Los biodigestores se constituyen en una valiosa alternativa para el tratamiento de los desechos orgánicos de las explotaciones agropecuarias pues permiten: i) disminuir la carga contaminante, ii) mejorar la capacidad fertilizante del material, iii) eliminar los malos olores y, iv) generar un gas combustible denominado biogas el cual tiene diversos usos. En este trabajo se presentan los resultados de la utilización del biogas para generación de electricidad, llevados a cabo en la granja Pozo Verde, municipio de Jamundí (Valle del Cauca, Colombia). Dos motores diesel con sus respectivos generadores fueron adaptados para funcionar alimentados con biogas-acpm (combustible diesel). Se logró un nivel de sustitución en el consumo de acpm del 67% y del 47% para los motores Perkins y Blackstone respectivamente. Se presenta la evaluación económica del empleo del biogas en el motor Perkins, la cual muestra una disminución del 40% en el costo del kWh al compararse con el costo de la energía actualmente suministrada a la granja. Este trabajo demuestra la factibilidad económica de integrar la producción de alimentos y energía de una manera sostenible.
Biodigestores are a very valuable option for the treatment of organic agricultural wastes as it is a system that: i) decreases the environmental pollution, ii) increases the fertilising value of the wastes, iii) decreases the concentration of odorous substances, and iv) produces a flammable gas called biogas which has different uses. This paper reports the results of biogas utilisation for power generation. The work was carried out at Pozo Verde farm, Jamundí municipality (Valle del Cauca, Colombia). Two diesel engines-generator sets were fitted for being fuelled with a biogas and diesel fuel in a dual fuel operation system. 67% and 47% of de diesel fuel was replaced by biogas for the Perkins and Blackstone engine respectively. Using the Perkins engine, the cost of kWh is reduced 40% when compared to the cost of power supplied by the regional utility. This work shows the economic possibility for integrating the production of food and power in a sustainable way.
Con el termino biogas se designa a la mezcla de gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias.
El biogas se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor el cual puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico. El biodigestor, de forma cilíndrica o esférica posee un ducto de entrada a través del cual se suministra la materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las aguas sucias de las ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta con agua, y un ducto de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el biodigestor. Los materiales que ingresan y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogas.
Los principales componentes del biogas son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogas varia de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación (Werner et al 1989):
| Metano, CH4 | 40 - 70% volumen |
| Dióxido de carbono, CO2 | 30 - 60 |
| Sulfuro de hidrógeno, H2S | 0 - 3 |
| Hidrógeno, H2 | 0 - 1 |
El metano, principal componente del biogas, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogas por lo tanto estará determinado por la concentración de metano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 – 38MJ/m3 para el gas natural (Werner et al 1989).
A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, para calefacción y como reemplazo de la gasolina o el acpm (combustible diesel) en motores de combustión interna.
La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogas ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos:
- Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos menores son conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. Debe notarse que en los casos en que el estiércol es secado al medio ambiente, se pierde alrededor de un 50% del nitrógeno (Hohlfeld y Sasse 1986).
- El efluente es mucho menos oloroso que el afluente.
- Control de patógenos. Aunque el nivel de destrucción de patógenos variará de acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención, se ha demostrado experimentalmente que alrededor del 85% de los patógenos no sobreviven el proceso de biodigestión (Hohlfeld y Sasse 1986). En condiciones de laboratorio, con temperaturas de 35 oC los coliformes fecales fueron reducidos en 50 – 70% y los hongos en 95% en 24 horas (Marchaim 1992).
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| Biodigestores en Reserva Natural Pozo Verde |
Desde 1986, CIPAV ha trabajado en la utilización de biodigestores plásticos tubulares de flujo continuo para la generación de biogas a partir del estiércol de los animales de granja, principalmente porcinos y bovinos. Se han utilizado dos tamaños de biodigestores: de 1.25 y 2.5 metros de diámetro, denominados familiar e industrial respectivamente. La longitud de los biodigestores se establece de acuerdo a las necesidades de cada lugar, sin embargo, en general se instalan de 10 m de longitud (familiar) y 20 m (industrial), lo cual representa capacidades de 12 y 98 m3 respectivamente.
En los primeros años, el objetivo principal para el establecimiento de biodigestores por parte de CIPAV fue la producción de biogas buscando disminuir el consumo de leña o electricidad. Sin embargo, en los últimos años el biodigestor ha tomado una creciente importancia como parte fundamental del sistema de tratamiento de aguas sucias de las explotaciones agropecuarias (Pedraza et al 1995).
El biogas puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogas puede reemplazar hasta el 80% del acpm (la baja capacidad de ignición del biogas no permite reemplazar la totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogas puede reemplazar la totalidad de la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor más resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural.
Durante el primer semestre de 1997 CIPAV dio inicio a un proyecto para la utilización del biogas como reemplazo del combustible diesel (acpm) en motores diesel para generación eléctrica.
El trabajo se ha llevado a cabo en la Granja Pozo Verde (llamada anteriormente Arizona), localizada en el municipio de Jamundí, departamento del Valle del Cauca, a 1000 metros sobre el nivel del mar, con temperatura promedio de 24 oC. La granja Pozo Verde se dedica a la producción pecuaria, integrando la producción bovina (leche y carne), porcina y avícola. A continuación se presentan los detalles de las actividades realizadas hasta el momento dentro del proyecto biogas-electricidad.
Para la producción del biogas, se instalaron 2 biodigestores plásticos de 1.25 metros de diámetro y de 14 y 25 metros de longitud. Los biodigestores se colocaron uno a continuación del otro, conectados por medio de una caja de cemento; la capacidad total de ambos es de 48 m3.
Los biodigestores se encuentran en la cercanía de las porquerizas de la granja . El estiércol de las cerdas y el agua de lavado de las cocheras son conducidos por gravedad hacia ellos.
Cada biodigestor esta equipado con un orificio para la salida del biogas. Ambas salidas se unieron por medio de tubería de PVC y a partir de este punto se instaló una tubería de Agrotubo de 1.5 pulgadas de diámetro y 150 m de longitud para conducir el biogas hasta un reservorio localizado en un mezanine situado encima de los motores a utilizar.
Como reservorio se instaló una bolsa del mismo material plástico de los biodigestores, de 2.5 m de diámetro y 10 m de longitud, para una capacidad de almacenamiento de 49 m3.
A partir del reservorio, el biogas es conducido por tubería de Agrotubo hacia los motores. Se realizaron los ajustes necesarios para que el biogas ingrese al interior del filtro de aire, de tal manera que el motor al aspirar el aire que requiere para la combustión del acpm, aspira una mezcla de biogas-aire.
Los trabajos se han llevado a cabo utilizando 2 motores diesel:
- Blackstone, 3 pistones, 100 kW de potencia (135 HP), 600 r.p.m., acoplado a generador eléctrico de 92 kW.
- Perkins, 6 pistones, 74 kW de potencia (100 HP), 1800 r.p.m., acoplado a generador eléctrico de 63 kW.
Para la realización de las pruebas se diseñó y construyó un medidor de acpm, utilizando un tubo de PVC de 6" de diámetro y 1.5 m de altura, al cual se le conectó en su parte externa, una manguera plástica transparente que permite apreciar el cambio en el nivel interno de acpm.
En el biogas se encuentran cantidades variables de sulfuro de hidrógeno (H2S), también denominado ácido sulfídrico. El H2S al reaccionar con agua se convierte en ácido sulfúrico (H2SO4) el cual es altamente corrosivo y puede ocasionar graves daños en el motor. Con el fin de eliminar o disminuir el porcentaje de H2S en el biogas se emplean sistemas de filtro con sustancias como cal viva o pagada, limadura de hierro o ciertos tipos de tierras conocidas como hematites parda o limonita, las cuales son ricas en sustancias ferrosas (Muche y Zimmermann 1985).
Con el fin de determinar el contenido de H2S en el biogas de la granja Pozo Verde, se realizaron dos mediciones, utilizando para ello el Tubo de control Dräger CH28101. Los resultados de estas mediciones han sido de 0.125 y 0.176% de H2S en el biogas. Aunque en la literatura se encuentran grandes variaciones en los valores considerados mínimos permisibles de H2S para la utilización del biogas en motores, en el presente trabajo se consideró como mínimo permisible la cifra de 0.15% (volumen) reportada por Mitzlaff (1988) y se decidió colocar un filtro.
El filtro se instaló en la línea de conducción biodigestor-reservorio, a 3 metros de la entrada a este último. Como sistema de filtro se utilizó un tubo de PVC de 6 pulgadas de diámetro y 2 metros de altura el cual se rellenó en 2/3 partes con limadura de hierro y el tercio restante con esponjilla de hierro (Bonbril MR) utilizada para la limpieza doméstica de utensilios de cocina. El biogas ingresa por la parte inferior del filtro y lo abandona por su parte superior. El H2S es atrapado por el material ferroso formándose sulfuro de hierro.
Para la evaluación del nivel de reemplazo de acpm, las pruebas se llevaron a cabo de la siguiente manera:
- Durante 30 minutos se determina el consumo de acpm con el motor alimentado únicamente con acpm.
- Se abre la válvula para permitir que el motor sea alimentado con biogas-acpm.
- Tratando de mantener una carga estable, se determina el consumo de acpm en el sistema biogas-acpm durante 30 minutos .
- En ambos casos se realizan mediciones del consumo de acpm y de la potencia generada cada 5 minutos.
- Los datos obtenidos de esta manera nos permiten determinar el consumo de acpm de cada motor bajo el sistema biogas-acpm y compararlo con solo-acpm.
Los resultados obtenidos hasta el momento indican un nivel de sustitución del acpm de 47% para el motor Blackstone y de 67% para el motor Perkins (en otras palabras, el consumo de acpm en el sistema biogas-acpm es de 53% y 33% para los motores Blackstone y Perkins respectivamente, al compararse con el sistema solo-acpm).
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Consumo de acpm litros/ kWh |
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Motor Perkins |
Motor Blackstone |
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| Solo acpm | Biogas-acpm | Solo acpm | Biogas-acpm |
| 0.285 | 0.094 | 0.380 | 0.200 |
Los resultados permiten apreciar que el consumo de acpm/kWh por parte del motor Blackstone es mucho mayor que el del Perkins. Dos factores pueden explicar este resultado:
En la Tabla 1 se presentan los resultados de la evaluación económica de la utilización del biogas en el motor Perkins, considerando un nivel de sustitución del acpm del 60% y 4 horas diarias de generación de electricidad.
La utilización del biogas significa una reducción del 40% en el costo por kWh ($104 vs 174.4) al compararse con el costo del kWh suministrado por la empresa que presta el servicio en la región (EPSA, Empresa de Energía del Pacífico S.A.)
Debe tenerse en cuenta que la capacidad de los biodigestores utilizados para el presente estudio (48 m3 de capacidad) no es suficiente para generar el gas que se consumirá en 4 horas diarias de trabajo de los motores. En las condiciones aquí consideradas (60% sustitución acpm, 160 kWh/ día) se requerirá de un biodigestor de aproximadamente 240 m3 de capacidad.
En esta evaluación no se tiene en cuenta el costo del biodigestor pues se considera que su instalación es un requisito para la descontaminación de las aguas sucias.
En la presente evaluación se considera:
Motor trabajando al 65% de su potencia nominal
| Dólares EEUU | ||
| Sustitución de acpm por gas | 60% | |
| $ galón acpm | 1,340 | 1.03 |
| $ litro acpm | 354 | 0.27 |
| Litros acpm / kWh | 0.12 | |
| Costo motor -generador (63 kW) | 15,000,000 | 11,538 |
| Vida útil motor-generador, años | 10 | |
| Reparación motor-gen. (cada 3 años) | 3,000,000 | 2,308 |
| Costo reservorio gas (capacidad 120 m3) | 1,000,000 | 769 |
| Vida útil reservorio | 6 | |
| Costo tubería conducción gas | 400,000 | 308 |
| Vida útil tubería, años | 10 | |
| Mano de obra, horas/ día | 0.5 | |
| Horas / año | 182.5 |
| Horas diarias de generación | 4 |
| Horas / mes | 120 |
| Horas / año | 1,460 |
| Potencia generada, kW | 40 |
| kWh / día | 160 |
| kWh / año | 58,400 |
| Consumo acpm litros/ año | 7,008 |
Costos Anuales
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Dólares EEUU | |
| Depreciación motor-generador | 1,500,000 | 1,154 |
| Reparación motor-generador | 1,000,000 | 769 |
| Mantenimiento motor-generador | 600,000 | 462 |
| Depreciación reservorio | 166,666 | 128 |
| Depreciación tubería gas | 40,000 | 30.8 |
| Costo acpm | 2,480,832 | 1,908 |
| Mano obra | 294,920 | 227 |
| Pesos Colombianos | Dólares EEUU | |
| Total Costos Año | $ 6,082,418 | 4,679 |
| Costo kWh | $104 | 0.08 |
Comparación costos de energía EPSA
| Pesos Colombianos | Dólares EEUU | |
| Total Costos Año | $ 10,184,960 | 7,835 |
Los valores de la primera columna se presentan en pesos colombianos. $ 1,300 = 1 dólar Estados Unidos
(Febrero de 1998). La segunda columna presenta las cifras en dólares EEUU
La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el tratamiento de los desechos orgánicos de las explotaciones agropecuarias, pues además de disminuir la carga contaminante de las mismas, extrae gran parte de la energía contenida en el material sin afectar (o inclusive mejorando) su valor fertilizante y controlando de manera considerable los malos olores.
El uso del biogas para la generación de electricidad da un valor adicional al empleo de biodigestores en las empresas agropecuarias. Aunque los resultados económicos no se pueden generalizar pues cambiarán de acuerdo a las circunstancias de cada lugar, en el presente trabajo la utilización del biogas en motores diesel para generación de electricidad ha demostrado importantes beneficios económicos además de las ventajas anteriormente mencionadas. En la granja Pozo Verde, se ha logrado con el biogas una disminución del 40% en los costos del kWh al compararse con los costos actuales de la energía suministrada a través del sistema de interconexión, demostrando la factibilidad de integrar la producción de alimentos y energía de una manera sostenible.
El presente trabajo se ha podido realizar gracias al apoyo económico del CORPES de Occidente y a la amable colaboración de su director, doctor Bernardo Moreno Villegas y su equipo de colaboradores.
Hohlfeld J, Sasse L 1986 Production and utilization of biogas in rural areas of industrialized and developing countries. GTZ. Eschborn, Alemania
Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development. FAO, Agricultural services bulletin 95. Roma
Mitzlaff, Klaus von 1988 Engines for biogas. GATE – GTZ. Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich, Alemania
Muche H, Zimmermann H 1985 La purificación del biogas. GATE – GTZ. Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich, Alemania
Pedraza Gloria, Becerra Maricel, Conde Natalia, Chará J 1995 Descontaminación productiva de aguas utilizadas en labores domésticas y en sistemas de producción en zonas de montaña. En: Sistemas Pecuarios Sostenibles para las Montañas Tropicales. CIPAV – CENDI. Cali, Colombia.
Werner U, Stöhr U, Hees N 1989 Biogas plants in animal husbandry. GATE – GTZ. Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich, Alemania