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Utilización de biogás para operar motores a gasolina y diesel

Publicado: 8 de enero de 2007
Por: Favio Antonio Carmona; Julio Enrique Orozco; Raúl Botero Botero y Carlos Hernández. Universidad EARTH, Costa Rica
El petróleo es un combustible ampliamente utilizado a nivel mundial para la generación de energía eléctrica. Sin embargo, el petróleo es un recurso no renovable, por lo cual es necesario que se desarrollen, evalúen y utilicen  fuentes alternas de producción de energía eléctrica.
Este proyecto desarrolla, implementa y ofrece otra opción energética apta para las zonas rurales de bajos recursos económicos, donde se pueda generar la energía eléctrica requerida a base de biogás, obtenido como producto de la fermentación de desechos orgánicos contaminantes (excrementos animales y humanos, desechos vegetales, etc.) por medio del biodigestor de polietileno de bajo costo (Figura 1).

Utilización de biogás para operar motores a gasolina y diesel - Image 1
1).Válvula de salida
2).Almacenamiento de biogás
3).Nivel del agua mezclada con desechos orgánicos


Figura 1. Biodigestor de polietileno de bajo costo.


Objetivos
  • Difundir la producción de biogás a partir de desechos orgánicos, mediante el biodigestor de polietileno de bajo costo y la utilización de este biogás para la generación de energía eléctrica en las zonas rurales de América Tropical.
  • Definir la metodología para la adaptación de motores de gasolina de cuatro tiempos o diesel al uso de biogás.

Metodología

Motor de gasolina:

La metodología para la adaptación del motor de gasolina consistió en la elaboración de una pieza que permitiera la introducción de una mezcla de biogás -aire al cilindro del motor (Figura 2), para lo cual se utilizaron materiales de PVC en su mayoría, ya que estos son de fácil obtención y de bajo costo.
Para la realización de la prueba del uso de biogás en el motor de gasolina de cuatro tiempos, se utilizó un motor marca Honda de 5 HP (3,7 kwh), modelo GX 140 MAX, de 144 cm3 (Figura 2).

Utilización de biogás para operar motores a gasolina y diesel - Image 2
1).Tubo de entrada de biogás
2).Válvula de admisión de aire
3).Tubo de entrada de aire
4).Válvula de admisión de biogás
5).Entrada al motor de la mezcla aire – biogás

Figura 2:

a)  Pieza para adaptar un motor de gasolina de cuatro tiempos al uso de biogás,
b)  Motor de gasolina de uatro tiempos con pieza conectada en la posición del purificador de aire


Motor Diesel:


La metodología para la adaptación del motor diesel de cuatro tiempos al uso de combustible mixto (diesel-biogás-aire) fue similar a la utilizada en el motor de gasolina de cuatro tiempos. En las pruebas se utilizó un motor de tractor marca Lamborghini de 35 hp, modelo Runner K4F-D, de 350 cm3 (Figura 3).

Utilización de biogás para operar motores a gasolina y diesel - Image 3
1).Entrada de biogás
2).Entrada de aire
3).Entrada al motor de la mezcla aire – biogás
4).Válvula reguladora de entrada de biogás

Figura 3:

a)  Pieza de adaptación para el uso de biogás en motor diesel
b) Tractor con motor diesel con pieza incorporada

Resultados

Motor de Gasolina:

Se puede observar el tipo y cantidad de materiales utilizados y la disposición de cada uno de ellos en la pieza elaborada para la introducción de la mezcla aire-biogás a través del purificador de aire de cada tipo de motor. De acuerdo con esta figura, se puede notar que el principio fundamental de la pieza lo representa la T de PVC, la cual sirve de mezclador de biogás-aire (Figuras 2 y 3).  

Con la utilización de biogás, se logró sustituir el 100 % del combustible gasolina, por lo cual, de acuerdo con el Cuadro 1, cada hora de uso del motor con biogás, permite ahorrar 2.213,59 ml de gasolina. El consumo de biogás fue de 0,55 m3/hora, lo que significa, que con este tipo de motor, 1 m3 de biogás equivale a 4,025 litros de gasolina.

Cuadro 1. Datos de consumo de combustible del motor de gasolina de cuatro tiempos

Tipo de
Combustible

Cantidad inicial de prueba (mL)

Cantidad final (mL)

Consumo total (mL)

Tiempo
Minutos

Consumo (mL/Hora)

Gasolina

1.000

50

950

25,75

2.213,59

Motor Diesel

En el Cuadro 2 se puede notar que la mayor sustitución de combustible diesel por biogás, se obtuvo cuando el motor trabajó en la velocidad mínima (74,07 % y 70,37 %, Cuadro 2). En cambio, cuando el motor diesel se trabajó con 1.500 RPM se sustituyeron cantidades menores de combustible diesel (64,96 % y 64,23).

Cuadro 2. Datos de consumo y sustitución de combustible por biogás en el motor diesel.

Combustible

Velocidades del motor

Posición de pieza

Cantidad inicial

Retorno

Cantidad final

Consumo

Tiempo

Sustit.

----RPM----

----------------mL------------------

-Horas-

-%-

Diesel

Mínimo

*

3.000

360

2.100

540

1

0,00

1.500

*

3.000

160

1.470

1.370

1

0,00

Diesel + biogás

Mínimo

**

3.000

440

2.420

140

1

74,07

1.500

**

3.000

420

2.100

480

1

64,96

Mínimo

***

3.000

390

2.450

310

1

70,37

1.500

***

3.000

370

2.140

490

1

64,23

* Sin uso de biogás
** Biogás directo: aire perpendicular
*** Aire directo: biogás perpendicular El motor diesel de un vehículo la mayoría del tiempo trabaja a altas revoluciones (≥1500 RPM). En el experimento se utilizaron dos posiciones de ingreso de biogás al motor, de las cuales, según el Cuadro 2, la de mayor sustitución es la que tiene la entrada del biogás de forma directa al motor (64,96 %).


Conclusiones

En el funcionamiento de motores de gasolina de cuatro tiempos, el carburador funciona como conductor de la mezcla aire-biogás, pero a la vez permite la utilización exclusiva de cualquiera de los dos combustibles (gasolina o biogás), de acuerdo a la necesidad y disponibilidad.
En el caso de los motores diesel, el principio de adaptación al biogás, es similar al del motor de gasolina de cuatro tiempos, con la única diferencia de que en los motores diesel no es necesario encontrar una mezcla adecuada de biogás-aire, debido a que en estos motores se trabaja con una mezcla de diesel-biogás-aire. En la medida que aumenta el consumo de biogás, el consumo de la mezcla aire - diesel disminuye.

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Raúl Botero Botero
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Raúl Botero Botero
28 de septiembre de 2011
Hola Margarita: Con mucho gusto, puedo proporcionarle más información y contactos como la Red de Biodigestores para Latinoamérica y el Caribe - RedBioLAC. Escuiba por favor a mi correo electrónico y le envio algunos artículos. Cordial saludo, Raúl Botero Botero rbotero@earth.ac.cr
Raúl Botero Botero
31 de julio de 2011
Para el Sr Ricardo Castro de El Salvador: Si copia cada una de las direcciones que quedaron consignadas en mi mensaje y luego las pega en cualquier buscador como Google, el buscador le encuentra cada uno de los artículos consultados por separado. Lo acabo de hacer y por ello le aseguro que funciona. Con un cordial saludo, Raúl Botero Botero Universidad EARTH Costa Rica
Raúl Botero Botero
5 de diciembre de 2009
Estimados foristas: En la Universidad EARTH tenemos un tanque metálico, con una bomba, que almacena el biogás con una presión de 15 psi. Una vez a esa presión, la bomba se apaga automáticamente, y tan pronto baja la presión del biogás dentro del tanque a 3 psi, la bomba se prende de nuevo de manera automática. El biogás se puede utilizar como combustible, tanto en motores que tienen carburador (gasolina) como en motores que poseen inyectores (diesel, gas propano o GLP o gas natural). Con un cordial y respetuoso saludo, Raúl Botero Botero
Raúl Botero Botero
25 de agosto de 2007
Estimado Ingeniero Fernandez: Muchas gracias por su mensaje. No he encontrado información en la literatura sobre la utilización de las excretas de aves para la producción de biogás, pero si he podido ver varios ejemplos prácticos de su uso en fincas, con excelentes resultados. La cama aún no la he visto utilizar y creo que no debe ser un buen material, puesto que contiene fibra que es difícil de digerir en corto tiempo por las bacterias, dentro del biodigestor. Lo que he visto, hasta ahora, es que mantienen las aves en jaulas con piso de malla metálica, elevadas del suelo. Las aves defecan y la excreta cae al piso y de allí la lavan con agua y la introducen a los biodigestores. Ví un biodigestor esta semana en una granja que no tiene más que 100 aves encerradas, entre gallinas, pollos, patos y pavos, y su biodigestor de 12 metros cúbicos de fase líquida y de flujo continuo les funciona bien, produciendo 4 metros cúbicos de biogás por día. Reciba mi cordial saludo, Raúl Botero Botero
Carlos E. Fernandez Ridano
CADIA - Centro Argentino de Ingenieros Agrónomos
24 de agosto de 2007
Estimado profesor Botero y foristas, estoy indagando en el tema y como primer paso mi necesidad es la de conocer si la cama de pollo es considerada un buen producto para lograr biogas y si es así como puedo obtener información del proceso, los rindes,y calidad del bogas. Entiendo por lo que leí en el foro, ya lo menciono el profesor Botero, que hay otros articulos que hablan del tema de biogas ¿saben de alguno que trate este tema de la cama de pollo? Gracias a usted y buena semana
Raúl Botero Botero
2 de abril de 2007
Hola Fabian: Gracias por su mensaje. Recurra por favor a la Fundación CIPAV en Cali, o con el Sr Alfonso Madriñan Caldas, en Hacienda Pozo Verde en Jamundí, allí le ayudarán a resolver su problema. Cordial saludo, Raúl Botero Botero Universidad EARTH
Raúl Botero Botero
16 de marzo de 2007
Estimados participantes en el Foro Engormix: Favor consultar la alta cantidad de información que ya ha sido publicada en este foro sobre la producción de biogas, tamaños de equipos, eficiencias, etc. Con relación a si se pueden trabajar los equipos con otros gases combustibles, definitivamente si. Nuestro generador de 40 kilovatios en la Universidad EARTH fue construido para gas natural, y lo estamos operando con biogás. Hay muchos equipos de gas propano a los que se les puede cambiar muy facilmente a biogás o a gas natural. Hay que tener en cuenta la presión de ingreso del gas (Natural, biogás, o Propano- GLP) que requiere el equipo. Cordial saludo, Raúl Botero Botero
Raúl Botero Botero
1 de marzo de 2007
Estimados señores: En respuesta a las preguntas del Sr Cesar Antunez y de otros participantes en el foro. 1- El biogás se puede hacer circular por dentro de un filtro de sílica gel, para eliminar la humedad del biogás que puede llegar a ser del 5, y colocar trampas de humedad en la manguera de conducción del biogás hacia el motor. Estas trampas consisten en colocar varias TEES de PVC hacia bajo de la manguera de conducción, que se tapan con un tapón, el cual se quita con cierta frecuencia, para permitir la salida del agua. La manguera de conducción del biogas hacia el quemador nunca deberá enterrarse en la tierra, precisamente para evitar la condensación de la humedad. 2- Nosotros almacenamos el biogás en neumáticos grandes de llantas de tractor. También lo hacemos en bolsas de polietileno tubulares, las mismas que se utilizan para construir el biodigestor, y que se colocan por debajo del techo, cerca del sitio de utilización del biogás. El biogás es facil de manejar y poco explosivo. 3- El polietileno puede obtenerse en OLEFINAS S.A. en San José, Costa Rica. Los precios están aumentando continuamente, debido a que el polietileno en un derivado del petróleo. Favor leer los artículos, cuyas direcciones adjunté en mi respuesta anterior al foro. Con un cordial saludo, Raúl Botero Botero Universidad EARTH Costa Rica
Raúl Botero Botero
27 de febrero de 2007
Estimados señores del Foro: Adjunto la dirección electrónica de artículos sobre la instalación de biodigestores, sus posibles usos y algunos análisis económicos de su utilización. Con un cordial saludo, Raúl Botero Botero Universidad EARTH Costa Rica http://usi.earth.ac.cr/glas/sp/biodigestor.pdf http://usi.earth.ac.cr/glas/sp/50000030.pdf http://usi.earth.ac.cr/glas/sp/50000036.PDF http://usi.earth.ac.cr/glas/sp/50000090.pdf
Raúl Botero Botero
26 de febrero de 2007
Estimados señores del Foro: Muchas gracias por sus comentarios al artículo publicado por nosotros recientemente. A sus preguntas, tengo las siguientes respuestas: 1- El biogás como producto de la fermentación anaeróbica de la materia orgánica contiene Metano, Monóxido y Dióxido de Carbono, Ácido sulfhidrico, Humedad, etc. El ácido sulfhídrico es altamente corrosivo sobre los metales. Hay entonces que filtrar el ácido sulfhídrico para no introducirlo a los cilindros. Esto se puede lograr con filtros colocados a través de la tubería de conducción del biogás hacia los motores. Los filtros pueden ser: De limadura de hierro (esponjillas de alambre de lavar ollas o limadura de tornos, que lo convierten en Sulfato de hierro, el cual no es tóxico ni corrosivo) o bien Óxido de Calcio (una parte de Cal viva molida, disuelta en tres partes de agua, haciendo burbujear el biogás a través de la solución líquida. La solución se convierte en Sulfato de Calcio - YESO). 2- No hemos aplicado presión al biogás en motores pequeños, pero si en generadores de alta capacidad (40 Kw), en cuyo caso hemos aplicado presiones de entre 1 a 3 psi. 2- Una vez instalado el biodigestor de flujo contínuo, su producción de biogás se inicia a los 30 días de estar siendo alimentado diariamente con aguas de lavado mezcladas con excretas frescas (5 a 10 partes de agua por 1 parte de excretas frescas). 3- Hemos cambiado recientemente en EARTH un biodigestor cuya bolsa de polietileno funcionó ininterrumpidamente durante 11 años. Reciban un cordial y respetuoso saludo, Raúl Botero Botero Universidad EARTH Costa Rica
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