Producción de Biogás

Estimados colegas y productores, este articulo enfoca con conceptos básicos la utilización de deyeccioneszootécnicas para la producción de biogás, que a mi entender es de fundamental importancia en la generación de energía para nuestras pequeñas y medianas granjas zootécnicas, la intención de este informe es poder iniciar un serio debate en lo que se refiere a la producción de energía utilizando tecnologías de simple implementación y de fácil adaptación para las diferentes regiones que nos compete. En mi humilde opinión es necesaria generar una integración entre los productores vecinos para poder generar proyectos de esta índole, espero que esta publicación sea de vuestro agrado y desde ya muchas gracias.

Fuente: La energía que llega de los animales.(Dr. Marzio Miodini)

Producción de Biogás - Image 1

Entre las numerosas fuentes alternativas de energía, el biogás, hoy por hoy resulta ser de particular interés en las instalaciones zootécnicas.

Introducción

A partir de los años ’70 y ’80 (actualmente se observa un fuerte despertar del tema específico),la sobresaturación de las fuentes energéticas convencionales y los aspectos económicos que se vinculan, han dado una gran importancia y por consiguiente profundas discusiones sobre las posibilidades y los limites de las consideradas energías renovables.

Por otro lado, el negativo impacto ambiental de las fuentes energéticas fósiles, ha sensibilizado mucho más la conciencia pública: basta pensar en temas muy debatidos como las variaciones climáticas y la deforestación.

Producción de Biogás - Image 2

El término “energías alternativas” (aquellas tradicionales) comprenden a diferentes fuentes energéticas que por las exigencias humanas pueden ser consideradas inagotables: en particular la “biomasa” constituye un potencial interesante en el ámbito del ciclo económico.

La “biomasa” se transforma
Entre las numerosas fuentes alternativas de energía hoy aprovechables, el biogás obtenido de la fermentación de sub-estratos orgánicos aquellos derivados de deyecciones animales, resulta ser de particular interés para los productores.
Al material de base, la deyección zootécnica, puede ser agregado los sub-estratos de origen vegetal, de derivación agrícola o agroindustrial. A veces es difícil comprender de los restos orgánicos cual es el fluido que produce energía no obstante el material de origen (vegetales, ensilados, forraje concentrado, etc.) que ya fue digerido por el animal.

A modo de ejemplo podemos hacer una comparación con un tractor; con el gasoil se alimenta el medio es decir con energía en forma química que viene transformada en otras formas de energía:

- Mecánica (movimiento del tractor, tracción, accionamiento PDP)
- Hidráulica (bombas y motores hidráulicos, elevadores)
- Neumática (mediante el compresor)
- Eléctrica (aunque se da sobre el tractor, es marginal respecto de las dos primeras)

Por lo tanto una parte conspicua de energía se pierde bajo la forma de calor, principalmente en los gases de descarga, pero además en el enfriamiento de los diferentes accesorios, mediante fluido de servicio (aire, agua, aceite) a través de los numerosos radiadores.

En realidad ya en el motor solo el 40 -50 % de la energía química inicial es convertida en energía mecánica; si se consideran además las otras pérdidas (enfriamiento, etc..), el trabajo útil que el tractor desarrolla es solamente el 20 % aproximadamente; si se pudiese aprovechar todo el calor perdido se podría calentar cómodamente una casa entera, de la misma forma se comporta el aparato digestivo de un cerdo, una parte de la energía en forma química, del alimento (azúcar,proteínas y grasas) viene consumida del animal, la mayor parte viene directamente expulsada como deyección.

Producción de Biogás - Image 3

Como en un tractor, pero en este caso ¿ habría o no posibilidades de eficientes aprovechamientos energéticos?. Al contrario de las técnicas que el ingenio humano ha desarrollado, la naturaleza no conoce desperdicios. En el sistema alimenticio, las sustancias que no vienen enteramente elaboradas de un organismo mas evolucionado van a formar la base vital para otros organismos: las deyecciones de los animales constituyen en realidad la “materia prima” para los pequeños organismos como insectos, bacterias, hongos.

En la producción de BIOGAS, las bacterias revisten un rol de suma importancia, ya que ellas viven de la materia orgánica y a su vez producen gas inflamable como producto de desecho. Por lo tanto el Biogás nace de la fermentación anaeróbica (sin emisión de oxigeno es decir aire) de sustancias orgánicas en ambiente acuoso. En forma natural este proceso se da dónde se recoge la materia orgánica, pero en este caso el oxigeno a disposición es insuficiente.

La actividad biológica esta condicionada por varios factores a saber:
el pH, la temperatura, la composición de la sustancia orgánica, la presencia de residuos antibióticos, los tiempos de retención, etc.

Además de la recuperación energética, esta tipología de instalaciones va evaluada sobre la base de las características físico-químicas del efluente: durante la fase de digestión anaeróbica se da un proceso de licuefacción de las sustancias sólidas como así también de una caída de potencial debido a la transformación de los compuestos del carbono, fácilmente degradable en metano y anhídrido carbónico. El efluente resulta estabilizado químicamente y sobretodo permanece inoloro además de perder un alto contenido de sustancia orgánica, BOD5, COD, sólidos totales y volátiles. La gran ventaja es que permanece invariable el poder fertilizante, constituyendo de tal forma un óptimo y precioso abono para el terreno. Es notorio que en un contexto prevalentemente zootécnico, este tipo de tratamiento de las deyecciones provenientes de los confinamientos porcinos y/o bovinos se verifican las siguientes ventajas:

Ofrece a la colectividad mejores condiciones higiénico-sanitarias por la caída de la carga bactérica y de los olores emanados de los efluentes durante el stock.
Confirma la utilización de una fuente energética renovable.
Garantiza un limitado impacto ambiental respecto de instalaciones convencionales dedicadas al tratamiento de efluentes de origen zootécnico.

Intervienen las Bacterias.
En general, la velocidad de las reacciones químicas aumenta con la temperatura, tal relación es válida por la descomposición y transformación de la sustancia orgánica aunque tales procesos conjugan la máxima velocidad en relación de un cierto valor y su rápida disminución posterior . Algunos grupos de bacterias ya vienen dañados a temperaturas de 40 – 45 ºC, otros a 55 ºC; pocos resisten a temperaturas hasta 80 ºC. En base a la resistencia al calor que tienen las bacterias, las mismas vienen clasificadas como:

- Psycrofilas: temperatura óptima 15-25 ºC, tiempo de permanencia en el digestor entre 30 y 40 días.
- Mesofilas: temperatura óptima 32-40 ºC, tiempo de permanencia en el digestor entre 10 y 15 días.
- Thermófilas: temperatura óptima 50-55 ºC, tiempo de permanencia en el digestor < a 10 días.

Las bacterias psycrófilas producen metano ya a temperaturas de 4ºC en los sedimentos de las aguas pero prefieren todavía temperaturas entre 14 y 20 ºC; las bacterias mesófilas trabajan a temperaturas comprendidas entre 20 y 45 ºC. Para una buena estabilidad del proceso, la mayoría de las instalaciones en agricultura funciona en estos intervalos de valores. Las bacterias thermófilas viven a temperaturas superiores a 45ºC, su actividad es óptima entre los 55 y 65 ºC. Los grupos thermófilas disponen de un poder de descomposición más eficaz y veloz pero necesitan de una mayor cantidad de energía para el calentamiento del sub-estrato y para la compensación de la pérdida de transmisión de la instalación.

Aumentos de temperatura hasta 50 ºC pueden causar un daño irremediable de las bacterias, es decir, si sucede, pueden pasar varias semanas sin que la producción de gas original venga reiniciada. Variaciones de la temperatura de la fermentación aunque limitadas pueden reducir en modo notable la producción de gas; unido ha este proceso, el tiempo de permanencia es otra condición importante del proceso de descomposición y depende del material elaborado en la instalación.

Elementos compactos de baja humedad (maíz ensilado, paja) exigen a 35 – 50 días; y viceversa con las sustancias líquidas como el suero de leche u otros compuestos que contienen azúcar se descomponen completamente en pocos días.
En las instalaciones agrícolas el tiempo de permanencia óptimo es de 30 – 40 días, pero puede reducirse si la instalación mesófila trabaja en condiciones thermófilas.

ESQUEMA DEL PROCEDIMIENTO DE PRODUCCÓN DE BIOGAS
Producción de Biogás - Image 4

TIPO DECOBERTURA PARA ACUMULACIÓN DE GAS FERMENTADO

Producción de Biogás - Image 5

MEZCLADOR DE BIOMASA

Producción de Biogás - Image 6

VISTA EXTERIOR DE FERMENTADOR: se puede observar el revestimiento metálico que es parte de la termo-ventilación

Producción de Biogás - Image 7

CENTRAL DE PRODUCCION ENERGETICA

Producción de Biogás - Image 8

ESQUEMA TIPO. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIOGAS

Aspectos Técnicos
El límite máximo de la concentración en sustancia seca del sub-estrato llega aproximadamente al 12 %; trabajar con concentraciones superiores resulta prácticamente imposible debido inicialmente por la dificultad al bombeo.
Para otros tipos de concentraciones no se habla más de fluido pero sí de sólido plástico. En este caso sub-entran otros problemas en el proceso de mezclado con la consiguiente insuficiente alimentación de las bacterias con materiales degradables.

En el caso opuesto, el límite mínimo de sustancia seca indicativamente debe ser al 2%.Si la mezcla no es correcta se verifica una estratificación del sub-estrato: los componentes más densos se concentran debajo reduciendo el aporte térmico del calentamiento del piso, mientras el material liviano y fibroso se recoge por arriba formando en pocas horas un estrato impermeable al gas.

La conformación de los fermentadores, deben por lo tanto consentir un fácil mezclado del contenido, evitando zonas no sujetas a mezclas (zonas muertas).Los tanques deben contener elementos aptos para el mezclado, calefacción y aislación ; estar dotados de adecuadas bocas para el llenado y vaciado de los recipientes como así también para la extracción del gas.

De acuerdo al sistema operativo adoptado en la planta (es decir si es una planta para efluentes zootécnicos únicamente o para una planta mixta anexando residuos industriales) puede ser aconsejable la instalación de una o mas estructuras de fermentación: en este segundo caso es posible hacer rendir en forma continua el ciclo de producción escalonando oportunamente las intervenciones de reparación y/o mantenimiento.

En las plantas de producción de Biogás los sistemas de calefacción deben compensar la perdida de calor que se manifiestan a través de los fermentadores y llevar a la correcta temperatura de régimen, agregando deyecciones frescas .Vienen utilizadas normalmente serpentinas para circulación del agua caliente derivada de la instalación de enfriamiento del motor de co-generación, paralelamente debe ser predispuesta una adecuada termo-ventilación del digestor para impedir perdidas de calor, para garantizar una temperatura constante independientemente de las condiciones climáticas externas, para efectivizar este criterio se puede emplear lana mineral o poli-esterol y viceversa como protección contra los agentes atmosféricos externos, se aconseja el uso de paneles revestidos en madera o chapa.

La tapa de los fermentadores viene constituidas normalmente con poliuretano expandido rígido o lana mineral. El piso debe ser continuo con árido fino, material de relleno o chapa.

Producción de Biogás - Image 10

Gestión y utilización del gas
Con respecto a las otras formas de energía renovables como el viento y el sol, la producción de biogás es caracterizada de una cierta constante en el tiempo y la buena posibilidad de conservación, esta última es una ventaja importante porque la producción de biogás y el relativo uso práctico no son siempre temporalmente coincidentes. En línea de máxima, una acumulación de biogás para la exigencia diaria resulta económicamente viable y conveniente, aunque es necesario analizar lo siguiente: en los acumuladores integrados, el espacio para la fermentación viene aprovechado como vano para el stock de gas gracias a una membrana que cierra la parte superior del contenedor o fermentador pero que hace imperioso un mantenimiento intensivo del mismo para proteger la membrana de los agentes atmosféricos De todos modos el gas viene quemado y saturado de vapor acuoso sin previo enfriamiento. Uno de los usos más comunes del biogás es en la producción de energía eléctrica, mediante verdaderas centrales termoeléctricas a bloques, se trata de plantas para la producción combinada de energía eléctrica y energía térmica. El generador es accionado mediante un motor endotérmico alimentado a biogás de modelos en serie con algunas modificaciones específicas.

La energía eléctrica es producida a través de un alternador accionado por el motor (55% del total producido), mientras el calor es recuperado del agua utilizada por el enfriamiento del motor (el restante 45%).El criterio base para evaluar la conveniencia económica de una central es la cuantificación de mercado de la energía eléctrica producida que es influenciada de manera significativa de los “certificados verdes” que integran en forma considerable el precio de Kw. producido de energías renovables.
En el caso en que exista la posibilidad de vender/ceder el calor producido en la planta, por ejemplo a través de la transformación en vapor y el transporte del mismo a infraestructuras que puedan aprovecharlo, se tendrá que considerar en estos casos el rédito obtenido debido a los antedichos certificados blancos (homologación de los certificados verdes pero relativos al calor/vapor).

Nota: En esta última ilustración he querido demostrar la nueva e innovativa técnica de stock de efluentes zootécnicos que argumentaré en próximos artículos, en dónde se reemplaza el tradicional tanque de hormingón armado por stock embolsado en sacos de PVC como muestra la figura en el pie de página.

Stock de efluentes embolsado en PVC (fácil montaje y traslado)

Producción de Biogás - Image 11

Que es el Biogas?
De la descomposición bioquímica de las sustancias orgánicas se origina una mezcla de gas que asume
diferentes denominaciones que según el ambiente de producción del mismo se podría llamar:

En agricultura: Biogás.
En las plantas de depuración: Gas de depuración
En las descargas: Gas de descarga.

El BIOGAS está compuesto sustancialmente de metano (CH₄), anhídrido carbónico (CO₂), ácido sulfídrico (H₂S), oxigeno (O₂), hidrógeno (H₂) y nitrógeno (N₂).
El gas es incoloro, relativamente inoloro (en relación al contenido de H₂S) y no es venenoso.

El límite de explosión de mezclado con el oxigeno varía según la presión y la temperatura en un intervalo comprendido entre 6 y 12 % (en volumen) de metano.
El anhídrido carbónico diluye el metano y reduce su poder calorífico mientras el ácido sulfídrico (H₂S) fácilmente reconocido por su típico y penetrante olor a “huevo podrido”, unido al vapor acuoso tiene un fuerte poder corrosivo.
Por lo tanto, para evitar daños en las plantas de producción de BIOGAS se debe mantener en bajos valores el contenido de ácido sulfidrico. Otros componentes del BIOGAS no tienen efectos negativos para la recirculación del gas pero son importantes indicadores en el funcionamiento del proceso de fermentación.

Los componentes en % son los siguientes:

Metano (CH₄), 55 - 80
Anhídrido Carbónico (CO₂), 20- 40
Acido Sulfídrico (H₂S), 0,1 - 2
Oxigeno (O₂) < 1
Hidrógeno (H₂) <1
Nitrógeno (N₂), 1 – 3

Para ver PRODUCCIÓN DE GAS - ANEXO: CLICK AQUÍ