“ENERGIA DEL BIOGAS: UNA OPCIÓN … · Las primeras máquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del siglo VI d.C. Eran de eje vertical y se las utilizaba para moler

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

“ENERGIA DEL BIOGAS: UNA OPCIÓN SUSTENTABLE PARA EL MEDIO RURAL Y

SEMIURBANO “

MONOGRAFIA

Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA

PRESENTA: SERGIO PABLO RUIZ ORTEGA

DIRECTOR: DR. JORGE A. DEL ANGEL RAMOS

XALAPA, VER. MARZO 2013

UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad De Ingeniería Mecánica Eléctrica

Monografía “Energía del biogás: una opción sustentable para el medio rural y semiurbano”

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Introducción. 3

CAPITULO 1

ANTECEDENTES DEL APROVECHAMIENTO DE LA BIOENERGIA. 4 1.1 ¿Qué son las energías alternativas? 4 1.3 Energía Geotérmica 8 1.4 Energía solar. 10 1.5 Energía hidráulica 13 1.6 Energía oceánica o mareomotriz. 15 1.7 Energía biomasa 17

1.7.1 Historia biogás. 17 1.7.2 Historia biodiesel. 21

Capítulo 2

Estudio de la formación del biogás. 23 2.1 Biomasa. 23 2.2 Biogás. 25 2.3 Características generales de la bacteria formadora de metano. 28 2.4 Propiedades físicas y químicas del biogás. 30 2.5 Impurezas del biogás. 31 2.6 Purificación del biogás. 32 2.7 Factores que afectan la producción de gas. 33

2.7.1 Tipo de materia prima 33 2.7.2 Temperatura del sustrato 34 2.7.3 Velocidad de carga volumétrica 35 2.7.4 Tiempos de retención 35 2.7.5 Valor de acidez (pH) 36 2.7.6 Contenido de sólidos 37 2.7.7 Inclusión de inoculantes 37 2.7.8 Agitación - mezclado 38 2.7.9 Inhibidores 38

CAPÍTULO 3

Tipos de Biodigestores. 40 3.1 Biodigestor. 40

3.1.1Biodigestor de flujo estacionario. 40 3.1.2 Biodigestor de flujo semicontinuo. 40 3.1.3 Biodigestores de flujo continúo 41

3.2 Partes de un Biodigestor. 42 3.2.1 Tanque de carga. 42 3.2.2. Tanque de Almacenamiento de gas. 42 3.2.3 Válvulas. 42 3.2.4 Línea de conducción. 42 3.2.5 Trampas. 43 3.2.6. Tanque de descarga. 46



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3.3 Como calcular el tamaño del digestor. 47 3.3.1 Producción total de estiércol. 47 3.3.2 Agua necesaria 48 3.3.3 Biomasa disponible. 49 3.3.4 Volumen diario de biomasa. 49 3.3.5 Tiempo de retención de la biomasa. 49 3.3.6 Volumen de digestión de la biomasa. 50 3.3.7 Volumen de almacenamiento de gas. 50 3.3.8 Volumen total del biodigestor. 50

3.4 Proceso de construcción de un biodigestor. 51 3.4.1 Selección del lugar, trazado y excavación. 51 3.4.2 Construcción del digestor. 52 3.4.3 Construcción de los tanques de carga y descarga. 52 3.4.4 Sellado e impermeabilizado del tanque. 52 3.4.5 Construcción y colocación de la campana 53

3.5 Operación de un biodigestor. 54

Capítulo 4

Potencial de aprovechamiento en el medio rural y semiurbano. 55 4.1 Panorama mundial del biogás. 55 4.2 Capacidad de aprovechamiento del biogás en México. 59 4.3 Usos del biogás. 61

4.3.1 Como productor de energía térmica. 61 4.3.2 Como generador de energía eléctrica. 64

Conclusión 66

Glosario de términos. 67

Bibliografía. 68

Páginas web consultadas. 70



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Introducción.

Desde los inicios de la vida en la tierra las bioenergías han sido la base de la vida. Estas energías son las dadas por los rayos solares, las corrientes de aire, las corrientes marinas y los alimentos (digestión). Pero con el paso del tiempo y la evolución de vida en la tierra, se fueron encontrando otros tipos de energía más efectivos en los hidrocarburos. Estos fueron relevando a la bioenergía en el avance tecnológico de la humanidad, pero a su vez han traído problemas ecológicos y tienen el defecto de no ser energías renovables esto quiere decir que se agotaran, y la humanidad tendrá que encontrar nuevas formas de generar energía. Es por esto que desde el siglo pasado se está retomando el estudio y el mejoramiento del aprovechamiento de la bioenergía o energías alternativas como se les conoce actualmente.

Actualmente los países más avanzados en el aprovechamiento de la bioenergía son los que integran la unión europea y Estados Unidos, pero hay países como Brasil que están teniendo un rápido crecimiento es este ámbito.

El aprovechamiento de las bioenergías o energías alternativas es muy importante dado que estudios realizados estiman que el petróleo se puede agotar en unos 40 años, el gas natural en unos 60 años, el carbón natural es altamente contaminante y la energía nuclear no está bien vista por la sociedad.

Así que la solución directa a los problemas energéticos y ecológicos es mejorar el aprovechamiento de las energías alternativas o de lo contrario tendremos muchos problemas en el futuro.

En México es conveniente empezar a trabajar en las energías alternativas ya que el país cuenta con un gran potencial de aprovechamiento de estas, y aprovecharlas ayudaría al desarrollo energético, social y económico, y sin duda alguna el biogás es una opción excelente dado que México es un país productor de muchas de las materias primas que generan esta energía. Es conveniente que México tenga un modelo de producción de biogás que permita planear y adecuar la captación de gases.



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CAPITULO 1

ANTECEDENTES DEL APROVECHAMIENTO DE LA BIOENERGIA.

1.1 ¿Qué son las energías alternativas?

Son fuentes de obtención de energías sin destrucción del medio ambiente, renovables, que han sido investigadas y desarrolladas con algunas intensidades en las últimas décadas. Algunas de ellas son:

Eólica: producida por el movimiento del viento.

Solar: utiliza la radiación solar.

Geotérmica: Uso del agua que surge bajo presión desde el subsuelo.

Biomasa: Utiliza la descomposición de residuos orgánicos

Hidráulica: consistente en la captación de la energía potencial de los saltos de agua, y que se realiza en centrales hidroeléctricas.

Oceánica o mareomotriz: se obtiene bien de las mareas (de forma análoga a la hidroeléctrica), o bien a través de la energía de las olas.

Las energías alternativas han acompañado a la humanidad desde el comienzo de esta, es por esto que es importante saber cuáles son y su aportación histórica y futura para la humanidad.



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1.2 Energía eólica

Es la energía producida por el viento, el uso más antiguo de la energía eólica del que se tiene documentación es como medio de locomoción. Existen dibujos egipcios, de 5000 años de antigüedad, que muestran naves con velas utilizadas para trasladarse por el Nilo. Hasta el siglo XIX, con el perfeccionamiento e introducción de las máquinas de vapor, la navegación dependió casi exclusivamente de este recurso energético. Ya en el siglo XX, con la invención de los motores de combustión interna, la navegación a vela quedo relegada solo a las actividades deportivas y a algunas actividades comerciales en pueblos costeros. Recientemente, sobre todo motivadas por los aumentos de los precios del petróleo de los años 1973 y 1979, se realizaron experiencias y construyeron barcos prototipo que utilizan la energía eólica como medio para ahorrar combustible. En transporte transoceánico, con los diseños actuales, podrían alcanzarse ahorros del orden del 10%.

Las primeras máquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del siglo VI d.C. Eran de eje vertical y se las utilizaba para moler granos y bombear agua en la región de Sijistán, entre Irán y Afganistán.

Existen indicios, aunque no demostrados, de que el uso de estos molinos, denominados panémonas, se remonta según distintos autores a entre 200 y 500 años antes de nuestra era.

Con posterioridad, y especialmente en las islas griegas del Mediterráneo, se desarrollaron molinos de viento de eje horizontal cuya principal característica fue la utilización de velas triangulares a modo de palas. Aún hoy son utilizados en la isla griega de Mikonos para moler granos. Es de destacar que este tipo de diseño permite ajustar la superficie de captación, según la velocidad del viento, arrollando las velas en sus “mástiles”.

En el siglo XI d.C. los molinos de viento eran extensivamente utilizados en el Medio Oriente. Recién en el siglo XIII y como consecuencia de las Cruzadas fueron introducidos en Europa.

Durante la Edad Media se construyeron muchos molinos llegando al extremo de que los señores feudales se reservaban el derecho de autorizar su construcción, como modo de obligar a sus súbditos a moler los granos en los molinos de su propiedad. Plantar árboles cerca de ellos estaba prohibido pues debía asegurarse la libre incidencia del viento. En el siglo XIV los holandeses tomaron el liderazgo en el mejoramiento de los molinos y comenzaron a utilizarlos



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extensivamente para drenar las regiones pantanosas del delta del río Rin. A fines del siglo XV se construyeron los primeros molinos de viento para la elaboración de aceites, papel y procesar la madera en aserraderos. A comienzos del siglo XVI se empezaron a utilizar para el drenaje de “polders”, empleándose máquinas de hasta 37 kW (50 HP) cada una.

A mediados del siglo XIX cerca de 9000 molinos operaban en Holanda con diferentes propósitos, algunos de hasta 65 kW (90 HP). Con la introducción de las máquinas de vapor durante la Revolución Industrial comenzaron a declinar y menos de 1000 máquinas estaban en condiciones de operación a mediados del siglo XX.

En Dinamarca, al finalizar el siglo XIX, cerca de 3000 molinos eran utilizados con fines industriales y cerca de 30.000 en casa y granjas, proveyendo una potencia equivalente a 200 MW. Como en otras regiones del mundo la aparición de alternativas más baratas de abastecimiento energético hizo que paulatinamente fueran reemplazándose por máquinas térmicas o motores eléctricos alimentados desde las redes. Procesos similares tuvieron lugar en otras regiones del mundo, haciendo que el uso del recurso eólico quedase relegado a satisfacer necesidades puntuales en medios rurales o comunidades aisladas, sin ninguna participación en el mercado energético.

La toma de conciencia sobre la agotabilidad de los recursos energéticos no renovables o de los renovables no debidamente utilizados, la creciente preocupación por el impacto sobre el medio ambiente de los combustibles fósiles y la energía nuclear, y las bruscas alzas de los precios del petróleo ocurridos en la década del 70, intensificaron la búsqueda de alternativas de abastecimiento energético, renaciendo el interés por el recurso eólico.

Los países industrializados focalizaron sus desarrollos en el abastecimiento de energía eléctrica. Los logros alcanzados en el plano de la investigación y desarrollo y, más aún, en las tecnologías de producción de turbinas eólicas, han hecho que, en el presente, el recurso eólico haya dejado de ser una potencial alternativa de abastecimiento para convertirse en una realidad. Las turbinas eólicas son hoy una opción más en el mercado de la generación eléctrica.

Distinto es el caso de los países no industrializados, o menos desarrollados, donde la falta de sistemas de distribución y la carencia de recursos para afrontar las enormes inversiones necesarias, modifican el enfoque. En muchos de estos países el interés se focaliza en la urgente necesidad de cubrir demandas insatisfechas y potenciar el desarrollo regional. Esto a motorizado el desarrollo de



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máquinas eólicas de menor porte que, experiencias mediante, han demostraron ser competitivas.

El viento es una fuente inagotable y no contaminante, pero es irregular y el sistema de almacenaje en baterías ha sido desarrollado, pero necesita mayor perfección.

El viento es una manifestación indirecta de la energía del sol, el 0.7 % de esta relación es transmitida en energía cinética de los vientos.

Hoy en día la energía eólica evita la introducción en la atmósfera de más de 3 millones de tonelada de C02, cada año y otros contaminantes.

Actualmente la conexión de energía eólica, puede llegar a cubrir el 20 % de demanda eléctrica con parques eólicos en e1 año 2 .000 habiendo ahorrado 250 millones de toneladas de C02 y 3 millones de óxidos sulfurosos del efecto invernadero.

Hoy nadie se atreve a dudar que la cinética de los vientos es una fuente de energía plenamente competitiva frente a las energía convencionales, como se a demostrado con parques eólicos como los de California y Dinamarca, con potencias de 1,500 MW y 30 MW respectivamente, que han sido posibles gracias a la iniciativa privada y el aporte gubernamental.



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1.3 Energía Geotérmica

La energía geotérmica es considerada como un tipo de energía no convencional, sino como un factor importante para el desarrollo energético futuro, ya sea a mediado a largo plazo, estas investigaciones y desarrollo nos permitirán situarnos en las naciones más avanzadas que bregan por su autoabastecimiento energético.

El termino geotermia se refiere a la energía térmica producida en el interior de la tierra. El calor telúrico es conducido a través del manto hacia la superficie terrestre que asciende con un flujo promedio haciéndose difuso para las aplicaciones prácticas, dado que existen zonas anómalas en las cuales la variación de la temperatura es mayor; esto puede ser en las zonas volcánicas, o en contacto entre placas corticales.

Los sistemas conectivos de agua subterránea captan dicho calor, alcanzando la superficie a través de rocas porosas o fallas geológicas.

Pero hay lugares que son importantes fuentes de calor en donde se manifiesta la energía geotérmica ya sea en forma de agua caliente, o vapor de agua en alta temperaturas, las cuales pueden ser aprovechadas para la producción de energía eléctrica o para otros usos.

El primer uso que se le dio a la geotermia fue el balnoterapeutico. Luego comenzó la explotación de las sales geotermales. Fue durante el Siglo XVI y XVII que se excavaron las primeras minas a unos cientos de kilómetros hacia el centro de la tierra que el hombre tuvo que deducir gracias a las sensaciones térmicas, ya que la temperatura aumentaba mientras se incrementaba con la profundidad.

Las primeras mediciones con termómetros, fueron realizadas en 1740, en una mina cerca de Belfort, en Francia.

En 1870, se comienza a incrementar el método científico para estudiar el régimen termal de la tierra, pero no fue hasta el siglo XX, y el descubrimiento del calor Radiogénico.

Los modelos Termales de la nueva tecnología, necesariamente, toman en cuenta el calor continuamente producido por el decaimiento de los isótopos radioactivos de larga vida del uranio (U234, U235), Torio (Th232) y Potasio (K40) presentes en la Tierra.



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Además del calor radiogénico, están otras posibles fuentes de calor como la energía primordial de la acreción planetaria.

En 1980, se dispuso una teoría de estos modelos, cuando se comprobó que había un equilibrio entre el calor radiogénico producido en el interior de la tierra y el calor disipado al espacio desde la tierra.

Hasta entonces, la energía Geotérmica ha sido un buen método para la disminución de contaminantes, ya que al ser productos naturales, producirían en menor cantidad los daños a nuestra tierra.

La energía geotérmica es más competitiva que la combustión (hidrocarburos), sobre todo en países como Islandia, Nueva Zelanda e Italia. Durante el período de precios bajos de energía en la década de 1980 hasta la reciente subida de los precios de los combustibles fósiles petróleo y gas, pocas áreas de recursos geotérmicos en los Estados Unidos fueron capaces de generar electricidad a un coste competitivo con otras fuentes de energía.

Salvo para las bombas de calor geotérmicas, no todas las áreas del mundo tienen un recurso geotérmico utilizable, aunque si lo poseen. Además, algunas áreas geotérmicas no tiene una temperatura lo suficientemente alta como para producir vapor. En esas zonas, la energía geotérmica se puede generar mediante un proceso llamado tecnología de ciclo binario, aunque la eficacia es menor. Otras áreas no tienen el agua para producir vapor, que es necesaria para los diseños actuales de la planta. A las áreas geotérmicas sin vapor se las denominan áreas de rocas calientes secas y se están investigando métodos para su explotación. Además, en lugar de la producción de electricidad, las zonas de más baja temperatura pueden proporcionar climatización de espacios.

Este recurso natural debería ser explotado, en los países en desarrollo, como una alternativa a los sistemas de energía convencionales, basado en el gas y el petróleo.



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1.4 Energía solar.

La energía solar es la fuente de la vida en la tierra por lo que se puede decir que su uso es desde los principios de la vida, dado que muchas cosas básicas para la humanidad no pueden ser concebidas sin la luz del sol un ejemplo es la agricultura, pero siendo más específicos la utilización del sol con máquinas más elaboradas de la que se tiene documentación es el rayo de la muerte creado por el científico griego Arquímedes que consistía en reflejar los rayos del sol para usarlos como un arma de largo alcance. También se utilizaba en calendarios o artefactos para calcular el tiempo.

Pero fue hasta el año 1839 que en Francia el físico Edmond Becquerel el descubridor del llamado efecto fotovoltaico, aunque este importante descubrimiento se mantuvo inexplorado en el olvido por los siguientes 75 años.

Después fue Heinrich Hertz quien estudió el efecto en los sólidos en 1870, fabricando celdas fotovoltaicas que transformaban la luz en electricidad con una eficiencia de 1% al 2%.

Las celdas de Selenio tuvieron sus primeras aplicaciones en el área militar a finales del siglo IXX, cuando aún no se investigaban las comunicaciones inalámbricas por radio, ya que se utilizaban sistemas de comunicaciones que usaban reflectores de luz y la clave Morse para comunicarse.

En 1940 se desarrolló el procedimiento Czochralski que permitió generar cristales de silicio de alta pureza. En 1954 los Laboratorios Bell utilizaron esta nueva técnica de producir cristales para fabricar una celda de silicio con un 4% de eficiencia.

Existen además otras técnicas de generación de energía solar que no implica la generación fotovoltaica, es decir la generación de energía eléctrica a partir del calor o la luz. Existen sistemas donde los colectores solares son dispuestos para usar concentradores y espejos con lentes para enfocar los rayos del sol, para concentrar el calor que luego será transmitido a una máquina de vapor donde se utilizara el principio básico de generación de electricidad.

Fechas y hechos importantes en el desarrollo de la energía solar:

1839 Edmund Bacquerel, descubre el efecto Fotovoltaico: en una celda electrolítica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una



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solución conductora, la generación de energía aumentaba el exponer la solución a la luz.

1873 Willoughby Smith descubre la fotoconductividad de selenio.

1877 W.G. Adams y R.E. Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido. Construyen la primera celda de selenio.

1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico.

1954 Los investigadores de los Laboratorios Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin, C.S. Fuller, y G.L. Pearson publican los resultados de su descubrimiento celdas solares de silicio con una eficiencia del 4,5%.

1955 Se comercializa el primer producto fotovoltaico, con una eficiencia del 2% al precio de $25 cada celda de 14 mW.

1963 En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242 W en un faro.

1973 La Universidad de Delaware construye "Solar One", una de las primeras viviendas con EFV. Las placas fotovoltaicas instaladas en el techo tienen un doble efecto: generar energía eléctrica y actuar de colector solar (calentado el aire bajo ellas, el aire era llevado a un intercambiador de calor para acumularlo).

1974-1977 Se fundan las primeras compañías de energía solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA coloca los primeras aplicaciones en lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los 500 kW.

1978 El NASA LeRC instala un sistema FV de 3.5-kWp en la reserva india Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas (iluminación, bombeo de agua, refrigeración, lavadora, ...). Es utilizado hasta la llegada de las líneas eléctricas en 1983, y partir de entonces se dedica exclusivamente al bombeo de agua.

1980 La empresa ARCO Solar es la primera en producir más de 1 MW en módulos Fotovoltaicos en un año.

1981 Se instala en Jeddah, Arabia Saudita, una planta desalinizadora por ósmosis-inversa abastecida por un sistema Fotovoltaico de 8-kW.

1982 La producción mundial de EFV supera los 9.3 MW. Entra en funcionamiento la planta ARCO Solar Hisperia en California de 1-MW.

1983 La producción mundial de EFV supera los 21.3 MW, y las ventas superan los 250 millones de dólares. El Solar Trek, un vehículo alimentado por EFV con 1 kW atraviesa Australia; 4000 km en menos de 27 días. La velocidad máx es 72 km/h, y la media 24 km/h. ARCO Solar construye una planta de EFV de 6-MW en California, en una extensión de 120 acres; conectado a la red eléctrica general suministra energía para 2000-2500 casas.

En 2011, la Agencia Internacional de la Energía se expresó en los siguientes términos: "el desarrollo de tecnologías solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo. Aumentará la



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seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local, inagotable y, aún más importante, independiente de importaciones, aumentará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará la subida excesiva de los precios de los combustibles fósiles.

Sin duda alguna la energía solar es la fuente de energía más grande e inagotable de la tierra, la cantidad de energía solar recibida anual es tan vasta que equivale aproximadamente al doble de toda la energía producida jamás por otras fuentes de energía no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y el gas natural.



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1.5 Energía hidráulica

Se denomina energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía, a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas.

Históricamente los antiguos romanos y griegos se beneficiaban ya de la energía del agua; recurrían a ruedas hidráulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de disponer de esclavos y animales de carga retardó su colocación generalizada hasta el siglo XII. Durante la edad media, las grandes ruedas hidráulicas de madera producían una potencia máxima de cincuenta caballos. La energía hidroeléctrica debe su mayor adelanto al ingeniero civil británico John Smeaton, que fabricó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.

La hidroelectricidad adquirió mucha importancia durante la Revolución Industrial. Promovió las industrias textil y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor se encontraban desarrolladas, el carbón era insuficiente y la madera poco aprovechable como combustible. La energía hidráulica facilito el crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se establecieron en Europa y América hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX, que ofrecieron carbón a bajo precio.

La primera central hidroeléctrica se fundó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se originó por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del desarrollo de la turbina hidráulica y debido a la crecida de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la fabricación total de electricidad.

La tecnología de las principales instalaciones ha permanecido igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se verifica y se puede continuar casi constante. El agua se empuja por unos conductos o tuberías forzadas, comprobados con válvulas y turbinas para adaptar el flujo de agua con respecto a la petición de electricidad. El agua que penetra en la turbina pasa por los canales de descarga. Los generadores están ubicados justo encima de las turbinas y acoplados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se emplean para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.



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Además de las centrales instaladas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes caudales de agua, existen algunas centrales que se apoyan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme.

En la producción hidroeléctrica intervienen varios factores, entre los que destacan el caudal de los ríos y la accidentada orografía. Como consecuencia, en términos absolutos, los países de gran tamaño, que cuentan con largos y caudalosos ríos, suelen estar entre los principales productores mundiales. Este es el caso de Canadá, Estados Unidos, Brasil, China, Rusia e India. Pero esto no explica todo, puesto que también influyen otros factores como el grado de desarrollo, y derivados de él, la dimensión del consumo interno de electricidad y las disponibilidades de capital. Así, países de dimensión media pero bien dotada en cuanto a caudales hídricos y con un nivel de desarrollo muy alto, figuran entre los grandes productores de hidroelectricidad.

En varios países se han emplazado centrales pequeñas, con posibilidad para generar entre un kilovatio y un megavatio.

Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable. Se puede transformar a muy diferentes escalas, existen desde hace siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales.

Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales

hidroeléctricas de presas, aunque estas últimas no son consideradas formas de

energía verde por el alto impacto ambiental que producen.



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1.6 Energía oceánica o mareomotriz.

Los mares y océanos ocupan casi las ¾ partes de la superficie del planeta es por esto que aprender a usar la energía que estos nos pueden dar es de gran utilidad para el futuro.

Históricamente la energía del mar también ha sido utilizada para la navegación, esto es con las corrientes marinas, o para capturar peces que eran sacados por las olas hacia las orilla de las playas. Uno de los usos que más se tiene documentado es en Londres, Inglaterra, donde se utilizaba en la orilla del rio Tamesis, para mover una rueda que bombeaba el agua hasta el centro de la ciudad esto fue entre los años 1581 hasta el 1822.

Las mareas, es decir, el movimiento de las aguas del mar, producen una energía que se transforma en electricidad en las centrales mareomotrices. Las mareas de los océanos constituyen una fuente gratuita, limpia e inagotable de energía, que al contrario que otras energías renovables, como la eólica o la solar, no depende de otros factores.

Esta energía pese a sus potenciales ventajas no ha sido de las más estudiadas y solamente Francia y la ex Unión Soviética tienen experiencia práctica en centrales eléctricas accionadas por mareas. Es, sin embargo, un recurso hidráulico que tiene analogía con la hidroelectricidad, la energía mareomotriz podría aportar unos 635.000 (GW/h) anuales equivalentes a1.045.000.000 barriles de petróleo ó 392.000.000 toneladas de carbón/año.

La energía mareomotriz es una de las catorce fuentes nuevas y renovables que estudian los organismos especializados de las Naciones Unidas. Esta energía no se ve limitada ni por el clima ni por la época del año y la técnica consiste en encauzar el agua de la marea en una cuenca, y en su camino accionar las turbinas de una central eléctrica. Cuando las aguas se retiran, también generan electricidad.

En la actualidad parece que el mundo está tomando conciencia de la situación que puede avecinarse y ha tenido en cuenta las ventajas que ofrece, así ha aumentado el interés por esta nueva forma de energía. Las áreas más prometedoras son las siguientes:

o La parte de la Bahía de Funday, Canadá. o Las Bahías de Cobscook y Passamaquoddy, Estados Unidos.



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o Chansy, Francia. o El Golfo de Mezen, en la ex Unión Soviética. o El estuario del río Servern, Inglaterra. o La ensenada de Walcott, Austria. o Onchón, en Corea del Sur.

Este tipo de método de obtención de energía sin duda alguna tiene mucho potencial, pero podemos apreciar que si bien se empezaron a construir en 1968, no ha habido gran desarrollo en la generación mareomotriz hasta ahora, gran parte dada por el significativo impacto ambiental provocado por la instalación de generación por mareas, y por la falta de desarrollo de centrales por olas. Si vemos un mapa mundial del espectro de olas podemos apreciar que existen diversos lugares muy propicios para la instalación de generadores por olas que no se han aprovechado, desperdiciando una gran cantidad de energía renovable. Hoy en día existen muchos proyectos mareomotrices llevándose en curso. Muchos de ellos ya se encuentran realizado pruebas, tanto en modelos a escala como a tamaño real. También cabe señalar que la generación mareomotriz por medio de olas es la que está obteniendo el mayor interés de investigación a través del mundo, y es bastante claro debido al alto contenido energético de las olas, al progreso de las tecnologías en motores lineales e instalaciones de menor costo, y de los lugares favorables existentes para la instalación de granjas mareomotrices. La tendencia general en cuanto a la ayuda del gobierno a propiciar fondos de desarrollo de energía mareomotriz ha ido creciendo, fomentando el uso de tecnologías renovables para evitar los gases del efecto invernadero. Las limitaciones actuales en cuanto al progreso de las tecnologías se deben a incertidumbres en torno a la conexión a la red de los proyectos demostrados, la insuficiencia de conocimiento del impacto ambiental y la poca colaboración entre desarrolladores. Otras limitaciones que se deben considerar son la ausencia de estándares y líneas a seguir para propiciar el desarrollo, las pruebas y las comparaciones entre éstos, que también facilitarían a los inversionistas en la selección de la tecnología adecuada a sus necesidades. La mayor barrera que limita el desarrollo de las tecnologías mareomotrices es la carencia de demostraciones de prototipos a tamaño real que prueben que dicha tecnología funciona.



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1.7 Energía biomasa

La biomasa es materia viva que ha estado viva recientemente. Pueden ser un conjunto de materia biológicamente renovable, (madera, células, resto de comida), por extensión, la energía que proviene de la fermentación o la combustión, o sea del quemado de los desechos o por la fermentación de los desechos orgánicos que están sepultados. De las dos Formas se puede obtener gas o electricidad.

Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial. En la actualidad los principales usos que tiene son domésticos.

Actualmente la biomasa se usa para generar 2 tipos de combustibles que son el biogás y el biocombustible.

1.7.1 Historia biogás.

Históricamente las primeras menciones sobre biogás se remontan al 1600 identificados por varios científicos como un gas proveniente de la descomposición de la materia orgánica, pero el comienzo de la historia del biogás se puede fijar en unos 5.000 años atrás. Los inicios del biogás se han fijado en base a hechos históricos que dicen que, alrededor de 3000 años antes de Cristo, los sumerios ya practicaban la limpieza anaerobia de los residuos También hay datos que están basados en el relato del viaje de Marco Polo a China (Catai) (1278-1295) en el libro “Divisament du monde” en el que se describen unos tanques cubiertos en donde se almacenaban las aguas residuales en la antigua China, pero no está claro si capturaban el gas o si le daban alguna utilidad, en este libro se dice que este hecho, está mencionado en la literatura china del tercer milenio antes de Cristo. También hay otras fuentes que citan como primer uso del biogás el calentamiento del agua de los baños públicos en Asiria, allá por el siglo X aC. Ya en nuestra era, el estudioso romano Plinio describió, alrededor del año 50 después de Cristo, el brillo de unas luces que aparecían por debajo de la superficie de los pantanos.

La primera unidad de digestión anaerobia para la obtención de biogás a partir de aguas residuales fue construida en la India en 1859, en el asilo-hospital de



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leprosos de Matunga, cerca de Mumbai en la India, esta planta purificaba las aguas residuales y proveía de luz y energía al hospital en caso de emergencias; hay también constancia de la construcción de un digestor en la ciudad de Otago en Nueva Zelanda, casi veinte años antes, hacia 1840. En américa al primer científico que se le puede atribuir una descripción del biogás es a Benjamín Franklin que en 1764 describió que el biogás pudo ser el causante que se prendiera fuego una gran superficie de un brumoso lago poco profundo en New Jersey. En 1804, John Dalton describe la estructura química del metano y lo asocia con el biogás. En 1806, William Henry dedujo la identidad probable del gas de los pantanos. En 1808 Humphrey Davy, químico inglés, produce gas metano en un laboratorio con estiércol de ganado. Se toma este acontecimiento como el inicio de la investigación en biogás. Labor que continua, en parte, su alumno y luego célebre físico inglés Faraday, realizando algunos experimentos con el gas de los pantanos y el hidrocarburo identificado como parte de él. Es en 1821 cuando Avogadro elucida por primera vez la estructura química final del metano (CH4). En la segunda mitad del siglo XIX, se comenzó en Francia una investigación en profundidad, más sistemática y científica para comprender mejor el proceso de la fermentación anaerobia. El objetivo era simplemente suprimir el mal olor emitido por los conjuntos de aguas residuales. Durante sus experimentos, los investigadores descubrieron algunos de los microorganismos que hoy se conocen como esenciales para el proceso de fermentación. La primera aplicación de la digestión anaerobia para el tratamiento de agua de alcantarillado no es hasta 1860 con el desarrollo de una cámara de aire hermética simple por Mouras en Francia. Louis Pasteur intentó en 1884 producir biogás a partir del estiércol de caballo recogido de las calles de París. En ese mismo año, junto con su alumno Ulysse Gayon o Gavon obtuvo 100 litros de biogás por metro cúbico de estiércol gas al mezclar estiércol y agua a 35ºC, sin la presencia de oxígeno. En ese mismo año, otro investigador francés llamado Pastnier presentó ante la Academia de Ciencias de Francia el primer trabajo sobre la producción de metano a partir de residuos de granjas.



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En 1894, en la presentación de los trabajos de Gayon sobre este tema, Pasteur consideró que la fermentación debía ser investigada más a fondo, apuntando que este gas podía ser utilizado para iluminación y calefacción. De hecho Pasteur afirmó que la proporción de producción de biogás obtenida por sus experiencias podía ser suficiente para cubrir los requisitos de energía para la iluminación de las calles de París. Pero la propuesta para mejorar la iluminación callejera de París con la fermentación del estiércol de los caballos,, de los numerosos taxis, fue tomada a broma por el periódico “Le Figaro” y no se ejecutaron los trabajos. La aplicación de las fuentes de energía renovable comienza aquí su andadura. Entre 1895-96, en la población de Exeter (RU) las lámparas del alumbrado público comenzaron a ser alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos de su alcantarillado. Constituyendo esto, el primer uso dado al gas metano obtenido por fermentación. A finales del siglo XIX fue demostrada la presencia de microorganismos involucrados en el proceso de fermentación metánica. En estos finales del siglo XIX se construyen en el sur de China las primeras plantas de biogás, tal y como se conocen actualmente. Con motivo de la II Guerra Mundial se desarrollaron en Alemania un gran número de instalaciones de digestión anaerobia con el fin de potenciar nuevas fuentes de energía, y aunque la tecnología se extendió al resto de Europa Occidental, cuando cesaron las condiciones de escasez de combustibles sólo quedaron funcionando algunos pocos digestores en Alemania y Francia. Alrededor de los años cuarenta del siglo pasado, en los Estados Unidos, se emplea el término de “digestión anaeróbica” como una parte del tratamiento de las aguas residuales, generando metano que es utilizado para generar electricidad para las propias plantas de depuración. Después de la II Guerra Mundial se construyeron cerca de 40 digestores, en Europa, pero su desarrollo se frenó por los bajos precios de los combustibles fósiles. Después de esta Gran Guerra la generación de biogás se extendió y se desarrolló en diversos países, tales como: Sudáfrica, Rodesia, Kenia, Uganda, Rusia, Australia, Italia, Corea, Taiwán, Japón, Israel, Estados Unidos, India y Filipinas. En los países industrializados, el desarrollo de la metanización ha estado más influenciado por criterios medioambientales que los puramente energéticos, siendo



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en método clásico de estabilización de las aguas residuales urbanas. De hecho, hasta que se produjo la “Crisis del Petróleo” el proceso anaerobio, había sido considerado por los países industrializados como un tratamiento para reducir las altas cargas orgánicas de algunos residuos, pero sin aprovechar los lodos como fertilizantes o el metano como combustible. La segunda oleada de construcciones de digestores tuvo lugar en los años 70 del pasado siglo, a raíz de la “Crisis del Petróleo”. Pero su desarrollo se frenó por la escasa producción de metano y el elevado coste de las instalaciones a finales de los 80, agravando el problema la caída de los precios del petróleo. Con la nueva legislación eléctrica de los años 90, en Alemania, se produjo una nueva oleada de construcción de digestores, que todavía se mantiene gracias al pago por kWh producido, que es mejorada con la nueva ley de energías renovables. De hecho, al final de los años noventa del pasado siglo, se construyeron y se implementaron numerosas plantas para el tratamiento mecánico-biológico de las basuras. La tecnología estaba basada en procesos anaerobios con algún compostaje aerobio. El proceso anaerobio se demostró ser ventajoso ya que permitió proporcionar bastante energía para la propia planta. Nepal es el país del mundo que tiene la mayor proporción de plantas de biogás por habitante. A lo largo de los años transcurridos, la tecnología de la digestión anaeróbica se fue especializando abarcando actualmente muy diferentes campos de aplicación con objetivos muy diferentes. Como se puede ver en la siguiente imagen.

Fuente http://www.textoscientificos.com



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A nivel latinoamericano, se ha desarrollado tecnología propia en la Argentina para el tratamiento de vinazas, residuo de la industrialización de la caña de azúcar. En Brasil y Colombia se encuentran utilizando sistemas europeos bajo licencia.

El número de reactores de este tipo aún no es importante en el mundo pero los continuos descubrimientos, reducciones de costos y mejoramiento de la confiabilidad hacen suponer un amplio campo de desarrollo en el futuro, además de que su futura expansión se encuentran centradas en dos aspectos críticos del futuro como son la energía y la contaminación.

1.7.2 Historia biodiesel.

El biodiesel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del diesel o de la gasolina obtenida del petróleo.

La transesterificación de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por los científicos E. Duffy y J. Patrick, muchos años antes de que el primer motor diésel funcionase. El primer modelo de Rudolf Diesel, un monocilíndrico de hierro de 3 metros con un volante en la base funcionó por vez primera en Augusta, Alemania, el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento, el 10 de agosto se ha declarado "Día Internacional del Biodiesel". Diesel presentó su motor en la Exposición Mundial de París de 1900. Este motor es un ejemplo de la visión de Diesel, ya que era alimentado por aceite de cacahuete, un biocombustible, aunque no estrictamente biodiesel, puesto que no era transesterificado. Diesel quería que el uso de un combustible obtenido de la biomasa fuese el verdadero futuro de su motor. En un discurso de 1912, dice: “el uso de aceites vegetales para el combustible de los motores puede parecer insignificante hoy, pero tales aceites pueden convertirse, con el paso del tiempo, importantes en cuanto a sustitutos del petróleo y el carbón de nuestros días”.

El estudio del biodiesel se vio estancado durante los 20’s dado que los productores de motores diesel adaptaron sus motores a la menor viscosidad de los combustibles fósiles, aunque durante la postguerra mundial varios países informaron haber usado aceites vegetales como sustituto del diesel.

El 31 de agosto de 1937, G. Chavanne de la Universidad de Bruselas, Bélgica, obtuvo la patente por “transformar aceites vegetales para su uso como



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combustibles”. La patente describía la transesterificación del aceite usando etanol o metanol para separar la glicerina de los ácidos grasos y reemplazarla con alcoholes de cadenas cortas. Esta fue la primera producción de biodiesel.

En 1977, Expedito Parente, científico brasileño, inventó y patentó el primer proceso industrial de producción de biodiesel. Actualmente, Tecbio, la empresa de Parente, trabaja junto con Boeing y la NASA para certificar bio-queroseno.

Entre 1978 y 1996, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) estadounidense ha experimentado el uso de algas como fuente de biodiesel, dentro del Aquatic Species Program. La experimentación del NREL, tras 16 años, está estancada debido a que el programa de investigación carece de financiación.

En 1979 se iniciaron en Sudáfrica investigaciones sobre cómo transesterificar aceite de girasol en diésel. Finalmente en 1983, el proceso de cómo producir biodiesel de calidad fue completado y publicado internacionalmente. Gaskoks, una industria austríaca, obtuvo esta tecnología y estableció la primera planta piloto productora de biodiesel en 1987 y una industrial en 1989.

Durante la década de los 90, se abrieron muchas plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa, Alemania y Suecia.

En los años noventa, Francia ha lanzado la producción local de biodiesel obtenido de la transesterificación del aceite de colza. Va mezclado en un 5% en el combustible diésel convencional, y en un 30 % en el caso de algunas flotas de transporte público. Renault, Peugeot y otros productores han certificado sus motores para la utilización parcial con biodiesel, mientras se trabaja para implantar un biodiesel del 50%.

En septiembre del año 2005, Minnesota fue el primer estado estadounidense que obligaba un uso de, al menos, un 2% de biodiesel.

En 2008, la ASTM (American Society for Testing and Materials) publicó los estándares y especificaciones de mezcla de biodiesel.

Actualmente Alemania, Austria, Canadá, Estados Unidos, Francia, Italia, Malasia y Suecia son pioneros en la producción, ensayo y uso de biodiesel en automóviles.



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Capítulo 2

Estudio de la formación del biogás.

2.1 Biomasa. Por definición el término de biomasa es: la cantidad de materia viva producida en un área determinada de la superficie terrestre, o por organismos de un tipo específico. El termino es utilizado con mayor frecuencia la discusión a relativas a la energía biomasa, el decir, al combustible energético que se obtiene directa o indirectamente de recursos biológicos. La energía de biomasa que se obtiene la madera, residuos agrícolas y estiércol, sigue siendo la fuente principal de energía en las zonas de desarrollo. En algunos casos también el recurso económico más importante, un ejemplo de esto son Brasil y China, donde la caña de azúcar se convierte en etanol y se obtiene el estiércol respectivamente. Existen varios proyectos de investigación que pretenden conseguir un desarrollo mayor de la energía de biomasa, sin embargo, la rivalidad económica que plantea con el petróleo es responsable de que dichos esfuerzos se hallen en una fase temprana de desarrollo. La más amplia definición de biomasa sería considerar como tal a toda la materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo las materiales procedentes de su transformación natural o artificial. La biomasa se puede clasificar en dos tipos: Biomasa natural: en la que se produce en la naturaleza sin intervención humana. Biomasa residual: en la que genera cualquier actividad humana, principalmente los propios agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal como, basura y aguas residuales. La biomasa producida, era cultivada con el fin de obtener biomasa transformada en combustible, en vez de producir alimentos, un ejemplo de esto es la caña de azúcar en Brasil que está orientada a la producción de etanol para carburante.



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Desde el punto de vista energético se puede aprovechar la biomasa mediante la combustión y producción de calor o transformándola en combustible para su mejor transporte y almacenamiento.



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2.2 Biogás. El biogás se conoce desde el siglo XVIII como un caso que se desprende de ambientes anaerobios ricos en materia orgánica el cual representa una fuente de energía y pueden ser recogidos y quemarse con facilidad. Se produce por la descomposición microbiológica de la materia orgánica en ausencia de aire, es un proceso natural que tiene lugar en todos los ámbitos donde se descompone dicha materia, también llamada biomasa, en un entorno húmedo y anoxico a través de la actividad bacteriológica. La energía contenida en esta materia proceden originariamente la luz solar que es transformada en energía bioquímica por medio de la fotosíntesis, por tanto el aprovechamiento del biogás es en realidad un aprovechamiento indirecto de la energía solar. Básicamente se podrá utilizar todo tipo de materia orgánica o biológica para la generación de biogás, siempre y cuando éstas pudieran ser reducidas por microorganismo. Durante el proceso de la descomposición se obtiene el biogás que es una mezcla de metano y otros gases que ella desprende durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, a su vez como residuo de la descomposición se obtiene un lodo que resulta ser un acondicionador de suelo con alto valor fertilizante. El biogás se puede obtener mediante un digestor o bien canalizado directamente en un vertedero controlado. En el primer caso, la temperatura de digestor se mantiene unos 50 °C; de este modo se logra que el pH este comprendido entre 6.2 y 8, lo que favorece la actividad de los microorganismo. La degradación bioquímica, de gran complejidad y que dura entre 10 y 25 días, se desarrollen trasvases principales: la hidrólisis y acidogenesis, la acetogenesis y la metanogénesis . Fase de hidrólisis

Las bacterias de esta primera etapa toman la materia orgánica virgen con sus largas cadenas de estructuras carbonadas y las van rompiendo y transformando en cadenas más cortas y simples (ácidos orgánicos) liberando hidrógeno y dióxido de carbono.

Este trabajo es llevado a cabo por un complejo de microorganismos de distinto tipo que son en su gran mayoría anaerobios facultativos.



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Fase de acidificación

Esta etapa la llevan a cabo las bacterias acetogénicas y realizan la degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético CH3-COOH y liberando como productos Hidrógeno y Dióxido de carbono.

Esta reacción es endoexergética pues demanda energía para ser realizada y es posible gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando la concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas. Esta baja concentración de productos finales es la que activa la reacción y actividad de estas bacterias, haciendo posible la degradación manteniendo el equilibrio energético.

Fase metanogénica

Las bacterias intervinientes en esta etapa pertenecen al grupo de las arquobacterias y poseen características únicas que las diferencian de todo el resto de las bacterias por lo que las diferencian de todo el resto de las bacterias por lo cual, se cree que pertenecen a uno de los géneros más primitivos de vida colonizadoras de la superficie terrestre.

La transformación final cumplida en esta etapa tiene como principal substrato el acético junto a otros ácidos orgánicos de cadena corta y los productos finales liberados están constituidos por el metano y el dióxido de carbono.

Hay dos tipos de metanogénesis:

Hidrogenotrofica: El sustrato universal de la metanogénesis es el CO2, que constituye la fuente de materia orgánica, y el H2 que es el dador de electrones.

Acetoclastica: Otra vía para lograr finalmente el metano es la que utiliza como sustrato el acetato, en este caso el dador de electrones es H2O.



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Esquema fermentación anaeróbica de desechos orgánicos. Fuentes

http://www.textoscientificos.com

Si dentro del digestor no existe presencia de oxígeno y las condiciones de temperatura y carga son controladas, se establece un balance entre familias, de otra manera la reproducción de las formadoras de metano sería inhibida y en algunos casos podría pararse totalmente el proceso de digestión.



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2.3 Características generales de la bacteria formadora de metano. Las bacterias que producen metano son conocidas como metanogénicas, las cuales pertenecen al grupo de los procariontes, y en el subgrupo de las arqueas. Estas bacterias metanogénicas han sido aisladas de los digestores anaeróbicos junto con las anaeróbica ser obligadas. Las baterías de metano están entre los microorganismos estrictamente anaeróbicos (. 01mg/lt de oxígeno disuelto, inhibe su crecimiento completamente). Se encuentra naturalmente en los pantanos, aguas estancadas, en el rumen de los rumiantes, en algunas especies de térmicas e inclusive en otros seres vivos como caballos o el hombre. Cuando la bacteria es aislada en cultivos puros, algunas de ellas son capaces de producir sus constituyentes celulares de componentes simples de carbón. Su crecimiento también puede controlarse, un ejemplo es una adición extra de ácido acético piruvato aumenta su crecimiento en cuanto a la velocidad no el tamaño. Los requerimientos nutricionales de las diferentes especies serán probablemente dependientes de la fuente del microbio aislado. La estimulación del crecimiento de esta bacteria de metano por la adición de componentes orgánicos de bajo peso molecular y vitaminas del grupo B muestran algunas similitudes con microorganismos autotróficos. El Methanococus Viannielli, es la bacteria de metano conocida como la de más rápido crecimiento; sin embargo, el movible con paredes frágiles y largas formas celulares. Muchas de las bacterias de metano son pleimorficas. Su longitud puede variar entre 2 y 15 micras. Nutricionalmente se dice que las bacterias metanogénicas son Chemolithohetenotrophiz, lo cual significa que éstas pueden consumir su propia estructura celular de carbonato u otros componentes orgánicos. Considerando que las materias formadoras de metano son lentas para multiplicarse y muy sensibles a los cambios ambientales entre los dos grupos: un exceso de ácidos volátiles es generalmente el mejor indicador de que el proceso de digestión anaeróbico está llevándose a cabo con baja eficiencia y está en peligro de interrumpirse. El crecimiento de la población microbiana es de una progresión geométrica en el tiempo. Las células individuales crecen y se dividen aproximadamente al mismo



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ritmo que las células Padres, por otra razón existen doble célula durante cada generación. La curva típica de crecimiento para una población bacteriana se muestra a continuación.

Fuente http://www.oocities.org

Utilizando el inoculó apropiado puede reactivarse de un estado estacionario, el cual es definido como el que mantiene la producción máxima de gas en variaciones dentro del 20%. Lo anterior es independiente de tamaño de digestor, y él inoculó que se utilice deberá tener cantidad adecuada de no ser así, se requeriría mucho mayor período de inducción.



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2.4 Propiedades físicas y químicas del biogás. El biogás es una mezcla de gases, cuyos principales componentes son metano CH4 y dióxido de carbono CO2. El metano es un gas combustible, incoloro, inodoro e insípido, con una densidad menor que la del aire; pues de asfixiante y explosivos sino se maneja adecuadamente. El dióxido de carbono es un gas inerte insolencia es mayor que la del aire. La composición del gas puede variar dependiendo de diversos factores que intervienen en el proceso de digestión tales como: temperatura, ph, etc.. Teóricamente en la fermentación anaeróbica se produce la misma cantidad de metano y dióxido de carbono, pero debido a la alta solubilidad del dióxido de carbono en agua baja su contenido en la fase gaseosa, quedado la composición típica de: CH4 60% y CO2 40%. Si se incluyen todos los componentes, el biogás está formado como se muestra en la siguiente imagen.


La combustión total de un metro cúbico de biogás es suficiente para:

Generar 1.25 kW/h de electricidad.

Generar 6 horas de luz equivalente a un foco de 60 watts.

Poner a funcionar un refrigerador de 1m3 de capacidad durante una hora.

Hacer funcionar una incubadora de 1m3 de capacidad durante 30 minutos.

Hacer funcionar un motor de 1HP durante dos horas.

En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás pero los más comúnmente usados son los motores de gas-Otto y los de gas-Diesel. Esto quiere decir que un metro cubico de biogás puede compararse con .4 kg de aceite diesel, .6 kg de petróleo o .8 kg de carbón.



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2.5 Impurezas del biogás. Las principales impurezas del biogás producidas en el proceso de fermentación anaeróbica son el CO2 y el H2S y como el biogás se produce en el medio acuoso, se tiene también agua de arrastre y vapor de agua. Si se eliminan las impurezas antes mencionadas prácticamente se obtiene gas natural sintético, pero al hacerlo implica aumentar el costo del gas y sofisticar el sistema.



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2.6 Purificación del biogás. En la práctica, la purificación del biogás no es más que la remoción del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno; el dióxido de carbono es eliminado para aumentar el Valor del biogás como combustible y es sulfuro de hidrógeno se elimina para disminuir el efecto de corrosión sobre los metales que están en contacto con el biogás. Para las comunidades rurales es más práctico no ocuparse de la remoción del dióxido de carbono. En general los campesinos prefieren un gas menos eficiente que tener tiempo ocupado en el control del mismo, por lo que las pequeñas granjas esta labor se considera innecesaria. Para grandes plantas de biogás y otra específicas donde los aspectos técnicos son menos onerosos existen justificaciones económicas para la purificación. El método químico más simple y eficiente de remoción de dióxido de carbono es su absorción en agua de cal. El método necesita mucha atención por cuanto el agua de cal se agota y necesita reemplazarse frecuentemente, lo que trae como consecuencia su preparación frecuente sinos se obtiene comercialmente. El agua de cal puede sustituirse por una solución acuosa de etanolamina, la cual absorbe dióxido de carbono y también el sulfuro de hidrógeno, aunque este proceso es caro para hacerlo rutinario la purificación del biogás debido al calentamiento periódico el que tiene que ser sometida esta sustancia para su regeneración. Otra alternativa es utilizar otro residual fuertemente alcalino como medio de absorción de estos gases como son los efluentes de cultivos de microalgas. El líquido afluente del digestor es vertido directamente en un tanque de gran tamaño para producir el alga Spirulina. El alga es filtrada para ser usada como alimento de cerdos y patos, o bien como aditivo y el agua residual que tiene un valor de pH de 10 o más es almacenada en un tanque cilíndrico. Esta agua se hace atravesar en contracorriente con el biogás. El agua que queda como resultado de esta reacción contiene carbonato de hidrógeno la cual es rehusada en el cultivo de las algas. El dióxido de carbono es bastante soluble incluso en agua neutral (878 cm3/L a 20 °C) bajo presión atmosférica, así que lavado con agua ordinaria es quizás el método más sencillo de eliminación de impurezas. El dióxido de carbono es soluble en aguas mientras que metano no, a alta presión la solubilidad del dióxido de carbono aumenta proporcionalmente permitiendo que la concentración de metano en el biogás se incremente.



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2.7 Factores que afectan la producción de gas.

La actividad metabólica involucrada en el proceso metanogénico se ve afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a esos cambios no es posible dar valores cualitativos sobre el grado que afecta cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa.

Entre los factores más importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes:

tipo de sustrato (nutrientes disponibles) temperatura del sustrato; la carga volumétrica tiempo de retención hidráulico nivel de acidez (pH) relación Carbono/Nitrógeno concentración del sustrato; el agregado de inoculantes grado de mezclado presencia de compuestos inhibidores del proceso.

2.7.1 Tipo de materia prima

Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a los excrementos animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las industrias (producción de alcohol, procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes, alimenticias en general), restos de cosechas y basuras de diferentes tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas.

El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores).

Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas. Sin embargo en la digestión de ciertos desechos industriales puede presentarse el caso de ser necesaria la adición de los compuestos enumerados o bien un post tratamiento aeróbico.



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En lo atinente a estiércoles animales la degradación de cada uno de ellos dependerá fundamentalmente del tipo de animal y la alimentación que hayan recibido los mismos.

Los valores tanto de producción como de rendimiento en gas de los estiércoles presentan grandes diferencias. Esto es debido al sinnúmero de factores intervinientes que hacen muy difícil la comparación de resultados.

A continuación se expone un cuadro indicativo sobre cantidades de estiércol producido por distintos tipos de animales y el rendimiento en gas de los mismos tomando como referencia el kilogramo de sólidos volátiles.


2.7.2 Temperatura del sustrato

Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4º a 5º C y no se debe sobrepasar una máxima de alrededor de 70ºC. Se realiza generalmente una diferenciación en tres rangos de temperatura de acuerdo al tipo de bacterias que predominan en cada una de ellas.

Tabla de temperaturas de las bacterias. Fuente http://www.textoscientificos.com

La actividad biológica y por lo tanto la producción de gas aumenta con la temperatura. Al mismo tiempo se deberá tener en cuenta que al no generar calor el proceso la temperatura deberá ser lograda y mantenida mediante energía exterior. El cuidado en el mantenimiento también debe extremarse a medida que



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aumentamos la temperatura, dada la mayor sensibilidad que presentan las bacterias termofílicas a las pequeñas variaciones térmicas.

Todas estas consideraciones deben ser evaluadas antes de escoger un determinado rango de temperaturas para el funcionamiento de un digestor ya que a pesar de incrementarse la eficiencia y producción de gas paralelamente aumentará los costos de instalación y la complejidad de la misma.

Los digestores que trabajan a temperaturas meso y termofílicas poseen generalmente sistemas de calefacción, aislamiento y control los cuales son obviados en digestores rurales económicos que trabajan a bajas temperaturas.

La temperatura está íntimamente relacionada con los tiempos que debe permanecer la biomasa dentro del digestor para completar su degradación (Tiempo de retención Hidráulica, TRH). A medida que se aumenta la temperatura disminuyen los tiempos de retención y en consecuencia se necesitará un menor volumen de reactor para digerir una misma cantidad de biomasa.

2.7.3 Velocidad de carga volumétrica

Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención.

Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada, debido a que una misma cantidad de material biodegradable podrá ser cargado con diferentes volúmenes de agua.

2.7.4 Tiempos de retención

Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas discontinuos o Batch” donde el T.R. coincide con el tiempo de permanencia del sustrato dentro del digestor.

En los digestores continuos y semicontinuos el tiempo de retención se define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria.



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De acuerdo al diseño del reactor, el mezclado y la forma de extracción de los efluentes pueden existir variables diferencias entre los tiempos de retención de líquidos y sólidos debido a lo cual suelen determinarse ambos valores.

El T.R. está íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo.

La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material.

La relación costo beneficio es el factor que finalmente determinará la optimización entre la temperatura y el T.R., ya varían los volúmenes, los sistemas paralelos de control, la calefacción y la eficiencia.

Con relación al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor proporción de carbono retenido en moléculas resistentes como la celulosa demandarán mayores tiempos de retención para ser totalmente digeridos.

A modo de ejemplo se dan valores indicativos de tiempos de retención usualmente más utilizados en la digestión de estiércoles a temperatura mesofílica.

Tabla de tiempo de retención hidráulica. Fuente http://www.textoscientificos.com

2.7.5 Valor de acidez (pH)

Una vez estabilizado el proceso fermentativo el pH se mantiene en valores que oscilan entre 7 y 8,5. Debido a los efectos buffer que producen los compuestos bicarbonato-dióxido de carbono (CO 2 -HCO 3) y Amonio -Amoníaco (NH 4 -NH 3) el proceso en sí mismo tiene capacidad de regular diferencias en el pH del material de entrada.

Las desviaciones de los valores normales es indicativo de un fuerte deterioro del equilibrio entre las bacterias de la faz ácida y la metanogénica provocado por severas fluctuaciones en alguno de los parámetros que gobiernan el proceso.



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2.7.6 Contenido de sólidos

La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y producción de gas. Por otro lado podemos encontrar en la literatura datos de producciones de gas importantes logradas en rellenos sanitarios con un alto contenido de sólidos.

En este punto tampoco existen reglas fijas; mediciones realizadas utilizando mezclas de estiércoles animales en agua han determinado que para digestores continuos el porcentaje de sólidos óptimo oscila entre el 8% y el 12%.

2.7.7 Inclusión de inoculantes

El crecimiento bacteriano dentro de los digestores sigue desde su arranque la curva típica.


En la figura pueden distinguirse claramente tres etapas: La de arranque (I), la de estabilización (II) y la de declinación (III).

La primera etapa puede ser acortada mediante la inclusión de un determinado porcentaje de material de otro digestor rico en bacterias que se encuentran en plena actividad. Esto es particularmente importante en los digestores discontinuos que deben ser arrancados frecuentemente.

Al llegarse en forma más rápida a la estabilización puede incrementarse la producción de gas por kg. de estiércol.



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Los dos factores a tener en cuenta en la inoculación de un digestor es la proporción en que se agrega y la edad del mismo. Cuanto mayor sea la proporción y menor la edad mayor será la eficacia.

2.7.8 Agitación - mezclado

Los objetivos buscados con la agitación son: remoción de los metabolitos producidos por las bacterias metanógenas, mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la formación de costra que se forma dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios “muertos” sin actividad biológica.

En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las siguientes consideraciones: El proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una mema en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de gas.

Como conclusión en la elección de un determinado sistema se tendrá siempre presente tanto los objetivos buscados como el prejuicio que puede causar una agitación excesiva debiéndose buscar un punto medio óptimo.

Existen varios mecanismos de agitación utilizados desde los más simples que consisten en un batido manual o el provocado por la entrada y salida de los líquidos hasta sofisticados equipos que involucran agitadores a hélice, recirculadores de sustrato e inyectores de gas.

2.7.9 Inhibidores

La presencia de metales pesados, antibióticos y detergentes en determinadas concentraciones pueden inhibir e incluso interrumpir el proceso fermentativo.

Cuando es demasiado alta la concentración de ácidos volátiles (más de 2.000 ppm para la fermentación mesofílica y de 3.600 ppm para la termofílica se inhibirá la digestión. También una elevada concentración de Nitrógeno y Amoníaco destruyen las bacterias metanogénicas.



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Cuadro de inhibidores comunes. Fuente http://www.textoscientificos.com

En el cuadro se dan valores de concentraciones de ciertos inhibidores comunes. Valores que se deben tomar como orientativos, puesto que las bacterias intervinientes pueden con el tiempo adaptarse a condiciones que en un principio las afectaba marcadamente.



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CAPÍTULO 3

Tipos de Biodigestores.

3.1 Biodigestor. Un Biodigestor es un reactor donde se colocan los residuos orgánicos para ser digeridos, éste puede tener cualquier forma esto quiere decir que puede ser un tanque de forma rectangular, cilíndrica, esférica o semiesférica, todo esto dependiendo de las necesidades del usuario. Sin embargo no se recomienda usar tanques en forma rectangular, dado que requieren mayor cantidad de material de construcción y tienen varias zonas de composición diferente y esto implica menor eficiencia del sistema. Hoy en día no existe una calificación específica de ellos, en forma general de clasifican según su modo de operación que son estacionario, semicontinuo y continuo.

3.1.1Biodigestor de flujo estacionario. Estos Biodigestores de cargar una sola vez y se descargan cuando han dejado de generar gas, por lo General para este tipo de digestor se requiere de una mayor mano de obra y un espacio para almacenar la materia prima si se genera constantemente y de un depósito de gas.

3.1.2 Biodigestor de flujo semicontinuo. Este tipo de Biodigestor se construye enterrado, si carga por gravedad una vez al día y en la parte superior flota una campana donde se almacena el gas. por lo general requieren de menos mano de obra, pero de una mezcla más fluida o movilizada de manera mecánica y de un depósito de gas (si este no se utiliza en su totalidad de manera continua). Existen tres tipos de biodigestores de flujo semicontinuo y son:

De cúpula fija (chino).

De cúpula móvil o flotante (hindú).

De salchicha, tubular, Taiwan, CIPAV o biodigestores familiares de bajo

costo.



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Fuente http://www.monografias.com Fuente http://comuni.ning.com

3.1.3 Biodigestores de flujo continúo

Se usan generalmente para tratamiento de aguas residuales, tienden a ser grandes de corte industrial, con sistemas comerciales para el control y gestión del proceso. La producción de Biogás es mucho mayor pueden ser:

Sistema de desplazamiento horizontal (movimiento por flujo pistón, gravedad).

Sistema de tanques múltiples.

Sistema de tanque vertical.

Fuente http://www.eg-ingenieria.com.ar Fuente http://www.taringa.net



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3.2 Partes de un Biodigestor.

Un Biodigestor está constituido por varias partes de las que sobresalen el tanque de carga y el de descarga, las válvulas, la línea de conducción, el tanque de almacenamiento de gas y las trampas de purificación. A continuación se describirá cada una de las partes antes mencionadas.

3.2.1 Tanque de carga. Es el ducto por el cual va a ser alimentado el digestor y está construido de ladrillo común y su superficie interna lleva un aplanado de cemento. La alimentación se prepara en el tanque de carga y se introduce al digestor por la parte inferior a través de un tubo de PVC dirigido hacia la línea central del tanque.

3.2.2. Tanque de Almacenamiento de gas. Para los digestores de domo fijo y de domo flotante el tanque de almacenamiento consiste en una construcción circular o cuadrada de ladrillo con un acabado por adentro de cemento pulido y para los digestores de globo consistirá en una bolsa de material plástico resistente a la corrosión y al medio agresivo. El gas producido por el digestor se almacena con el fin de tener disponible una cantidad suficiente en el momento que se requiera, utilizando cualquier recipiente hermético. En algunos tipos de digestores el almacenamiento está directamente sobre la boca, en esos casos es conveniente utilizar campanas flotantes metálicas que permiten disponer del gas a una presión constante.

3.2.3 Válvulas. Se utilizan mínimo dos válvulas para gas, la primera o principal irá instalada inmediatamente al comienzo de la conducción y sobre el niple de salida. La segunda se monta al final de la línea, en el lugar de uso. Estas válvulas, cuyo tamaño debe ser compatible con el diámetro de la tubería, deberán estar construidas en acero inoxidable o en PVC para evitar la corrosión por el ácido sulfhídrico.

3.2.4 Línea de conducción. La línea de conducción para una instalación típica, sus dimensiones van a depender de:



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a).-Del flujo de gas que se desea transportar y b).-De la distancia existente entre la planta y el lugar de uso. Vale la pena mencionar que las plantas de Biogás utilizan casi siempre manguera de PVC, debido a que este material no es afectado por la acción del ácido sulfhídrico. La manguera de PVC irá preferiblemente enterrada o recubierta para evitar el deterioro (cristalización) por la luz solar. De lo contrario, se colocará elevada para evitar daños físicos causados por personas o animales. La siguiente tabla permite seleccionar el diámetro de la tubería:

Fuente Guardado Chacón José Antonio, diseño y construcción de plantas de

biogás sencillas, 2007 Construcciones realizadas indican que la tubería de salida debe tener 1” pulgada de diámetro para digestores familiares y de 1 ½” para digestores grandes.

3.2.5 Trampas. El gas debe ser purificado antes del uso. La purificación, en los casos en que el uso se reduce a calefacción, alumbrado o cocción de alimentos, tiene por objeto eliminar o disminuir el contenido de ácido sulfhídrico para proteger de la corrosión



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los equipos, y a la reducción del contenido de agua presente en el gas como resultado del proceso de digestión.

a) Trampas de ácido sulfhídrico Están constituidas por un recipiente relleno con material de hierro finamente dividido formando un lecho poroso a través del cual debe circular el gas para que reaccione con el metal y se deposite en el lecho. La condición de porosidad se alcanza utilizando como relleno virutas de hierro o esponjillas de cocina de marca comercial. Estos materiales tienen la ventaja de ser da bajo costo y de oponer poca resistencia al flujo de gas, aspecto importante en razón de las bajas presiones que se manejan en este tipo de sistemas. La forma del recipiente y las características del material utilizado para su construcción dependen del gusto del propietario de la planta. El único requisito es el de que sean completamente herméticos para evitar fugas de gas. Así, es posible encontrar, en plantas en operación trampas: Rectangulares construidas en hierro o en acero, pintadas con el mismo material empleado en el enlucimiento y protección de la campana. Cilíndricas en acero. Estas se construyen a partir de secciones de tubería estándar de 2 pulgadas o más. Al igual que las anteriores, requieren de pintura interior y exterior para protegerlas de la corrosión. Cilíndricas en PVC: Se construyen también a partir de tuberías estándar, o se arman utilizando accesorios (en Y) de PVC disponibles en el mercado. No requieren pintura protectora pero deben en lo posible no exponerse a los rayos del sol. La trampa de sulfhídrico actúa también como trampa de llama no sólo por la presencia del relleno sino por el mayor diámetro del recipiente con relación a la línea de conducción.



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biogás sencillas, 2007

b) Trampas de agua El agua arrastrada por el agua se separa cuando la corriente encuentra en su trayectoria una exención brusca y una contracción posterior. Para lograr este propósito será suficiente instalar sobre la línea un accesorio idéntico a las trampas de sulfhídrico, con la diferencia de que no se necesitará el relleno de material de hierro. Las trampas están provistas de un grifo de purga por donde se debe evacuar periódicamente el agua depositada en el fondo.


biogás sencillas, 2007



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3.2.6. Tanque de descarga. Es el ducto por medio del cual se extraen los lodos residuales producto de la digestión anaeróbica y está elaborado con los mismos materiales y de la misma forma que el tanque de carga. La descarga se efectúa por el efecto de vasos comunicantes: Al cargar el digestor, la presión del material que entra expulsa por el tubo de descarga una cantidad igual de material ya procesado (o agotado).



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3.3 Como calcular el tamaño del digestor. Normalmente después de escoger y estudiar el sitio, el fondo del tanque este 2 a 2.5 m debajo del nivel de la tierra con una inclinación de 30° reduciendo la tensión de la estructura. La construcción puede hacerse en cualquier lugar escogido, pero mientras más cercano al lugar donde se extrae la biomasa mejor, en la mayoría de los casos el tamaño de digestor depende principalmente de la cantidad en masa de materia orgánica a ser procesada. Sin embargo la cantidad de biogás producido depende de muchos factores:

El volumen de la materia seca.

La cantidad de arena y el material biológicamente inerte en la materia seca.

La naturaleza química de la materia seca.

La pérdida de temperatura entrante.

Historia del almacenamiento anterior.

La temperatura de preparación y digestión.

Para determinar el volumen de una instalación de biogás se requiere de algunos datos primarios, mediante los cuales se determinará su capacidad requerida. Esos datos pueden ser considerados como las variables de estudio, que se exponen a continuación.

3.3.1 Producción total de estiércol. Este dato se basa en la cantidad de estiércol que se puede obtener de los seres vivos que habitan el lugar un ejemplo se da en la siguiente tabla:

Fuente http://www.cubasolar.cu

El cálculo es sencillo dado que es la suma total del estiércol producido durante un día, cabe destacar que esta suma es afectada por el tiempo que el animal está en su habitad, lo que para nuestro ejemplo quedaría de la siguiente manera. 30 kg/cerdo + ((75 kg/caballo + 36 kg/buey) · 12 h/24 h) = 85.5 kg totales estiércol/día



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3.3.2 Agua necesaria Para formar la biomasa es necesario añadir agua, la cantidad de agua que se añade va en relación por cada kilogramo de estiércol. Esta relación se expresa en la siguiente tabla:

Fuente http://www.cubasolar.cu

Para este ejemplo tomaremos la relación del puerco que es de 1:1 o 1:3 esto quiere decir que por cada kg de estiércol usaremos 3kg de agua:

3 kg agua/kg estiércol · 85.5 kg estiércol = 256.5 kg agua/día



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3.3.3 Biomasa disponible. La biomasa disponible es la suma del estiércol total producido con la cantidad de agua.

85.5 kg estiércol/dia + 256.5 kg agua/día = 342 kg biomasa/día

3.3.4 Volumen diario de biomasa. Para el tratamiento se recomienda emplear un metro cúbico de capacidad en el biodigestor por cada 1 000 kg de biomasa, pues se considera que la biomasa, formada en sus tres cuartas partes por agua, posee una densidad equivalente a la de ésta.

VBM = 0.342 m3/día

3.3.5 Tiempo de retención de la biomasa. Dado que el material biodegradable requiere de un tiempo para su descomposición total en sus elementos principales, se procederá a su determinación, para en última instancia calcular el volumen de trabajo del biodigestor. Bajo la acción de bacterias mesofílicas se estima que en un reactor normal a 30 °C el tiempo requerido para biodegradar la materia prima alimentada es de 20 días, tiempo que se puede afectar por las variaciones de la temperatura ambiental.

TR = 20 días · 1,3 = 26 días

El factor 1,3 es un coeficiente que depende de la temperatura, y para garantizar un funcionamiento óptimo del biodigestor en cualquier época del año se ha asumido el valor de 25 °C.

Tabla de tiempo de retención por zona. Fuente http://dc352.4shared.com



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3.3.6 Volumen de digestión de la biomasa. Es el producto del tiempo de retención por la cantidad de biomasa por día.

VD = 0.342 m3/día · 26 días = 8.892 m3

3.3.7 Volumen de almacenamiento de gas. La capacidad requerida en el biodigestor para la acumulación de la biomasa es de 9 m3, de modo que será necesario determinar cuál es el volumen requerido para acumular el gas producido diariamente. VG = 30 kg/cerdo · 0,07 m3/kg + ((75 kg/caballo + 36 kg/buey) · 12 h/24 h) · 0,04

m3/kg = 4.43 m3

3.3.8 Volumen total del biodigestor. El volumen total se obtiene mediante la suma del volumen de almacenamiento de gas y el volumen de la digestión de la biomasa en nuestro ejemplo nos da un valor de 13 m3. Esta metodología puede seguirse para diseñar biodigestores familiares, con una cría de siete a diez cerdos, u otras combinaciones de animales.



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3.4 Proceso de construcción de un biodigestor. Existen varios tipos de biodigestores, pero su construcción es básicamente la misma, siguiendo los mismos pasos y teniendo casi las mismas características de elaboración, unos más costosos por los materiales utilizados en su construcción a otros más simples pero tienen el mismo fin. Así que como ejemplo se describirá la construcción de un biodigestor de domo flotante.

3.4.1 Selección del lugar, trazado y excavación. La planta de biogás debe de estar instalada cerca del lugar de donde se obtendrá la materia prima y que reciba la luz del sol, así como también cerca del lugar donde se utilizara el biogás (Lmáx < 0,95 Pmáx; donde Lmáx es la distancia máxima en metros; y Pmáx, la presión máxima en milímetros de columna de agua), pero también tiene que estar alejada de mantos acuíferos y de lugares con mucho tráfico. Una vez teniendo esto se procede a marcar el los lugares donde se colocaran los tanques de carga y descarga así como el foso de digestión. Para lograr un buen trazado de la planta, en el área que se utilizará para su construcción, es imprescindible eliminar todo aquello que sea un estorbo, como escombros, hierbas, plantas, raíces, etcétera. Se precede a escavar el foso para el digestor y las zanjas para la colocación de los ductos de carga y descarga como se muestra en la siguiente imagen.

Fuente: Plantas de biogás: diseño, construcción

y operación. Instituto de Investigaciones Tecnológicas. Bogotá, Colombia, 1972.



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3.4.2 Construcción del digestor. El piso se construye sobre una base firme y compacta sobre la cual se coloca una parrilla de varilla junto con una cadena armada de la cual nacerán los castillos que soportarán la estructura del digestor, se cuela la loza del piso con una mezcla de cemento y arena. Una vez realizado el paso anterior se comenzara el desplante de las paredes que irán formadas de tabique, pegadas con cemento y llevarán un aplanado fino por una mezcla de cemento y arena. En algunos lugares dadas las características del suelo no es necesario construir el tanque principal del digestor con mampostería o tabique, bastará un cilindro de malla de gallinero.

3.4.3 Construcción de los tanques de carga y descarga. Los tanques de carga y descarga se construyen de tabique pegados con cemento sobre una base de concreto simple y estarán conectados al digestor por un tubo de PVC sanitario. El tanque de alimentación se construye con tabique sobre una losa encima del suelo. El tanque de descarga debe quedar enterrado. Como se muestra a continuación.

Fuente: Energías renovables,

de Francisco Jarabo Friedrich, España, 2000.

3.4.4 Sellado e impermeabilizado del tanque. El pozo del biodigestor una vez repellado se recubre con un sellado acrílico y se impermeabiliza con pintura epoxica, como se ve en la fotografía siguiente.



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Fuente: Energías renovables, de Francisco Jarabo Friedrich, España, 2000.

3.4.5 Construcción y colocación de la campana La campana puede ser realizada de fibra de vidrio y de lámina de acero galvanizado y recubierta con pintura anticorrosiva.

Fuente: Energías renovables, de

Francisco Jarabo Friedrich, España, 2000.



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3.5 Operación de un biodigestor. La operación del digestor resulta ser muy sencilla, como se muestra a continuación en base al diagrama del sistema de la figura.

Verificar que las válvulas estén cerradas.

Abrir la válvula 2 de descarga del biogás con el fin de purgar el equipo.

Abrir la válvula 1 de alimentación.

Alimentar al digestor.

Cerrar las válvulas de descarga del biogás y la alimentación, después de haber

cargado toda la alimentación.

Purgar diariamente el biogás producido por la válvula de descarga de biogás con el propósito de eliminar la más mínima presencia de aire, así como algo de vapor de agua y de CO2 que se hayan formado.

Verificar a la salida si hay combustión de biogás.

Cargar al digestor la excreta que se vaya produciendo y retirar aproximadamente la misma cantidad de lodo digerido mediante la válvula 4 para mantener un régimen semicontinuo de operación.

Retirar también el sobrenadante del digestor mediante la válvula 3.

Operación del sistema de digestión. Imagen de Biodigestores, Coronado

Zúñiga Iván, 2007.

En un principio se alimentará del digestor la excreta recolectada y se iniciará una operación en serie del sistema, pero si la cantidad de excreta aumenta por el aumento de ganado, entonces se pretende operar un sistema en paralelo con dos tanques, cada tanque funcionando por separado.



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Capítulo 4

Potencial de aprovechamiento en el medio rural y semiurbano.

4.1 Panorama mundial del biogás. Europa, Norteamérica y Asia son los tres escenarios donde se producirá un mayor incremento de potencia y de plantas de biogás hasta 2016. En total se pasará de 4.700 a 7.400 MW. Sin embargo, en las estimaciones que hacen Ecoprog y Fraunhofer en el informe Biogas to Energy 2012/2013. The world market for biogas plants, aparte de confirmar la desaceleración de Alemania, que actualmente copa dos tercios de la potencia mundial, no aparece España como país de referencia en Europa. Sí se dará un aumento significativo en Italia, Francia, República Checa y el Reino Unido. Se estima que del 2012 al 2016 se creen unas 3800 plantas más de biogás lo que haría que en el mundo se tengan un aproximado de 14000 plantas. En un estudio realizado en el 2012 por la Asociación Europea de Biogás (EBA por sus siglas en inglés) se estima que en el 2011 la unión europea tenía un aproximado de 12400 plantas de biogás las cuales producen más de 5,300 mW, cabe mencionar que la mayoría de estas plantas están en Alemania como se muestra en la siguiente gráfica.

Grafica de distribución de plantas de biogás en Europa tomada de la Asociación

Europea de Biogás.



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Estas plantas de biogás son alimentadas de varias maneras como lo son los vertederos de basura, las aguas residuales y efluentes de industrias así como de desechos agrícolas y plantas de coodigestion, además de evitar la quema de una cantidad enorme hidrocarburos.

Mapa de obtención de biogás por tipo de planta y cantidad de hidrocarburos

ahorrados. Tomada del EurObserv’ER.



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Asia es el continente que más instalaciones de biogás ha reportado. Desde 1973 se estableció la Oficina de Difusión del Biogás y posteriormente el Centro Regional de Investigación en Biogás para Asia y el Pacífico Sur adjunto al Ministerio de la Agricultura. Estas instalaciones han sido importantes para el desarrollo de las comunidades rurales un ejemplo es la India donde alrededor de 500 000 familiares utilizaron plantas de biogás, para producir energía como sustituto del combustible doméstico. Hoy existen plantas demostrativas multifamiliares donde el gas se hace llegar por tuberías a cada vivienda sobre la base de un precio módico por consumidor. En la localidad de MASUDPUR el estado ha construido una planta de biogás multifamiliar a partir de excrementos humanos y vacunos. El digestor de alrededor de 194 m3 de capacidad tiene una campana de acero de 85 m3 y el biogás se envía a 12 viviendas separadas de la instalación productora en 1 km de distancia. Hoy 31 comunidades cuentan con plantas de biogás multifamiliares que trabajan eficientemente porque son atendidas con esmero. En china el 70% del combustible para uso doméstico en las zonas rurales proviene de la descomposición de la paja y los tallos de cultivos, como ejemplo tenemos que los años de 1970, el gobierno chino desarrolló el primer programa de biomasa a gran escala cuando instaló: 7 millones de biodigestores, principalmente en la provincia cálida y húmeda de Sechuán, que proporcionan biogás para cocinar y alumbrar a unos 25 millones de chinos; y, alrededor de 10,000 biodigestores de tamaño grande y mediano que suministran electricidad a las granjas. Además que en el 2004 en Japón presentaron un sistema que consigue fermentar también el hidrógeno, además del metano, separadamente, lo que amplía los residuos a utilizar para la obtención de biogás, como los desechos de las cocinas, por ejemplo.

En América el país más adelantado en la tecnología de la biodigestion es Estados Unidos que si aprovechara todo el potencial que tiene de generación de biogás tendría la capacidad para generar 64.8 billones de kWh de electricidad con un total actual de 2200 plantas productoras de biogás, de las cuales 191 están en granjas, 1500 en plantas de tratamientos de aguas y 576 proyectos en vertederos de basura. El potencial de crecimiento de estados unidos en este ámbito es enorme ya que cuenta con cerca de 12000 sitios aptos para la instalación de biodigestores de las cuales 8200 son granjas porcinas y lecheras. En América latina se está empezando a ver al biogás como una opción viable para el desarrollo gracias a la capacidad de producción de desechos agropecuarios que se generan, pero esto solo se materializará con el apoyo que los gobiernos fomenten.



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Brasil y México son los países latinoamericanos con mayor desarrollo del biogás, seguidos por Colombia y Perú. Todos tienen sistemas de producción de biogás que van desde los muy avanzados y de gran tamaño, a otros muy simples, con un estanque de 200 litros.

Sin embargo, el número de biodigestores en la región es mínimo, comparado con los millones que existen en India y China. En Alemania hay cerca de 8400 funcionando; en México, solo 721. Chile, por ejemplo, genera 132 millones de m3/año de biogás, de los cuales solo 15 por ciento se aprovechan energéticamente, según el Centro de Energías Renovables de CORFO. En comparación, Alemania, país que lidera el área, genera 6.000 millones de m3.

La muestra más fehaciente de que en América latina se está incrementando el interés por el biogás es la creación del Centro Internacional de Energías Renovables con énfasis en Biogás (CIER-Biogás). El centro, lanzado en junio de 2012 durante la conferencia Río+20, se ubicará en el Parque Tecnológico de Itaipú, Brasil. Hará investigaciones sobre biogás, las difundirá a otros países y capacitará a expertos.

Además, buscará soluciones para masificar la producción del biogás en América Latina, incluyendo el diseño de biodigestores para cada tipo de desecho y ayudará a los gobiernos a pasar leyes sobre producción y uso del biogás. Un modelo para difundir esta tecnología entre los pequeños agricultores son plantas demostrativas como las que inaugurará en marzo próximo en Chile la Fundación para la Innovación Agraria, este proyecto constara de seis plantas pilotos, alimentadas de desechos orgánicos, constituidas de tanques plástico 40 m3, una bomba y un controlador de temperatura, así lo afirmo Felipe Káiser, director de la firma que ejecutara el proyecto a una entrevista a SciDev.net.

En África también se hace un esfuerzo por hacer del biogás una alternativa para mejorar la vida de las personas en ese continente, con proyectos completos de empresas como Biogás Energy Solution que está situada en Kenia o el programa de socios de Biogás por África funcionando en países como Etiopia, Senegal, Tanzania, Uganda y Burkina Faso.

Según un estudio se estima que tan solo en Sudáfrica hay 400000 hogares con 2 o más vacas, pero no tienen electricidad aquí se podría hacer uso de biodigestores. Por otro lado el 45% de escuelas de Sudáfrica no tienen luz, el 66% tiene instalaciones de saneamiento deficientes, el 27% no tienen agua potable y el 12% no tienen saneamiento en lo absoluto. Todo esto se mejoraría con instalaciones de biogás.



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4.2 Capacidad de aprovechamiento del biogás en México.

En México se estima que solo se aprovecha el 2.4 % del biogás potencial tan solo de rellenos sanitarios, si tan solo en México se aprovechare en su totalidad el biogás de los rellenos sanitarios al año se podrían generar 400 MW para todo el país. Ejemplo de este aprovechamiento son las plantas en Monterrey que produce un aproximado de 12.72 MWh y sirve para alimentar las líneas del metro o la planta de Juárez en Chihuahua, donde se generan en promedio la energía eléctrica que consumirían 35000 casas en el estado de Chihuahua y será usado toda en alumbrado público lo que beneficiara a 1.4 millones de ciudadanos que habitan los municipios de Juárez y Nuevo Casas Grandes. Pero no solo eso ya que en México se generan también muchos desechos orgánicos de diferentes tipos, de los cuales destacan las heces fecales de los animales, e inclusive las del ser humano. Según el último censo agropecuario del INEGI (2007) las cantidades de ganado de diferentes especies son la siguiente al igual que la cantidad de personas que habitamos el país.

Tipo de ganado

Existencia total

Cantidad promedio de estiércol día (kg)

Rendimiento de biogás m3/kg día

Producción anual de biogás m3/año

Bovino 23 316 942 9 .04 3,063,846,000

Porcino 979 348 1.5 .07 37,533,512

Aves de corral 2 532 371 .5 .06 27,729,463

Ovino 7 306 600 3 .05 400,036,350

Otros animales

2588575 7 .05 330,690,456

Total 3,859,835,781

Tabla de potencial de generación de biogás solo de estiércol de algunas especies de ganado. Imagen de elaboración propia.

Cabe mencionar que los datos de la tabla de arriba variaran según la época del año y las condiciones alimenticias de cada ser vivo, además de que mucho de ese material se va a las aguas residuales y otro por ciento no puede ser recolectado debido que los animales son de pastoreo y no están fijos en un lugar. Pero si se pudiera aprovechar todo el biogás del cálculo de la tabla en México se producirían 431.131 MW/año de electricidad.



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Eso nos da una muestra del alcance de la potencia del biogás dado que en México se puede producir toda vía mayores cantidades de este dado que también se puede obtener biogás de desechos agrícolas tales como la pulpa de café o vinazas de caña entre otros desperdicios agrícolas un ejemplo es la siguiente tabla:

Fuente http://vidaverde.about.com

El biogás tiene un gran potencial más en un país como el nuestro donde el desarrollo económico no es el ideal y existen grandes zonas del país con rezagos energéticos, esta es sin duda una alternativa que puede tener un gran impacto en el mejoramiento de la vida sobre todo en zonas rurales y semiurbanas, y si es aprovechada adecuadamente en las grandes ciudades puede sin duda alguna ayudar a bajar los costos de los recursos energéticos tales como la luz, el gas e inclusive la gasolina o el diesel.

Fuente potencial del biogás, proyecto de energías renovables en Chile, 2007



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4.3 Usos del biogás. La gran variedad de biomasas existentes unida al desarrollo de distintas tecnologías de transformación de ésta en energía (Combustión directa, Pirolisis, Gasificación, Fermentación, Digestión anaeróbica,...) permiten plantear una gran cantidad de posibles aplicaciones entre las que destacan la producción de energía térmica, electricidad.

Esquema de usos del biogás. Fuente www.energianatural.com.ar

4.3.1 Como productor de energía térmica en medios rurales y semi- urbanos. El biogás es usado de formas muy satisfactorias como si fuera gas natural o gas lp, su uso mayor es en la cocina o como calefactor. El biogás como gas para la cocción de alimentos tiene una eficiencia del casi 60% lo que lo hace un buen sustituto del gas lp. En el país las zonas rurales están rezagadas en varios aspectos, siendo el energético uno muy importante ya que influye mucho en la calidad de vida. En las comunidades semiurbanas se tiene acceso a la mayoría de los recursos básicos como son la luz, el agua potable, el drenaje y el gas, pero con el incremento en los costos de estos cada vez se van haciendo menos accesibles debido también a la crisis económica de las personas, es ahí donde entra el biogás como un sustituto del gas lp.



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En México el kilo de gas lp actualmente cuesta $12.16 lo que hace que el tanque de 30 kilos cueste alrededor de $360.00, esto es las zonas donde llega, ya que es las zonas rurales debido a su acceso y distancia de las zonas semiurbanas o urbanas los proveedores de gas entran 1 o 2 veces por mes. Esto hace que en las comunidades rurales se siga cocinando con fogones que implican un gran riesgo para estas personas debido a que siempre tienen que estar prendidos y puede generar incendios en las casa, aparte de las grandes cantidades de hollín que se producen que son dañinos para la salud ya que pueden ocasionar cáncer de pulmón. A demás que tienen que recolectar la leña y esto es algo cansado y trabajoso y afecta a la ecología del lugar. Es aquí donde el biogás tiene un gran futuro dado que utilizarlo mejoraría notablemente la calidad de vida de las personas en zonas rurales por todas las ventajas que tiene que se incluyen en los aspectos económicos ya que hay algunos que son muy baratos en su instalación y de fácil reparación además de durar entre 10 y 20 años según el material del que estén hechos. En las comunidades semiurbanas también es una gran alternativa y ayudaría a mejorar la economía de las personas ya que ahorrarían en la compra de gas. En promedio una familia de 4 personas con una estufa de 2 quemadores, donde cada quemador en promedio consume 75 l/hr de biogás y con un uso de 4 horas promedio de los fogones necesitaría un total de 600 litros de biogás esto se obtiene como resultado de multiplicar los 3 factores anteriores. Esto en metros cúbicos nos da un total de .6 m3 al día ósea que para cubrir esta demanda nos bastara con tener 2 puercos y un caballo el biodigestor seria de un tamaño de 3m3.

Biodigestor casero. Fuente http://biodigestoreseinsecticidas502.blogspot.mx

publicado por Juan Esteban Aguas el 16 de Noviembre de 2009.

Con esto consumo tenemos que un tanque de gas lp se gastaría en 42 días así que durante el tiempo promedio de vida del biodigestor tendríamos que comprar



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87 tanques de gas lp lo que económicamente sería un total de $31407.00 pesos, mientras con el biodigestor solo se hace una inversión aproximada de $2000.00 lo que hace que la inversión se recupere en 233 días aproximadamente. Otro ejemplo es el siguiente Un biodigestor familiar instalado en bolsa doble de polietileno tubular transparente, calibre 8, protegido contra rayos ultravioleta, que se alimenta diariamente con 20 a 40 kilos de excrementos animales (2 vacas; 4 caballos; o 10 cerdas de cría o de engorde) y/o humanos frescos u otras fuentes de materia orgánica, solos o mezclados entre sí, y con 100 a 200 litros de agua, demanda una inversión, en materiales y mano de obra, de entre US$ 200 a 500, elimina la necesidad de leña y/o de carbón, permite la cocción diaria de los alimentos para una familia campesina de hasta cinco personas y produce diariamente entre 100 a 200 litros de abono orgánico.

Análisis de ecosistema para un biodigestor de polietileno basado en 7885 kg de

excrementos frescos al año (Hedlund y Xuan An, 2000). Con periodos de retención de entre 20 a 40 días dentro del biodigestor, 10 días dentro de las canaletas de sedimentación y hasta 30 días dentro de tres lagunas de descontaminación, en un total de 60 a 80 días, se logran descontaminar las aguas servidas que ingresan al Sistema de Descontaminación El costo del biodigestor aumentara según su material, capacidad de retención, pero siempre se recuperara la inversión.



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4.3.2 Como generador de energía eléctrica en medios rurales y semi- urbanos. Otra opción de uso del biogás es como auxiliar en la generación eléctrica, usando motogeneradores. Estos motogeneradores dependerán de la demanda eléctrica de los consumidores. La energía del biogás para su procesamiento eléctrico es buena como ejemplo tenemos que la quema de un m3 de biogás puede generar 1.25 kw/h de energía eléctrica, o generar luz equivalente para tener prendido un foco de 60 watts durante 6 horas, lo que la hace una opción viable en las comunidades rurales y semiurbanas, tal vez no para cubrir las necesidades eléctricas completas, pero si para las básicas como lo son la iluminación ya sea de casas o de alumbrado público todo esto con pequeñas plantas generadoras de energía eléctrica, y una cooperación de todos los sectores públicos para poder llevar acabo estos proyectos. En México la SAGARPA atreves de su programa FIRCO apoya este tipo de actividades, inclusive se elaboró un estudio de generación eléctrica con motores que tienen una potencialidad de generación de energía eléctrica mensual en promedio de 43,200 kW/h (60 kW x 24 horas x 30 días), lo que implica que para utilizar esta capacidad se debe tener una alimentación constante del combustible para mantener su operación. De donde obtuvieron los siguientes resultados de consumo de biogás.

Tabla de consumo de biogás en un motogenerador por hora. Fuente SEMARNAT,

2007.



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En números si se quiere tener trabajando diariamente el motor y todo el día se tendrían que juntar el estiércol del equivalente a 1200 cabezas de ganado. Con esta utilidad del biogás se tendría un ahorro al mes de 11,247 litros de gasolina, ó 8,712 litros de diesel, ó 7,128 litros de gas licuado. Lo que con los precios actuales económicamente hablando seria en gasolina un ahorro de $124729.23, de diesel $100972.08. El estudio realizado muestra el precio de la inversión que se debe de realizar en el aspecto de construcción del biodigestor y de la instalación del motogerador, esto se refleja en las siguientes tablas respectivamente.

Costo del sistema de biodigestor. Fuente SEMARNAT, 2007.

Costo de la instalación del motogenerador. Fuente SEMARNAT, 2007.

Esto supondría un costo inicial de instalación de aproximadamente de $2,550,301.99, teniendo en cuenta el gasto de gasolina o diesel que se ahorra el precio de instalación se recuperaría en aproximadamente 21 meses para gasolina y 25 meses para el diesel.



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Conclusión

La biodigestion es sin duda alguna una solución energética y ecológica en un futuro cercano, dado que permite tener un manejo de los desechos generados, darles un tratamiento para darles una utilidad mayor y permite obtener una fuente de energía con un gran potencial de aprovechamiento. Sin duda alguna tiene que ser utilizada como un pilar en el desarrollo energético en un país como el nuestro donde tiene un gran potencial. También es cierto que si realmente se quiere utilizar como un detonante en el desarrollo energético en México hace falta un trabajo conjunto de autoridades federales, estatales y municipales, para subsidiar este tipo de programas, además de enseñar a la gente como tener un correcto manejo de los desechos orgánicos generados en sus comunidades. La biodigestion tiene grandes ventajas y hay que explotarlas todas para poder hacer de esta una fuente rentable de energía para el futuro, hay que empezar a invertir en esta tecnología ahora para que cuando realmente se lleguen a escasear los hidrocarburos no tengamos la guardia baja y podamos seguir creciendo como país.



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Glosario de términos.

Locomoción: Traslado de un lugar a otro. Acreción: Término que se utiliza para nombrar el crecimiento de un cuerpo por agregación de cuerpos menores. Transesterificación: Es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi de un alcohol Alcalino: Adjetivo empleado para definir determinados elementos o compuestos químicos capaces de neutralizar los ácidos y sus efectos. Efluente: La salida o flujos salientes de cualquier sistema que despacha flujos de agua, a un tanque de oxidación, a un tanque para un proceso de depuración biológica del agua, etc. Sustrato: Es una molécula sobre la que actúa una enzima. Enzima: Son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles Acetato: Es una sal o éster del ácido acético. Excreta: Término general para los materiales de desecho eliminados fuera del cuerpo como la orina, el sudor o las heces. Mesofílica: Digestión anaeróbica de lodos a una temperatura de 20"C a 40 "C, intentando estimular el crecimiento de microorganismos cuyo crecimiento óptimo se da en este intervalo de temperaturas, por ejemplo, de los microorganismos mesofílicos. Termofílica: Digestión anaeróbica a una temperatura de 70"C, intentando estimular el crecimiento de microorganismos cuyo crecimiento óptimo se da en este intervalo de temperaturas.



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“ENERGIA DEL BIOGAS: UNA OPCIÓN … · Las primeras máquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del siglo VI d.C. Eran de eje vertical y se las utilizaba para moler