Instalaciones de biogas a mediana y gran escala en Alemania

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En la Alemania actual es muy común encontrar plantas de biogas de mediana y gran escala. Aquí existe una gran tradicción y conocimiento relativo a la producción y utilización del biogas. Los alemanes han desarrollado diversas tecnologías para la obtención de biogas y ultimamente han desarrollado tecnologías que combinan varios procesos y biomasas para la obtención del mismo. Por otra parte, el gobierno alemán ha priorizado el estudio e investigación de fuentes renovables de energía como vía fundamental para reducir los gastos y hacerse autosuficientes en el tema energético, tema polémico y candente a nivel global, el cual ha desembocado en guerras y ambiciones de algunas potencias por un nuevo reparto de los recursos energéticos a escala global.

Para tener una idea del valor de los combustibles en Alemania se presentan los siguientes datos obtenidos en Septiembre del 2007.

Diesel = 1,199 $/l; Biodiesel = 1,169 $/l; Gasolina = 1,399 $/l; Gasolina super = 1,419 $/l y Gasolina super plus = 1,479 $/l.

De acuerdo con (Weiland, 2003), en la Alemania actual, en el sector agrícola se pueden encontrar plantas de biogas de diferentes capacidades, diseños, condiciones de operación y utilización de diferentes sustratos o residuos para la producción de metano.

Según (Weiland, 2003), a finales del año 2001 aproximadamente 1 650 plantas de biogas de mediana y gran escala estaban en funcionamiento. Estas plantas son capaces de generar calor y electricidad. Generalmente, estas plantas utilizan varios sustratos combinados para producir metano; esto es algo interesante y novedoso para los países en vías de desarrollo, los cuales utilizan como materia prima para la producción de metano, las excretas vacunas, porcina y humanas fundamentalmente. Para tener una idea del potencial de las instalaciones alemanas, es necesario destacar que: estas 1 650 instalaciones tienen una capacidad instalada total de 140 MW para la generación de electridad. Lo cual es un valor a considerar en cualquier país, máxime si se tiene en cuenta que: algunos países no disponen de abundantes recursos energéticos propios, támpoco financieros que le posibiliten la compra de petróleo en el mercado internacional a los precios actuales, para generar electricidad a través de plantas termoeléctricas.
Aproximadamente el 95 % de las plantas alemanas estan instaladas a nivel de campo, con biodigestores típicos de capacidad entre 200 y 1 200 m3.

Solamente un 5 % de estas plantas, estan instaladas a nivel centralizado y utilizan los residuos de estíercol vacuno de un grupo de suministradores, sin mezclar los mismos con otras biomasas. La capacidad típica de estas instalaciones oscila entre 30 000 y 90 000 m3/año, pero plantas con capacidad superior a 140 000 m3/año también estan en operación.

Otro aspecto muy particular en el caso alemán, es la utilización de diferentes biomasas agrícolas e industriales para su mezcla con excretas de origen animal, con la finalidad de producir metano. Este aspecto lo abordaremos posteriormente en el trabajo.

Objetivo general: Brindar información de las caracterísicas y particularidades de las plantas alemanas de biogas de mediana y gran escala.
Para darle cumplimiento al objetivo del trabajo, se planteron dos tareas básicas:

  1. recopilar información acerca de estas instalaciones;
  2. visitar in situ algunas de ellas.

Materiales y métodos: Siguiendo el orden de nuestra investigación, el primer paso fue realizar una profunda investigación bibliográfica. Para lo cual contamos con la colaboración y el apoyo de profesores y técnicos de la Universidad de Rostock y de la Universidad de Hohenheim, en Stuttgart.

En estas Universidades se investiga a profundidad los siguientes aspectos:

  1. cultivos energéticos;
  2. producción de biogas a escala de laboratorio.

Las investigaciones en estos dos campos se ha intensificado en los últimos cinco años y se prevee un desarrollo y escalado a nivel productivo acelerado en los próximos años.

De acuerdo con (Weiland, 2003), la producción de energía es el principal objetivo de la digestión anaeróbica, y para lograr un buen rendimiento en las plantas de biogas, se debe tener una biomasa que sea la idónea para producir el mismo. En investigaciones anteriores, los alemanes han determinado que el rendimiento de las excretas vacunas y porcinas utilizadas como biomasa oscila entre 25 y 36 m3/ t de masa fresca, debido a que el contenido de materia seca orgánica de las mismas es bajo (2 a 10 %). Por tal motivo, ellos consideran antieconómico utilizar estas biomasas sin mezclar, para producir metano (biogas). En la actualidad, más del 90 % de las plantas alemanas para la producción de biogas utilizan varios sustratos tales como: residuos industriales de alimentos, agrícolas, de mercados, de cantinas y del sector municipal. Mezclando los mismos con excretas vacunas y porcinas fundamentalmente. Esta experiencia ha comenzado en 1999, continuando en la actualidad y según (Weiland, 2003), solamente el 7 % de las plantas de biogas alemanas operan con excretas vacunas y porcinas sin mezclar con otros sustratos.

Las excretas vacunas y porcinas se utilizan en el proceso de obtención de biogas mezcladas con otros sustratos, debido a la alta capacidad que tienen estas biomasas de estabilización del pH; por otra parte, la utilización de residuos industriales de alimentos y agrícolas (pulpas de frutas, vegetales y residuos de semillas oleaginosas), son ideales como sustratos para la digestión anaeróbica, ya que no contienen contaminantes, patógenos, metales pesados etc.

Las grasas tienen un alto rendimiento en la producción de biogas, pero como en la actualidad varias enfermedades de origen animal se han vuelto a presentar bajo causas practicamente desconocidas, solamente se utilizan los aceites de procedencia vegetal. Los residuos provenientes de restaurantes, mercados y el área municipal, necesitan un pre-tratamiento para reducir el tamaño de partícula, separar los posibles contaminantes al proceso de digestión y facilitar la aplicación posterior de los residuos tratados anaeróbicamente al suelo.

Por tal motivo, un tratamiento de pasteurización a 70 oC durante una hora, es necesario realizar a los mismos, para eliminar los gérmenes patógenos. Estos residuos son utilizados generalmente en instalaciones de biogas de gran escala, ya que las instalaciones para el pre-tratamiento necesario son costosas y muchos productores agrícolas no disponen del financiamiento necesario para emprender estas inversiones; el pre-tratamiento por pasteurización es importante, ya que disminuye los riesgos por enfermedades que pudieran presentarse en los cultivos y en la cría animal una vez aplicados a los suelos los residuos tratados anaeróbicamente.

Según (Weiland, 2003), el uso de diferentes biomasas agrícolas mezcladas con excretas vacunas y porcinas constituye una interesante alternativa para la producción de biogas en Alemania. Este autor plantea que en Alemania existe suficiente disponibilidad de tierras para estos fines. Por otra parte (Weiland, 2003), plantea que muchos cultivos agrícolas tales como: las raices y los tubérculos, los granos y muchos cultivos forrajeros pueden ser utilizado en estos fines, sólo que deben ser cosechados en su madurez técnica (antes que comienze el proceso de lignificación), para obtener el máximo rendimiento de los mismos en la producción de metano. Este mismo autor brinda algunos datos interesantes acerca de la producción de metano por tonelada de materia seca y por área de siembra, de varios cultivos agrícolas bajo las condiciones de Alemania. A continuación se presentan como referencia a tener en cuenta en otras latitudes. Ver tabla 1 y 2.


Tabla 1. Rendimiento en la producción de metano de varios cultivos agrícolas en las condiciones de Alemania (m3/t de materia seca).


Cultivos

Forraje de remolacha + hojas

Papas

Maíz

Trigo

Cebada

Rape

Ryegrass

Alfalfa

Clover

Marrowsternkale

Rendimiento (m3/t MS )

456

276

410

390

360

340

410

410

350

255


Tabla 2. Rendimiento en la producción de metano de varios cultivos agrícolas en las condiciones de Alemania (m3/ha.año).

Cultivos

Forraje de remolacha + hojas

Papas

Maíz

Trigo

Cebada

Rape

Ryegrass

Alfalfa

Clover

Marrowstern kale

Rendimiento (m3/ha.año )

5 800

2 280

5 780

2 960

2 030

1 190

4 060

3 965

2 530

1 680

Como se puede apreciar en las tablas 1 y 2, existen diferencias entre los diferentes cultivos en su potencialidad para producir metano, tanto en su rendimiento expresado en m3/t de materia seca, como expresado en m3/ha.año. Dentro de los raices y tuberculos se destacan la remolacha y la papa, dentro de los granos el maíz y el trigo; mientras que dentro de los forrajes el reygrass y la alfalfa.

Otras consideraciones que plantea (Weiland, 2003), es la posibilidad de obtener e introducir nuevas variedades de cultivos con alto rendimiento de materia seca por hectáreas, estos pudieran ser cosechados dos veces por año y serian utilizados fundamentalmente con fines energéticos y no como alimentos.

(Weiland, 2003), plantea que la primera cosecha de la Cebada de invierno se pudiera realizar a finales de Mayo, donde ese cultivo se encuentra con madurez técnica (antes del comienzo de la lignificación), este estado corresponde con el máximo rendimiento de masa seca por hectárea del cultivo, por lo que se puede obtener un alto rendimiento en su biodegradación. Esta cosecha temprana, permite la siembra de otro cultivo (por ejemplo Maíz), el cual puede ser cosechado en Octubre antes de su total maduración. Esto permitiría rendimientos de masa seca mayores de 20 t/ha.año, los cuales están por encima del rendimiento de este cultivo (12 a 15 t de masa seca/ha/año.

Todos los cultivos energéticos pueden ser preservados mediantes técnicas de ensilaje, lo cual permite un almacenamiento prolongado de los mismos.



Fig.1. Diferentes tipos de silos utilizados en cultivos energéticos. Fuente: (Weiland, 2003).

Dependiendo de las propiedades físico-mecánicas y químicas de los diferentes sustratos utilizados como biomasas, a los mismos se le aplican diferentes tecnologías de ensilaje. Las más comunes son: silos de torre, silos líquidos, silos planos bunker y silos bunker. Un diagrama esquemático de los mismos se aprecia en la figura 1.

$/l- Euros por litros.

MW-Megawatts.

Por otra parte, en dependencia de las propiedades físico-mecánicas y químicas de los sustratos, procesos de fermentación húmeda o seca pueden ser empleados para su digestión anaeróbica en cultivos energéticos o en mezclas de cultivos con excretas vacunas, porcinas o avícolas. La figura 2 presenta un diagrama esquemático de lo señalado anteriormente.



Fig.2. Diferentes procesos para la producción de biogas. Fuente: (Weiland, 2003).


La fermentación húmeda debe ser ejecutada con sustratos que tengan un rango de 10 a 13 % de materia seca en sus sólidos totales. En el caso de residuos sólidos agrícolas, los residuos deben ser mezclados con agua recirculada de tratamientos anteriores o excretas y pre-acondicionados para su procesamiento. Estas pueden ser suministradas directamente al biodigestor mediante sistema especiales de carga. La mezcla y el pre-acondicionamiento es aplicado a todos los tipos de sustratos, lo cual hace que la demanda de energía sea alta, ya que este proceso se repite antes de cada alimentación de sustratos al biodigestor. Muchos sistemas de alimentación al biodigestor han sido creados, los más aplicados son: el sistema flushing (a chorro) y el sistema de tornillo sinfin alimentador. El sistema flushing se utiliza para sustratos de alta densidad, mientras que el sistema de tornillo sinfín es utilizado en ensilajes de materiales con fibras pequeñas, como son el ensilaje de maiz o mezclas de mazorca de maíz (corncob). La figura 3 presenta algunos sistemas de alimentación para cultivos energéticos sólidos.



Fig.3. Diferentes sistemas de alimentación de cultivos energéticos sólidos.
Fuente: (Weiland, 2003).

De acuerdo con (Weiland, 2003), la cadena tecnológica para producir metano a través de cultivos energéticos contiene los siguientes pasos: producción de cultivos energéticos-cosecha-almacenamiento en seco(prensado o embalado)-ensilaje-metanización-producción de biogas-almacenamiento de los residuos tratados- utilización de los residuos tratados.

Para darle cumplimiento a la segunda tarea de investigación planteada en este trabajo, se visitó la Universidad de Hohenheim, Stuttgart. Allí se pudo apreciar las investigaciones en ejecución en sus laboratorios y la introducción de algunos de sus resultados investigativos en la producción. Con tal objetivo se visitaron dos plantas de biogas en los alrededores de la ciudad de Stuttgart.

La primera planta de biogas visitada utiliza como sustratos para la producción de biogas, la codigestión de excretas vacunas y cultivos agrícolas diversos, tales como: maíz, papas, y variedades de plantas utilizadas como forraje animal. La familia que posee esta instalación, mantiene una estrecha relación con los investigadores del tema de biogas de la Universidad de Hohenheim. Por lo cual se desprende, que están bien asesorados técnicamente. Según entrevista con el propietario de la planta de biogas, ellos utilizan el biogas fundamentalmente para la producción de electricidad y calor. Por tal motivo, reciben una bonificación monetaria del gobierno alemán, la cual está recogida en la ley de energía renovable (Gesetz Energie Erneuerbar). Esta instalación tiene un costo aproximado de 45 000 euros. El área de tierras que posee la famila está alrededor de las 80 ha, esta gran extensión de tierras, no es común en los agricultores alemanes del antiguo oeste.

Las figuras 4, 5, 6 y 7 muestran algunos detalles de la primera planta de biogas visitada y algunas instalaciones aledañas a la misma.


Fig. 4. Biodigestor cerrado continuo.


Fig.5. Contenedor con generador eléctrico acoplado


Fig. 6. Silo flat bunker abierto para alimentar la planta de biogas. Fuente: archivo del autor


Fig.7. Trailer para espacir el biofertilante.

La segunda planta visitada, utiliza para la codigestión residuos de alimentos (cantinas), mezclados con cultivos energéticos tales como: maíz, variedades de plantas forrajeras y otros. En este caso es necesario un pre-tratamiento de pasteurización antes del proceso de metanización, como se ha explicado con anterioridad. Investigaciones en el campo de la producción de biogas utilizando residuos fisiológicos y de cantina han sido desarrollados por (Kujawa-Roeleveld K et al, 2003), por lo tanto se recomienda revisar esta fuente. Detalles de los sustratos utilizados en la segunda planta de biogas visitada en las cercanias de Stuttgart (maíz y residuos de cantina); así como de la planta de pasteurización empleada, se muestran en las figuras 8, 9, 10 y 11.



Fig.8. Variedad de Maíz en estudio.


Fig. 9. Algunos de los residuos de cantinas


Fig.10. Depósito de residuos para su posterior tratamiento.


Fig.11. Tanques de pasteurización.
Fuente: archivo del autor.

Finalmente se presentan algunas empresas suministradoras de estas tecnologías en Alemania y algunos datos de funcionamiento de una planta de fermentación húmeda:

Empresas suministradoras:

agraferm technologies;
NatUrgas GmbH;
COWATEC GMBH;
BIOFERM GmbH;
Biogas Weser-Ems GmbH and Co.KG;
MT-Energie GmbH and Co.KG;
Biogastechnik GmbH;
WEL:tec BioPower GmbH;
CentriGas.

Datos de funcionamiento de una planta de fermentación húmeda:

. Capacidad = 1,2 -2 MW;
. Producción de gas = 750 a 850 m3/h;
. Producción de electricidad = 1,5 – 1,8 MWh/d;
. Utilizacion de calor = 0,1 – 1 MWh;
. Consumo de potencia de la planta = 7,6 %;
. Horas de operación = 22.4 – 23.1 h;
. Horas a máxima carga = 75-90 %;
. Intervalo de cambio de aceite al motor del generador = 1300 – 1800 h;
. Intervalo para el cambio de bujías = 2500 a 3500 h;
. Volumen de carga = 3,8 – 4,2 kg de sólidos totales/m3 de materia fresca;
. Tiempo de retención = 42 días.
Estos datos pueden variar en un ligero rango en dependencia del fabricante.

Resultados y discusión:

La experiencia alemana de producir metano a través de la codigestión de varios sustratos está asentada en los resultados de sus investigaciones a lo largo de muchos años. Esta tecnología está madura y puede ser introducida en cualquier lugar. El aspecto candente de la misma es la competencia de diversos productos agrícolas tradicionalmente utilizados como alimento animal y humano, con los destinados a producir energía.

La experiencia alemana también ha sido introducida simultaneamente en otros paises de europa, como es el caso de Suiza, entre otros. Allí también se han producido debates acerca de la factibilidad económica de esta tecnología; en los trabajos de (Svensson L M et al, 2005) y (Svensson L M et al, 2006) se puede encontrar importante información al respecto.

En las américas, los Estados Unidos de Norteamérica han motivado a diversos paises de la región (México, Brasil, Colombia y otros), ha producir alcohol (etanol) a gran escala, utilizando cultivos agrícolas tradicionalmente utilizados para la alimentación animal y humana (caña de azúcar y maíz). Esto ha traido repercusiones negativas en el aumento del precio de algunos de ellos (maíz), el cual es considerado en Centro y Sur américa como su alimento básico.

A comienzos de Septiembre del 2007 en España, se ha visto un incremento de los precios en los alimentos básicos entre un 10 y 40% de su valor anterior; esto gravita negativamente sobre las economías familiares y muy particularmente en aquellas de bajos ingresos. Dentro de los alimentos que han subido su precio, se encuentran: el pan, la leche, las carnes, los huevos y los cereales. Lo anterior está motivado por la competencia de los productos agrícolas utilizados como combustibles energéticos con los productos agrícolas destinados a la alimentación humana y animal. En Alemania, los precios de la leche y sus derivados ha subido este verano un 17 %. Este resultado negativo, pudiera extenderse como un efecto dominó al resto de toda Europa.

Otras alternativas muy interesantes para la producción de biogas se investigan y desarrollan en la actualidad, dentro de ellas, la descrita por (Köttner M et al, 2003), merece la atención y seguimiento de todos los interesados en el tema.

Conclusiones:

La experiencia alemana de la construcción y explotación de plantas de biogas a mediana y gran escala; con codigestión de varios sustratos para producir metano con altos rendimientos y aprovechar el mismo para generar electricidad y calor, está basada en un alto desarrollo científico e investigativo en el tema realizado por los alemanes. Esta alternativa es válida para las condiciones de desarrollo de Alemania y el gobierno alemán la apoya a todos los niveles.

En la Alemania actual, los alimentos con destino animal y humano están garantizados y no parece predecible una crisis en este sector, en los años venideros. En Alemania, su problema actual es energético y en este sentido está enfocada su política económica y científica a largo plazo.

Queda por ver, si la utilización de sustratos de origen agrícola (vegetal), no atenta contra el incremento de los costos de producción de los alimentos básicos en el caso alemán. Es conocido por todos, que para la cría animal y para el consumo humano, estos son vitales. Por tal motivo, un incremento en el valor de alimentos básicos tales como: leche y sus derivados, carnes, huevos y los cereales (granos), pudiera presentarse en un futuro inmediato en Alemania.


Recomendaciones:

  1. Seguir de cerca la experiencia alemana con vistas a valorar sus aciertos y limitaciones, para extrapolar estas tecnologías, donde sea posible y factible, teniendo siempre en cuenta los puntos de vista económicos y sociales.

Bibliografia:

  • Köttner M; Kaiser A; Viviana A. M. 2003. Tecnología de fermentación en seco para la producción de biogas- un mecanismo práctico para el saneamiento de ciclo cerrado, estabililización de residuos y recuperación de nutrientes. 2do simposio internacional sobre saneamiento ecológico, Abril del 2003. ECOSAN. Symposium. Luebeck. Alemania, 2004. 423-430 p.

  • Kujawa-Roeleveld K; Elmitwalli T; van Leeuwen M; Tawfik A; de Mes T; Zeeman G. 2003. Digestión anaeróbica de residuos fisiológicos y desperdicios de cocina para la gestión de recursos en el sistema DESAR. 2do simposio internacional sobre saneamiento ecológico, Abril del 2003. ECOSAN. Symposium. Luebeck. Alemania, 2004. 439-448 p.

  • Svensson L M; Christensson K; Björnsson L. 2005. Biogas production from crop residues on a farm-scale level: is it economically feasible under conditions in Sweden?. Bioprocess Biosyst Eng (2005) 28: 139-148.

  • Svensson L M; Christensson K; Björnsson L. 2006. Biogas production from crop residues on a farm-scale level in Sweden: scale, choice of substrate and utilisation rate most important parameters for financial feasibility. Bioprocess Biosyst Eng (2006) 29: 137-142.

  • Weiland P. 2000. Anaerobic waste digestion in Germany-Status and recent developments. Biodegradation 11: 415-421, 2000.

  • Weiland P. 2003. Production and Energetic Use of Biogas from Energy Crops and Wastes in Germany. Applied Biochemistry and Biotechnology, vol.109, 2003.
 
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