Estado del arte de la investigación de la biomasa como alternativa energética

Introducción

La energía en su mayor parte se produce con combustibles fósiles como el petróleo y el carbón. Sin embargo, en los últimos años se ha venido implementando un conjunto de nuevas tecnologías que utilizan la biomasa como combustible, generando un porcentaje de energía limpia, el cual reduce los Gases de Efecto Invernadero (GEI) que tanto daño está causando a nuestro planeta tierra, estos gases que afectan el medio ambiente son: el metano (CH4), el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO2), los cuales causan el efecto del calentamiento global del planeta (Carmona et al., 2005).

Biomasa, según el Diccionario de la Real Academia Española, tiene dos acepciones:

• 1. f. Biol. Materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de área o de volumen.

• 2. f. Biol. Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía (Española, 2012).

La primera acepción se utiliza habitualmente en Ecología. La segunda acepción, más restringida, se refiere a la biomasa 'útil' en términos energéticos formales: las plantas transforman la energía radiante del Sol en energía química a través de la fotosíntesis, y parte de esa energía química queda almacenada en forma de materia orgánica; la energía química de la biomasa puede recuperarse quemándola directamente o transformándola en combustible (biogás).

Energía Renovable: Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la eólica, geotérmica, hidroeléctrica, maremotriz, solar, undimotriz, la biomasa y los biocombustibles (Wikipedia, 2012).

Como se menciono en la definición de biomasa, es una fuente de energía renovable del cual se puede obtener "biogás" la bibliografía especializada hace referencia de diversa manera la historia y la naturaleza del biogás, pero todos coinciden en señalar que es el gas biológico combustible obtenido mediante la digestion anaeróbica de los compuestos o materia de origen organico, es decir bacterias que se encargan de descomponer el residual orgánico, produciendo una fermentación anaeróbica en ausencia de oxigeno, cuyo principal componente es el metano (CH4), e identificado por primera vez en 1667, por shiley, como "gas de pantanos". Se afirma que la primera instalación de biogás se construyó en 1859 en Bombay, India para el tratamiento de excretas humanas, y el gas que en ella se generó fue utilizado para el alumbrado; a partir de ese momento se ha incrementado el número de biodigestores, y actualmente funcionan en ese país alrededor de doscientas mil unidades. China es hoy la región que tiene un mayor número de este tipo de instalaciones, aproximadamente 6,7 millones (Sorrondequí, 2012).

El biogás es un gas compuesto por alrededor de 60% a 66% de gas metano (CH4) y 33% a 40 % de bióxido de carbono (CO2) y otras cantidades minimas de gases, entre ellos 1 % de ácido sulfhídrico (H2S). Es un poco más livianos que el aire y posse una temperatura de inflamción de 700 0C, y su llama alcanza una temperatura de 870 0C. Con un contenido de metano mucho menor de 50 %, el biogás deja de ser inflamable. Su poder calorifico promedio es de 5000 Kcal. Un metro cúbico de biogas permite generar entre 1.3-1.6 KWh, que equivalen a medio litro de petróleo, aproximadamente (J. E. Coto, 2007).

El biogas puede ser utilizado como cualquier otro combustible, tanto para la cocción de alimentos, en sustitución de la leña, el keroseno, el gas licuado, etc., tambien puede utilizarse para el alumbrado, mediante lámparas adaptadas. Las mezclas de biogás con aire, en una relación 1:20, forman un gas detonante altamente explosivo, lo cual permite que tambien sea empleado como combustible en motores de combustión interna adaptados (Cadavid, 1998).

CAPITULO I

Marco teórico

• 1. LAS FUENTES RENOVABLES DE ENERGIA.

Las fuentes renovables de energía (FRE), o fuentes limpias de energía, por excelencia son la energía solar y sus manifestaciones como el viento, que es producto de un calentamiento desigual de la Tierra por parte de la radiación solar; la hidráulica, que tiene su origen en la evaporación, también por la acción del calor solar, del agua de los océanos, lagos y ríos, encharcamientos, etcétera, y su posterior condensación y caída en forma de lluvia; la biomasa, que es materia orgánica que está formada por arbustos, árboles, pastos, cultivos, residuos orgánicos, que se nutrieron con la participación de la energía del sol; el oleaje marino, que es a su vez ocasionado por el viento, entre otras, en la figura 1 se puede observar las FRE. La energía geotérmica y la de las mareas también se consideran renovables, aunque son quizás, junto con los combustibles nucleares, las únicas fuentes energéticas que no tienen su origen en el sol. Sin embargo el petróleo y sus derivados, así como el carbón mineral, se formaron durante millones de años a partir de la fosilización de biomasa en procesos energéticamente muy poco eficientes, los cuales emanan gases contaminantes en la atmosfera, produciendo el Efecto Invernadero (GEI) que tanto daño está causando a nuestro Planeta Tierra ya que genera cambios climáticos que afectan a todas las especies animales y plantas, estos gases que afectan el medio ambiente son: el metano (CH4), el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO2), los cuales causan el efecto del calentamiento global del planeta (Carmona et al., 2005).

Figura 1 Fuentes Renovables de Energía (FRE)

• 2. EVOLUCION HISTORICA DE LA APLICACIÓN DE LAS FUENTES RENOVABLES.

Durante milenios el hombre basó su consumo energético en las fuentes renovables de energía; desde su origen empleó biomasas para cocinar sus alimentos y calentarse; hace mas de 6,500 años ya empleaba la energía del viento para propulsar embarcaciones y posteriormente la empleó para moler sus granos y para irrigar sus campos de cultivo. Se tienen referencias sobre proyectos del emperador Hammurabi para irrigación empleando la energía eólica que data del 1700 A.C. (Ricón Mejia, 2006)

Posteriormente los persas, los griegos, los chinos, los holandeses, etc., emplearon con éxito a través de los siglos la energía del viento. En la actualidad existen aún en operación algunos centenares de aerobombas del tipo multipala, del cual se fabricaron más de seis millones, después de su invención en 1854.

Fue el descubrimiento de grandes yacimientos de combustibles fósiles, y el desarrollo de las tecnologías que permitían su explotación, la causa de que cayeran en desuso estos pequeños sistemas descentralizados de aprovechamiento de las fuentes renovables de energía, y de que se establecieran en su lugar sistemas altamente centralizados, que si bien ofrecían energía abundante y barata para el desarrollo industrial, trajeron consigo la implantación de patrones de consumo irracional de ésta y como consecuencia el deterioro del medio ambiente, crecimiento desbordado de las ciudades, con los problemas que esta genera, aunado con el abandono gradual del sector rural.

A partir de entonces, la evolución de los sistemas de aprovechamiento de las FRE se ha caracterizado por una sucesión de períodos de entusiasmo seguidos por otros de estancamiento, que han dependido de los costos y disponibilidad de los recursos fósiles. El periodo de gran entusiasmo comprendió los inicios de los 50"s y mediados de los 60"s, en el que se funda la Sociedad Internacional de Energía Solar (ISES) en 1954 y se efectúa la conferencia mundial de la ONU sobre fuentes nuevas de energía en 1961, siguió un periodo de estancamiento ocasionado por los bajos precios del petróleo.

El embargo petrolero árabe de 1973, que recientemente cumplió 39 años de haberse realizado, originó como reacción en los países industrializados afectados (Noruega, Holanda, US, China, Alemania, Japón, Gran Bretaña, India), el establecimiento de programas y políticas orientados a la sustitución del petróleo como fuente energética con base en gran medida en las FRE, con lo que se impulsó nuevamente su investigación y desarrollo. Paralelamente se busco la diversificación de proveedores de petróleo, y el ahorro de energía en la industria, el transporte, etc. Tanto éxito tuvieron las medidas de ahorro (y se sigue avanzando en este sentido, como ejemplo podemos mencionar la eficiencia que se ha desarrollado en los motores de los automóviles), que la demanda de energía en esos países se vio drásticamente detenida, ocasionando esto a su vez, una tendencia a la baja en los precios del petróleo y una nueva disminución de los presupuestos oficiales para investigación y desarrollo de FRE, ya que un porcentaje del producto interno bruto (PIB) de la explotación del petróleo se destina para la investigación. A 39 años de distancia, actualmente el consumo per cápita de petróleo en los EUA es muy inferior al correspondiente a 1973, pero las importaciones de crudo por parte de ese país, se han incrementado en forma neta a niveles récord muy superiores a los de aquel año, seguramente por lo bajo que está su precio en el mercado internacional, gracias a políticas y acciones enfocadas a ese fin.

En ese breve periodo (crisis petroliferas1973 y 1979), se lograron desarrollar sistemas confiables, eficaces y altamente rentables desde el punto de vista económico. Ejemplo de ellos son los aerogeneradores empleados ya por millares, los diversos sistemas de calefacción para uso doméstico, la producción de miles de metros cuadrados de módulos fotovoltaicos y la producción de metanol y su empleo como combustibles a partir de biomasas.

La creciente inclusión de los costos del daño ambiental (llamada internacionalmente costos ambientales) a nuestro planeta tierra, ocasionados por la explotación del petróleo nos llevan a tomar medidas en los procesos de generación de energía, traerá aparejados nuevos referentes y reformulaciones sobre la rentabilidad real de los proyectos de implantación de las FRE. Esta internalización de los costos ambientales puede representar una de las transformaciones estructurales del mercado de los energéticos más significativos, debido a que las FRE se consideran energías limpias, desde la implantación del petróleo como fuente predominante en la base energética mundial.

Debido al factor de daño ambiental, al desarrollo tecnológico propio de algunas FRE y a los costos de calidad incorporados en el precio de los combustibles fósiles, actualmente se vislumbra un panorama de expansión en el uso de las FRE a nivel mundial y previsible, con dicha expansión y con el fortalecimiento de los aún incipientes mercados, se producirá, a su vez, otra transformación estructural en estos mercados que incluye: economías de escala en su producción y comercialización, difusión general de sus tecnologías y una aceptación cultural que harán posible el uso creciente y generalizado de dichas energías.

• 3. BIOMASA FUENTE RENOVABLE DE ENERGÍA.

El uso de la biomasa (plantas, hojas secas, desechos animales) es casi tan viejo como el hombre. Basta con secarlas y quemarlas para obtener energía térmica. Sin embargo, esta forma rudimentaria de utilizarlas, contribuye en gran medida a la deforestación y la secuela de problemas que ésta acarrea (disminución en la productividad de la tierra, desertificación). Esta situación se irá agravando cada vez más mientras el principal energético del medio rural siga siendo la leña. Urge pues, dotar al sector rural de una fuente alterna de energía.

Como ya se menciono anteriormente, la biomasa primaria es la vegetal, sin embargo, ésta puede ser transformada por otros seres vivos que se nutren de la misma y generan la denominada biomasa animal o biomasa de los residuos animales. Asimismo, diversas actividades industriales que manejan biomasa vegetal o animal generan subproductos. Los núcleos de población, fruto de la actividad cotidiana de sus habitantes, también generan residuos, en la siguiente figura 2 se presenta estas fuentes de biomasa.

Una buena opción consiste en generar gas metano a partir de la fermentación de la materia orgánica contenida en los desechos animales y humanos, por la acción de las bacterias anaerobias dentro de digestores.

Figura 2.- Fuentes de biomasa.

El metano podría emplearse para cocinar alimentos o en alguna otra aplicación como por ejemplo en la generación de electricidad y potencia calorífica para las calderas. Esta alternativa tiene la ventaja de proporcionar, además del gas, fertilizantes productos de la fermentación y un medio para deshacerse de desechos que podrían constituir focos de infección, contaminación del suelo y del agua.

• DEFINICION DE BIOMASA

Biomasa, según el Diccionario de la Real Academia Española, tiene dos acepciones:

• 1 f. Biol. Materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de área o de volumen.

• 2 f. Biol. Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía (Española, 2012).

La primera acepción se utiliza habitualmente en Ecología. La segunda acepción, más restringida, se refiere a la biomasa 'útil' en términos energéticos formales: las plantas transforman la energía radiante del Sol en energía química a través de la fotosíntesis, y parte de esa energía química queda almacenada en forma de materia orgánica; la energía química de la biomasa puede recuperarse quemándola directamente o transformándola en combustible (biogás).

• TIPOS DE BIOMASA

Atendiendo a su origen, podemos clasificar la biomasa, de la cual se puede extraer la energía útil para la humanidad, en: Residuos Sólidos Agrícolas, Residuos Sólidos Forestales, Cultivos Energéticos y Residuos Sólidos Urbanos (Dirección General de Industria, Energia y Minas, 2002). En la siguiente figura 3 se muestra los tipos de biomasa.

Figura 3 Tipos de biomasa (Dirección General de Industria, Energia y Minas, 2002)

• a. Residuos Sólidos Agrícolas: Entendemos como Residuos Sólidos Agrícolas aquellos que provienen de cultivos leñosos o herbáceos. Estos restos se obtienen de los restos de los cultivos, y también de las limpiezas que se hacen en el campo para evitar las plagas o los incendios.

• b. Los Residuos Forestales: Estos residuos pueden venir, por un lado, del mantenimiento y la mejora de las montañas y masas forestales cuando se hacen podas, limpiezas, etc., por otro lado, son los residuos resultantes de cortar los troncos de los árboles para hacer productos de madera, como muebles, etc.

• c. Los Cultivos Energéticos: Son unas plantaciones de crecimiento rápido, destinados únicamente a la producción de energía, estos cultivos energéticos se clasifican en cuatro tipos:

• Cultivos tradicionales: Se trata de cultivos que ha utilizado el hombre tradicionalmente y que ya no son rentables en su aplicación alimenticia o industrial habitual. Entre estos cultivos pueden señalarse los cereales, la remolacha, la caña de azúcar.

• Cultivos pocos frecuentes: cultivos que pueden implantarse en terrenos difíciles de explotar por los cultivos destinados a la alimentación. Pueden mencionarse las plantaciones de pitas (henequén, sábila, maguey), cardos (onopardun).

• Cultivos acuáticos: Un altísimo porcentaje de la superficie terrestre esta cubierta de agua, donde los rayos solares alimentan a un considerable número de plantas acuáticas. Algunas de estas plantas, entre los que se pueden señalar las algas, Macrocystis, Nerocystis, en aguas saladas, y el jacinto de agua, en agua dulce, podían cultivarse con finalidad energética.

• Cultivos óptimos para la obtención de combustibles líquidos. Hay plantas con propiedades similares a las de los derivados del petróleo que , mediante un sencillo tratamiento, pueden proporcionar combustibles líquidos. En este sentido pueden señalarse la planta africana (elaeis guineensis), la tabaiba ( euphorbia lathyris), etc.

• d. Los Residuos Sólidos Urbanos: Se refiere a la basura doméstica, denominada RSU, el tratamiento y eliminación de estos residuos constituye un problema cada día más agobiante debido a su incesante crecimiento, a medida que aumente la población y el nivel de vida de la misma. Los desechos tienen un alto contenido en materia orgánica, y otros componentes, como el papel, con un poder calorífico similar al de los carbones de baja calidad (Eléctrica, Guía del electricista, 2012). Actualmente, con tecnologías muy diversas, se extrae la energía que nosotros hemos depositado en el contenedor de la calle en forma de bolsa de basura, los cuales se seleccionan para poderlos reciclar y recuperar todo lo que sea posible. La fracción no reciclable recibe diversos tratamientos: a menudo, se sitúa en depósitos controlados, se incinera o es tratada para obtener "composta". El cual se utiliza en el campo agrícola para fertilizar. (Cadavid, 1998)

• 4. BIOGAS

La bibliografía especializada hace referencia de diversa manera la historia y la naturaleza del biogás, pero todos coinciden en señalar que es el gas biológico combustible obtenido mediante la digestion anaeróbica de los compuestos o materia de origen organico, es decir bacterias que se encargan de descomponer el residual orgánico, produciendo una fermentación anaeróbica en ausencia de oxigeno, cuyo principal componente es el metano (CH4), e identificado por primera vez en 1667, por shiley, como "gas de pantanos". Se afirma que la primera instalación de biogás se construyó en 1859 en Bombay, India para el tratamiento de excretas humanas, y el gas que en ella se generó fue utilizado para el alumbrado; a partir de ese momento se ha incrementado el número de biodigestores, y actualmente funcionan en ese país alrededor de doscientas mil unidades. China es hoy la región que tiene un mayor número de este tipo de instalaciones, aproximadamente 6,7 millones (Sorrondequí, 2012).

El biogás es un gas compuesto por alrededor de 60% a 66% de gas metano (CH4) y 33% a 40 % de bióxido de carbono (CO2) y otras cantidades minimas de gases, entre ellos 1 % de ácido sulfhídrico (H2S). Es un poco más livianos que el aire y posse una temperatura de inflamción de 700 0C, y su llama alcanza una temperatura de 870 0C. Con un contenido de metano mucho menor de 50 %, el biogás deja de ser inflamable. Su poder calorifico promedio es de 5000 Kcal. Un metro cúbico de biogas permite generar entre 1.3-1.6 KWh, que equivalen a medio litro de petróleo, aproximadamente (J. E. Coto, 2007).

• MECANISMOS DE PRODUCCION

Un biodigestor es un compartimiento hermético, en el cual la materia orgánica se fermenta en ausencia de oxígeno, generando un gas combustible que posee aproximadamente 66 % de metano y 33 % de bióxido de carbono (FAO, 1995).

La digestión anaerobia que se desarrolla en los biodigestores es un proceso complejo desde el punto de vista microbiológico y está enmarcado en el ciclo anaerobio del carbono, que en ausencia de oxígeno transforma sustancias orgánicas en biomasa y compuestos inorgánicos en su mayoría volátiles: CO2 (Dióxido de carbono), NH3 (Amoniaco), H2S (Sulfuro de hidrógeno), N2 (Nitrógeno) y CH4 (Metano) (Soubes, 1994). De forma natural, este proceso ocurre en el tracto digestivo de animales y debajo de aguas estancadas o pantanos, pero también puede realizarse en depósitos cerrados herméticamente, llamados digestores. Estos se utilizan cuando se requiere captar todos los productos obtenidos de la descomposición anaerobia (gases y sólidos), ya que el ambiente oscuro y sin aire favorece el medio óptimo para el cultivo intensivo de bacterias anaerobias (Salazar, 1993). En esta condición, cuando se acumulan polímeros naturales orgánicos como proteínas, carbohidratos, celulosa, etc., se produce un rápido consumo de oxígeno, de nitrato y de sulfato por los microorganismos, produciéndose la metanogénesis; en estas condiciones, el nitrato se transforma en amonio y el fósforo queda como fosfato. También se reducen los iones férrico y mangánico, debido a la ausencia de oxígeno.

El método básico consiste en alimentar el digestor con materiales orgánicos y agua, dejándolos un periodo de semanas o meses, a lo largo de los cuales, en condiciones ambientales y químicas favorables, el proceso bioquímico y la acción bacteriana se desarrollan simultánea y gradualmente, descomponiendo (Marty, 1984) la materia orgánica hasta producir grandes burbujas que fuerzan su salida a la superficie donde se acumula el gas (Verástegui, 1980).

La digestión anaerobia, a partir de polímeros naturales y en ausencia de compuestos inorgánicos, se realiza en tres etapas:

• 1. Hidrólisis y fermentación, en la que la materia orgánica es descompuesta por la acción de un grupo de bacterias hidrolíticas anaerobias que hidrolizan las moléculas solubles en agua, como grasas, proteínas y carbohidratos, y las transforman en monómeros y compuestos simples solubles.

• 2. Acetogénesis y deshidrogenación, donde los alcoholes, ácidos grasos y compuestos aromáticos se degradan produciendo ácido acético, CO2 (dióxido de carbono) e H(hidrógeno) que son los sustratos de las bacterias metanogénicas.

• 3. Metanogénesis en la que se produce metano a partir de CO2 e H (hidrógeno), por acción de bacterias metanogénicas (Marty, 1984).

La concentración de hidrógeno juega un papel fundamental en la regulación del flujo del carbono en la biodigestión. Los microorganismos que en forma secuencial intervienen en el proceso son:

• 1. Bacterias hidrolíticas y fermentadoras

• 2. Bacterias acetonogénicas obligadas reductoras de protones de hidrógeno (sintróficas)

• 3. Bacterias sulfato reductoras (sintróficas facultativas) consumidoras de hidrógeno

• 4. Bacterias homoacetogénicas

• 5. Bacterias metanogénicas

• 6. Bacterias desnitrificantes (Soubes, 1994).

La principal función de los biodigestores es convertir la materia orgánica y sub productos agrícolas en biogás y efluentes. Las condiciones dentro del biodigestor deben controlarse de tal forma que las poblaciones de bacterias metanogénicas estén balanceadas con las acidogénicas y así evitar descensos excesivos del pH, teniendo en cuenta que cualquier cambio en las características del biodigestor puede afectar la población bacterial ocasionando variaciones en la producción de gas y una eventual deficiencia en el proceso de purificación de efluentes (Villamil et al., 2000).

El fertilizante producido o bioabono sólido o liquido producto del proceso de digestión anaerobia no posee mal olor ni atrae moscas, a diferencia del estiércol fresco, y puede aplicarse en las cantidades recomendadas directamente al campo en forma líquida (McCaskey, 1990) o sólida; además, puede deshidratarse y almacenarse para usarlo posteriormente, con pérdidas por volatilización hasta del 60% de nitrógeno (Day, 1987). Según Botero y Thomas (1987), la composición del bioabono en promedio tiene 8.5% de materia orgánica, 2.6% de nitrógeno (H), 1.5% de fósforo (P), 1.0% de potasio (K) y un pH de 7.5. De acuerdo con Mandujano (1981), un metro cúbico de bioabono producido y aplicado diariamente, puede fertilizar más de 2 hacres (16187.76 m2 o 1.6187 hectárea) de tierra por año y proporcionar hasta 200 Kg de N ha-1(Nitrógeno por hacre menos uno) de los que estarán disponibles en el primer año entre 60 y 70 Kg. El bioabono no deja residuos tóxicos en el suelo, eleva la calidad del mismo y puede considerarse como un buen fertilizante que puede competir o complementarse con los fertilizantes químicos.

4.3 GENERACION DE BIOGAS EN GRANJAS Y RASTROS MUNICIPALES

El correcto manejo de excretas bovinas, porcinas y aves de corral, se han convertido en uno de los factores más limitantes en los procesos de producción animal, por ejemplo en ganaderías de leche, los volúmenes de producción de materia fecal durante el proceso de ordeño en establo, ocasiona grandes problemas de contaminación ambiental. Se calcula que menos del 2% de las explotaciones tienen sistemas de tratamiento de excretas (estiércol + orina) (URPA, 2002). Lo anterior nos indica que existe una gran cantidad de productores que no dan tratamiento alguno a las excretas y las vierten directamente a fuentes de agua que generalmente están ubicadas en las partes bajas de las granjas, causando serios problemas de contaminación en suelos y acuíferos subterráneos por coliformes y nitratos (Ramon et al., 2006), esta contaminación contribuye al calentamiento global con la emisión de gases como el metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono (Carmona et al., 2005).

Por su alto contenido de nutrientes y efecto benéfico sobre la composición del suelo, las excretas son utilizadas en forma directa para la fertilización de cultivos, pero en la mayoría de los casos su aplicación se hace sin previo tratamiento y depuración, para evitar que las altas concentraciones de huevos, larvas de parásitos o gérmenes como los coliformes fecales produzcan enfermedades infecciosas capaces de causar hasta la muerte en los animales y el hombre (Soria et al., 2001).

Para la recolección de las excretas de los animales se utilizan varios tipos de métodos, que permiten un tratamiento y depuración del estiércol, orina, agua vertida y alimentos desperdiciados en explotación de animales. Las más comúnmente reportadas son:

• Fosas de recolección

• Drenaje por gravedad a una instalación exterior por un canal

• Sistemas a chorros de agua

• Raspado mecánico

• Almacenamiento de las excretas al aire libre

• Estanques de decantación o estercoleros

• Lagunas de tratamiento anaeróbico

• Lagunas de etapas múltiples

• Tratamiento aeróbico

Sin embargo estos tratamientos no son tan eficientes, ya que la generación de olores desagradables, metano, acido sulfhídrico y otros gases típicos del proceso de tratamiento no se eliminan y se vierten al medio ambiente.

La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO, Food and Agriculture Organization por sus siglas en Inglés), propone un prototipo denominado: Biodigestor plástico de flujo continuo, generador de gas biobano a partir de aguas residuales servidas, el cual es sencillo y económico. Las principales características de éste son: polietileno calibre 8 resistente a la luz ultravioleta (LUV), con capacidad para varios m3 y tiempo aproximado de retención para la digestión anaerobia de la materia orgánica diluida de 30 a 40 días en zonas tropicales con temperaturas promedio de 30oC (FAO, 1995).

La temperatura es un parámetro importante en la operación del biodigestor anaerobio, para obtener un crecimiento bacteriano adecuado y aumentar la velocidad de las reacciones bioquímicas que se dan en el proceso (Mejía, 1996).

La generación de biogás por medio de biodigestores se aprovecha en los ranchos, granjas, para producir electricidad y gas en las cocinas, el cual pueden incluso comercializarse, de esta forma se cuenta con una fuente alterna de energía y a la vez dejan de contaminar el suelo.

En el caso de los rastros municipales, las aguas generadas en el proceso de sacrificio de los animales son altamente contaminantes debido a su carga orgánica, con una demanda bioquímica de oxigeno (DBO50) de 5000 a 10000 mg/l, generando un alto impacto ambiental en los cuerpos receptores de agua y en suelo (López et al., 2008), sin embargo Chaux menciona que las concentraciones típicas encontradas en efluentes de faena de vacunos y porcinos alcanzan concentraciones de 3000 mg/l para sólidos suspendidos totales, DB50 de 7000 mg/l y nitrógeno total (NT) de 6000 mg/l (Chaux et al., 2009); gran parte del impacto ambiental y en salud pública que tienen los residuos sólidos y líquidos de los rastros no puede ser cuantificado, sin embargo, una evaluación de riesgos proporciona una perspectiva de la situación en los rastros municipales. La normativa mexicana exige un tratamiento de estos desechos antes de ser destinados a cuerpos de agua, a sistemas de alcantarillado y para riego de cultivos (NOM-001-SEMARNAT-1996).

Los residuos sólidos y líquidos son vertidos, casi en la totalidad de los rastros, en el drenaje o cuerpos de agua. Esta situación representa, además del evidente daño ambiental, un gran desperdicio de recursos que pueden ser empleados en diversas actividades y bien pueden ser considerados como un subproducto de la matanza. Esto significa que se requiere un cambio de paradigma hacia uno con visión ambientalista en el que se entienda que los residuos no son algo de lo que nos tenemos que deshacer inmediatamente sino que son recursos que podemos y debemos aprovechar. Al mismo tiempo, disminuimos la contaminación de la naturaleza y prevenimos riesgos a la salud humana directa o indirectamente.

La recuperación y separación de los residuos de manera integral en el rastro es esencial, primeramente para valorarlos como un subproducto y poderlos utilizar en otras actividades como la elaboración de harinas y alimentos, compostaje o, incluso, generación de energía. Posteriormente, al separar los residuos se facilita el tratamiento del agua residual que se debe realizar para cumplir con la normatividad en la materia (NOM-001-ECOL-1996 y NOM-002-ECOL-1996) y con ello también evitar la contaminación de cuerpos de agua que abastecen a la población.

Asimismo, la implementación de medidas como las mencionadas anteriormente no solo provee un ingreso extra por el manejo integral de los residuos sino que también resulta mucho más económico tratar el agua antes de verterla al drenaje y/o a los cuerpos de agua en comparación con el costo que tendría reparar el impacto ambiental generado, así como sus consecuencias en la biodiversidad y la salud humana.

Nuevamente la FAO propone el uso de biodigestores en los rastros para generar biogás y electricidad, utilizando los desechos orgánicos de las faenas.

Como ya se menciono los biodigestores son tecnologías que utilizan los desechos orgánicos para producir gas y al mismo tiempo solucionan los problemas ambientales por lo que esta tecnología es viable en los rastros municipales.

4.4 USO DOMESTICO E INDUSTRIAL DE BIOGAS.

El biogás puede ser utilizado como cualquier otro combustible, tanto para la cocción de alimentos, en sustitución de la leña, el keroseno, el gas licuado, etc., tambien puede utilizarse para el alumbrado, mediante lámparas adaptadas. Las mezclas de biogás con aire, en una relación 1:20, forman un gas detonante altamente explosivo, lo cual permite que tambien sea empleado como combustible en motores de combustión interna adaptados (Cadavid, 1998).

Los limites de sus componentes principales se indican en la siguiente tabla 1.

Tabla 1. Composición química del biogás (Cadavid, 1995).

El poder calórico del biogás, con concentraciones entre 50 y 70 % de metano CH4, es de 4700 a 6500 Kcal/m3.

Un metro cúbico de biogás, con 70 % de metano CH4, equivale a:

• 0.8 L de gasolina

• 1.3 L de alcohol

• 0.7 L de gasóleo

• 1.5 m3 de gas butano

• 2.7 kg de madera.

Es importante aclarar que este gas puede usarse como combustible sólo cuando el metano se encuentra en concentraciones mayores o iguales a 50 % (Chacón, 2007).

Los usos más importantes del biogás para determinar la demanda energética del usuario son:

• 1. Cocinas: Se emplea con una presión de 75 – 90 mm de columna de agua (CA), a razón de 0.38 – 0.42 m3 por persona – día. Para presiones inferiores el per capital debe calcularse a razón de 0.5 m3/día.

• 2. Alumbrado: Si se utiliza una lámpara de 100 candelas (aproximadamente 60 W), esta consume de 0.11 a 0.15 m3/h de biogás, requiriendo una presión de 70 a 85 mm de CA.

• 3. Calderas: Depende del tamaño del quemador, los consumos serán:

• Diámetro del quemador 50 mm: 0.32 m3/h.

• Diámetro del quemador 100 mm: 0.46 m3/h.

• Diámetro del quemador 150 mm: 0.63 m3/h.

• 4. Motores de combustión interna: El biogás es un combustible excelente para motores, tanto de gasolina como diesel. Sólo se registra una ligera disminución de la potencia y el motor trabaja algo más caliente que con el combustible líquido. Si se dotan de un mezclador de aire-gas adecuado, los motores de gasolina pueden trabajar con 100 % de biogás, sin necesidad de gasolina, incluso en el arranque. No ocurre lo mismo con los motores Diesel, debido a que la temperatura al final de la carrera de compresión no es superior a los 700 grados, y la temperatura de ignición de la mezcla aire-biogás es de 814 grados, por lo que se hace necesaria la inyección de una pequeña cantidad de combustible diesel antes de finalizar la carrera de compresión del pistón, para obtener la ignición de la mezcla y asegurar el funcionamiento normal del motor. En condiciones óptimas se logra economizar entre 70 y 85 % del combustible diesel, sustituyéndolo por biogás. El consumo en motores es 0,45 – 0,54 m3/h por caballo fuerza (HP) de carga, o 0,60-0,70 m3/h por KW de carga, con una presión de 25 a 100 mm de CA (Pareja, 2007).

Teóricamente se puede obtener biogás de cualquier material orgánico. Este material orgánico, o biomasa, debe de contar con 5-10 % de partes sólidas para constituir un material apropiado, como cieno de fermentación. Una de las materias orgánicas más utilizadas es el estiércol fresco de ganado vacuno, que contiene alrededor de 16 % de material sólido y 84 % de agua, y que se recomienda mezclar en proporción 1:1 con agua. El cieno de fermentación para introducir en una planta de biogás tiene entonces 8 % de material sólido y 92 % de agua. Algunos índices de consumo a partir de las biomasas más utilizadas y disponibles para la producción de biogás se exponen en la tabla 2

Tabla 2 Índices para determinar la producción de biogás a partir del peso y características de la biomasa (Chacón, 2007).

• 5. BIODIGESTOR

La instalación destinada a la producción y captación del biogás recibe el nombre de biodigestores o planta de biogás. Existen múltiples diseños y formas, en función de su tamaño, materia prima (residual) que se emplea, materiales de construcción con que se construye. Su variedad es tal que los modelos existentes se adaptan prácticamente a todas las necesidades y variantes que se deseen, en cuanto a volumen, materiales empleados y residuales orgánicos que se deben tratar.

5.1 TIPOS DE BIODIGESTORES

En los biodigestores se llevaba a cabo el proceso de fermentación, similar a la digestión producida en nuestro aparato digestivo al ingerir los alimentos, que son descompuestos por la acción de las enzimas, mientras que la captación del biogás se produce mediante una campana o superficie abovedada o cilíndrica (en la mayoría de los casos), desde el cual se extrae el gas a través de una conducción por tubería o manguera.

Las plantas de biogás sencillas pueden ser clasificadas, por su diseño, en tres tipos:

• Planta de biogás de campana flotante (tipo hindú)

• Planta de biogás de bolsa elástica (tipo balón)

• Planta de biogás de cúpula fija (tipo chino)

A continuación se muestran en la figura 4, los tres tipos de plantas de biogás:

Planta de biogás de campana flotante (tipo hindú)

Planta de biogás de bolsa elástica (tipo balón)

Planta de biogás de cúpula fija (tipo chino)

Figura 4. Tres tipos de plantas de biogás (Chacón, 2007).

Según la forma en que se realiza el proceso de carga o introducción de la biomasa a la planta, se clasifican en dos tipos fundamentales:

• Plantas de flujo continuo

• Plantas de flujos discontinuos o batch (entrada de la biomasa de manera intermitente).

Las primeras son cargadas y descargadas parcialmente todos los días, de forma periódica o permanente (para la obtención de volúmenes considerables de gas), mientras que las segundas son cargadas de una vez y descargadas total o parcialmente después de cierto tiempo de utilización de la biomasa introducida para fermentar (para pequeñas producciones de biogás).

La gran ventaja de las primeras es que las bacterias metanogénicas reciben un suministro estable del material orgánico, por lo que producen biogás de manera más uniforme.