C/U -
17550 1 17550
Contendor 1 C/U 282916 283916
CpulaMovil 1 C/U 232916 232916
Estanquebiolodo 1 c/U 16585 - 17585
Salida de estanque 2 C/U -
7400 14800
Válvuladepaso(bola) 2 C/U
I C/U
17690 35380
857 1714 Copla 2
Codo 45O 2 C/U 2390 4780
Salida de estanque 3 Ic/u 1290 3870
Tuberla de biogás 6 m 1250 1250
Terminal He 1 C/U 610 610
Válvula de bola 1 C/U 5090 5090
Codo90° 2 C/U 107 214
Tuberia de alimentaciOn 6 m 8870 8870
Estructuraest. Acumulador 1 c/u 31966 31966
Gata Hidrâulica 1 C/U -
23000 23000
Modificación del quemador 1 C/U 39000 39000
ManOmetro 1 IC/U 5190 5190
Válvula de alivio 1 C/U 5990 5990 ___________
___________________- 947538
labIa 5-3. ('ostos asociados
5. 1 .4 Ficha Técnica Final del Estudio esta
FICHA TECNICA FINAL DEL ESTUDIO
Sustrato diario 27.2 Kg
Estanque acurnulador 85 L
Diseño del biodigestor Senii-continuo
Biodigestor Tipo chino de 2000 L
Estanque de biolodo
Gasórnetro
80 L
2.56m3
Biogás I 06 m3/ "dIa
Tiempo de funcionarniento 3.5 firs
Tabla 54. Ficha Técnica
MO S
5.2 EVALUACLON ECONOMICA
La evaluación de proyectos es un instrumento o herramienta que genera
inforrnación, permitiendo emitir un juicio sobre la conveniencia de la estimación
preliminar del beneficio que genera ci proyecto en estudio. En esto, los criterios de
evaluación económica uegan un rol importante.
Los criterios de evaluación econOmica que se utilizarán para la toma de decision,
seth de si es más conveniente dejar el combustible actual o reemplazarlo total o
parcialmente.
5.2.1 Criterios de evaluaciOn
Para comenzar con la evaivación económica del proyecto, debemos señaiar ci
tipo de combustible en estudio, en este caso la lena y ci biogás, para compararios
energéticamente y determinar si se obtienen beneficios o no.
5.2.2 Propiedades de los combustibles en estudio
PODER CALORIFICO
BIOGAS 5092
MADERA 4535 Kcal /Kg
Tabla 5-5. Poderes calorIficos de los combustibles
La tabla 6-4, nos muestra los poderes calorIficos de cada combustible, siendo ci
del biogás un 12% mayor en energIa caiOrica.
5.2.3 Consumo de la vivienda
El consumo de la vivienda en estudio se encuentra actualmente comprendido por
una cocina a lefla, de la cual se consume 2 astillas a la hora del desayuno (hervir agua y
cocinar), a la hora de almuerzo se consumen de 4 a 5 astillas, y a la hora de cena 2
astillas más, dando un total de 8 a 9 astillas diarias solo para cocinar. Estas astillas silas
70
Ilevamos at consumo en un mes obtenemos 270 astillas aproximadamente to que
equivale a I m3 de lena con un valor de $38.000 aproximadamente.
Con la producción aproximada de biogás de 1,06 m3, permitirá usar un
quemador de cocina 3,5 horas, dando por abastecida la parte energética de la cocina. A
la vez el ahorro mensual de la vivienda será equivalente at costo de I m3 de lefia con
valor aproximado de $38.000, la cual servirá para recuperar La inversion inicial.
La inversiOn inicial de este proyecto es de $947 538, to que da como resultado en
conj unto con ci ahorro de lena at mes, un tiempo de recuperación de aproximadamente 2
aflos.
71
CONCLUSION Y RECOMENDACIONES
Segün la evaluación técnica y económica, el equipo desarrollado cumple con los
requerimientos de diseño, y se adeciia a los parámetros establecidos, haciendo factihie Ia
construcción de un biodigestor rural, para reemplazar el combustible actual.
La utilización de biodigestores brinda grandes ventajas para el tratamiento de los
desechos orgánicos, además disminuye la carga contarninante de estos. Extrae gran parte
de la energIa contenida en el sustrato, controlando los malos olores y mejorando el suelo
a través del biolodo utilizado como fertilizante.
En conclusion, al utilizar los residuos orgánicoses factible la producción de una
fuente de energética renovable y más limpia que la proporcionada por las fuentes
energéticas convencionales (petróleo y gas natural), fomenta la utilizaciOn de los
residuos que, hasta hace no mucho, solo eran acumulados por camiones de basura y
Ilevados a los vertederos y rellenos sanitarios.
Recomendaciones:
• El digestor debe encontrarse cercano a la zona donde se recoge ci sustrato
de partida y a Ia zona de consumo en un punto intermedio.
• La insta!ación de estar cubierta por la liuvia y el viento para no generar
pérdidas de calor por convección.
Realizar plan de capacitaciOn para el usuario u operador.
Incluir colonia de bacterias anaerobias, para contar con distintas especies
en caso de shock térmico.
73
BIBLIOGRAFIA
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ENERGETICO DE UNA ZONA RURAL
Andrea Cecilia Camus Araya y Karma Teresa Ortega Betrin.
USM-2010
• DISERO PLANTA PILOTO DE BIOGAS
Roberto Vera Campos. USM - 2007
• ESTUDJO DE LA OBTENCION DE BIOGAS A PARTIR DE
RESIDIJOS ORGANICOS
Moisés Sanchez Cares. USM - 2007
• J. Marti Herrero. 2008. Biodigestores familiares: Gula de diseño y manual
de instalación. GTZ-Energia. Bolivia.
• GuIa de lmplementación de Sistemas de Biogás, Documento ANC-0603-
19-01
Paviostathis, S.G., Giraldo-Gómez, E. 1991.
• Carey, Francis A., "Quimica Orgánica", Editorial Mc Graw Hill, 3°
Edición, 1999.
• Chile: Remoción de Barreras para la Electrificación Rural con EnergIas
Renovables
• Producción de energia eléctrica a partir de la materia orgánica generada
en las actividades ganaderas. Universidad AutOnoma De Occidente
74
LINKOGRAFIA
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• http://www.labioguia.comlbiodigestores/
• http://www.textoscientificos.com/energia/biogas/usos
• http://vidaverde.about.com/od!Energias-renovables/alQue-Es-Un-
Biodigestor.htm
• http:I/www. idae.es/uploads/documentos/documentos_10737_Biomasa_di
gestores_07_a996b846.pdf
75
ANEXOA
Las imágenes a continuación muestran un biodigestor piloto creado durante el
desarrollo de este trabajo de titulo, para desarrollar pruehas ernpIricas del diseño.
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