, 6 del 2018
Centro de Estudio de Energías y
Tecnologías Ambientales
Utilización del biogás como combustible.
Municipio Placetas
Autor: Leandro Cano Lujan
Tutor: Dr. Víctor S. Ocaña Guevara
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la
mencionada casa de altos estudios.
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Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
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i
PENSAMIENTO
El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable para los
temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad.
Víctor Hugo
ii
DEDICATORIA
Esta tesis va dedicada a las dos personas más especiales en mi vida; mi mamá y
mi abuela, por todo el sacrificio hecho durante estos años de estudio y por darme el
apoyo y amor en todo momento.
iii
RESUMEN
La creciente demanda de energía a nivel mundial ha tenido como efecto una mayor
demanda de combustibles fósiles lo cual ha conllevado a una búsqueda de
combustibles alternativos como por ejemplo el biogás. En este trabajo se realiza un
estudio bibliográfico donde se definen las características del biogás, obtención, tipos
de tratamiento para mejorar sus propiedades como combustible y los principales
usos de este. También se realiza un estudio teórico del comportamiento del biogás
como combustible en motores de combustión interna (MCI) para su utilización en
diversas ramas como la generación de electricidad y calor utilizando el motor a
biogás Jenbacher J 420 o el transporte utilizando el motor del fabricante Scania OC9
G04 270. Se realiza el cálculo del ciclo de trabajo a los dos motores para así obtener
todos los parámetros requeridos para su estudio en las situaciones dadas. Luego
con la ayuda del software RETScren se realiza un estudio detallado donde se
comprueba la disposición de biogás así como la posibilidad de generar electricidad,
calor y uso de este en el sector del transporte. También se realiza un estudio sobre
las mejoras económicas y medioambientales que recibiría el país con la realización
de este proyecto.
iv
Abstract
The growing demand for energy worldwide has had as an effect a greater demand
for fossil fuels which has led to a search for alternative fuels such as biogas. In this
work a bibliographical study is carried out where the characteristics of the biogas are
defined, obtaining, types of treatment to improve its properties as fuel and the main
uses of this. A theoretical study of the behavior of biogas as a fuel in internal
combustion engines (ICM) is also carried out for its use in various branches such as
the generation of electricity and heat using the Jenbacher J 420 biogas engine or
transport using the engine of the manufacturer Scania OC9 G04 270. The calculation
of the work cycle is made to the two motors in order to obtain all the parameters
required for their study in the given situations. Then, with the help of the RETScren
software, a detailed study is carried out where the biogas disposal is checked as well
as the possibility of generating electricity, heat and its use in the transport sector. A
study is also carried out on the economic and environmental improvements that the
country would receive with the realization of this project.
v
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i
DEDICATORIA .................................................................................................................... ii
RESUMEN ........................................................................................................................... iii
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 8
Organización del informe ................................................................................................. 11
Objetivo general .................................................................................................................... 11
Objetivo específico ............................................................................................................... 11
Hipótesis ............................................................................................................................... 11
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso y su
utilización mediante motores de combustión interna. Estado del arte. ................................. 12
1 ¿Qué es la Biomasa?................................................................................................. 12
1.1.1 Clasificación ................................................................................................... 13
1.1.2 Algunas caracteristicas de la biomasa ............................................................ 14
1.2 Generalidades del Biogás ....................................................................................... 15
1.2.1 Residuos Porcinos ........................................................................................... 16
1.3 Proceso de obtención de Biogás. ............................................................................ 18
1.3.1 Etapas de digestión anaeróbica ................................................................................. 18
1.3.2 Condiciones de operación ......................................................................................... 19
Motores a Gasolina: .......................................................................................................... 34
Conclusiones parciales: ....................................................................................................... 38
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de
combustión interna (MCI) a Biogás...................................................................................... 39
vi
2.1 Calculo del ciclo de trabajo de un motor a Biogás ................................................. 43
2.2 Utilización del biogás como combustible para el transporte público. ................... 55
2.2.1 Cálculo del ciclo de trabajo del Motor Scania OC9 G04 270 ....................... 56
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................. 60
3.1 Descripción y condición del lugar del proyecto ..................................................... 60
3.2 Generación de Biogás ............................................................................................ 61
3.2.1 Volúmen de estiercol generado ....................................................................... 62
3.3 Capacidad de la planta de Biogás ........................................................................... 65
3.4 Localización y diseño del digestor. ........................................................................ 66
3.5 Factibilidad en la generación de electricidad. ........................................................ 67
3.7 Característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270 ......................................... 71
1.1. Determinado de la potencia efectiva. ..................................................................... 71
1.2. Determinando el consumo específico. ................................................................... 71
1.3. Determinando el momento efectivo. ...................................................................... 71
3.8 Calculo de tracción de Ómnibus Diana .......................................................................... 73
1.1 Cálculo del peso del vehículo .................................................................................... 74
1.2 Neumáticos y radio dinámico .................................................................................... 74
1.3 Potencia a velocidad máxima .................................................................................... 75
1.4 Potencia máxima desarrollada por el motor .............................................................. 75
Coeficiente de revoluciones .................................................................................................. 76
Balance de potencia del vehículo .......................................................................................... 77
2. Características dinámicas .............................................................................................. 77
Resultados: Curvas características ........................................................................................ 78
Conclusiones ..................................................................................................................... 80
vii
Recomendaciones ............................................................................................................. 81
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 82
ANEXOS .............................................................................................................................. 84
Anexo I Calor específico molar medio (µCV) a volumen constante para diferentes
gases (kJ/kmol ºC). ........................................................................................................... 84
Anexo II Energía interna (U) de diferentes gases (MJ/kmol) .................................... 85
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 8
INTRODUCCIÓN
Los combustibles fósiles se formaron hace millones de años a partir de restos
orgánicos de plantas y animales muertos. Durante miles de años de evolución del
planeta, los restos de seres vivos que lo poblaron en sus distintas etapas se fueron
depositando en el fondo de mares, lagos y otras masas de agua. Allí se cubrieron
por sucesivas capas de sedimentos. Las reacciones químicas de descomposición y
la presión ejercida por el peso de esas capas durante millones de años,
transformaron esos restos orgánicos en lo que ahora conocemos como
combustibles fósiles.
En nuestro planeta debido al incremento poblacional y la constante buscada del
hombre en satisfacer sus necesidades a costa de cualquier precio, en los últimos
años se presencian problemas respecto al abastecimiento de petróleo Diésel
producto del agotamiento constante de las reservas de éste. Debido a ello es cada
vez más necesario el reemplazo total o parcial por combustibles alternativos (GLP,
GNC, Biogás, gasolina de bajo octanaje, alcohol, etc.); en ese sentido es de mucha
actualidad la explotación de las reservas de gas.
Uno de los grandes enfoques mundiales para generación de energía es el uso del
biogás, que es obtenido a partir de diferentes tipos de biomasas derivadas de
actividades humanas, como son los residuos orgánicos urbanos y los productos
agropecuarios, con que cuentan la mayoría de los países y en amplia disponibilidad.
El uso del biogás en diferentes rangos de composición se ha extendido hacia la
generación de energía y transporte, donde su entrada se ha visto favorecida en
plantas térmicas y el control de emisiones en motores de combustión interna (MCI)
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 9
que contaban anteriormente con implementaciones de combustibles gaseosos
(Silva, 2010).
La mayoría de los combustibles fósiles se encuentran hoy en áreas muy localizadas,
situación que se empeora con la utilización irracional de los mismos, sin tener en
cuenta que aquellos que hoy consumimos tardaron millones de años en formarse.
Sus reservas globales comienzan a mostrar signos palpables de agotamiento. Tanto
es así que las estimaciones más cautelosas y confiables indican que las reservas
de petróleo si se mantiene el ritmo de consumo actual solo podrán durar unos
cuantos decenios más. Al igual que el petróleo, otras fuentes de energía
convencional como el gas y el carbón mineral tienen una vida limitada.
Debemos tener en cuenta que el petróleo es un combustible ampliamente utilizado
a nivel mundial para la generación de energía eléctrica. Sin embargo, el petróleo es
un recurso no renovable, por lo cual es necesario que se desarrollen, evalúen y
utilicen fuentes alternas de producción de energía eléctrica y una de las soluciones
existentes es la utilización del biogás como combustible de remplazo o de
acompañante para así bajar el consumo de petróleo tanto en la generación de
energía eléctrica como la utilización de este en el transporte.
El uso del biogás se justifica principalmente por la reducción de emisiones de gases
de efecto de invernadero al medio ambiente, mediante la degradación confinada de
residuos orgánicos y la captación controlada de productos como el metano, con
efecto de invernadero 21 veces mayor al CO2; o mediante el uso de biomasas
agrícolas, que fueron absolvedoras de CO2 durante su crecimiento, para la
producción de biogases sustitutos de los combustibles fósiles, que durante la
combustión restituyen al ambiente el CO2 absorbido por las biomasas generando
un impacto neto leve o nulo sobre la concentración de este contaminante efecto de
invernadero en el ambiente.
El tratamiento de excremento de animales y humanos en sistemas de Biogás mejora
las condiciones de saneamiento para los propietarios de la planta, sus familias y la
comunidad entera ya que el contenido inicial de patógenos del excremento se
reduce apreciablemente debido a los procesos de fermentación. Además de se
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 10
dejan de liberar gases de contaminación precedentes de los excrementos los cuales
como se ha dicho anteriormente son muy dañinos para la atmosfera.
Estas aplicaciones permiten a las industrias que son intensivas en el uso de motores
diésel la conversión de sus automóviles, autobuses, camiones, máquinas, motores
estacionarios como son los grupos electrógenos y otros motores similares. La
solución permite generar ahorros importantes de combustible para mejorar el
rendimiento de los motores tanto en lo económico como en su funcionamiento
integral. Así como importantes mejoras medio ambientales.
Es por estas razones que el desarrollo futuro de la humanidad tiene que estar
encaminado a la búsqueda de otras fuentes productoras de energía de carácter
renovable, que contribuyan al desarrollo sostenible y al mismo tiempo no
contaminen el medio ambiente. Estas han sido denominadas energías renovables.
En los últimos años se ha intensificado en nuestro país el uso del biogás a partir del
manejo de los residuos orgánicos, lo cual ha contribuido a las acciones realizadas
para minimizar la emisión de los gases de efecto invernadero. De esta forma, el
CPDB de conjunto con otros organismos, desarrolla acciones orientadas a
promover la utilización del biogás en el sector estatal y en el cooperativo-campesino,
a partir del tratamiento correcto de los residuales porcinos.
El municipio de placetas es el más productor de carne de cerdo, este cuenta con
una producción anual de más de 7 500 toneladas de carne, cifra que alcanzo en
2017, además en el municipio radican más de 33 000 cerdos y 750 biodigestores
(Cabrera, 2017), cifra que está aumentando constantemente lo cual representa una
gran producción de biogás la cual no se está utilizando con la mayor eficiencia
puesto que se quema al ambiente mucho más de lo que se consume por esta razón
se viene pensando por parte de los organismos de dirección en un plan para la
utilización de este gas en usos como el transporte, cocción de alimentos, generación
de electricidad, etc.
El biogás es una de las energías renovables más exitosas en todo el mundo. Se
puede utilizar para producir electricidad y calor útil al mismo tiempo mediante la
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 11
cogeneración en un sistema eficiente y respetuoso con el medio ambiente. Los
expertos auguran que el número de plantas de biogás seguirá creciendo durante los
próximos años. En toda Europa, ya es notable la cantidad de hogares y fábricas que
se proveen de una electricidad y calor renovables proveniente del biogás (Angenitor,
2017).
El uso del biogás como combustible para motores de combustión interna es una de
las vías para lograr un desarrollo sostenible, el mismo se obtiene de residuos
orgánicos que de otra manera contribuirían a la contaminación ambiental. Con un
metro cúbico de biogás es suficiente para generar 1.25 kw/h, generar 6 horas de luz
equivalente a un bombillo de 60 watt, poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de
capacidad durante una hora, hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas
(Ingeniería, 2006).
Organización del informe
Objetivo general
Estudiar el biogás como combustible alternativo para su utilización en motores de
combustión interna.
Objetivo específico
Describir los procesos de la producción de Biogás.
Identificar algunos tipos de Biodigestores, los más utilizados en nuestro
medio.
Calcular los parámetros principales de los motores a utilizar.
Determinar la capacidad del sistema, con base a la carga instalada o al
volumen de gas producido.
Hipótesis
Es posible utilizar el biogás como combustible, disminuyendo el consumo de
combustibles fósiles y la contaminación ambiental.
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 12
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener
combustible gaseoso, su utilización mediante
motores de combustión interna. Estado del arte.
En estos tiempos en los que se están agotando los combustibles fósiles es de vital
importancia el estudio de nuevas fuentes de energía. Estas fuentes de energía
deben satisfacer las grandes necesidades mundiales de consumo energético a la
ves deben ser fuentes renovables y limpias dado el daño que por miles de años se
le ha provocado a la tierra, con el fin de obtener energía para diferentes tipos de
uso. Por esto se hace muy importante el estudio de los recursos biomásicos los
cuales son muy eficientes dado a su buen comportamiento como combustible. En
este capítulo se destacan las principales características del biogás así como su
obtención y purificación para el uso de este, como combustible para la generación
de electricidad, mediante motores de combustión interna.
1 ¿Qué es la Biomasa?
Se conoce como biomasa a la materia o sustancia orgánica renovable de origen
vegetal o animal. Esta fuente de energía se ha utilizado desde nuestros ancestros,
con el descubrimiento del fuego, cuando se utilizó la energía de la biomasa en la
forma más artesanal: quemando la leña en hogueras para la cocción de alimentos.
Al pasar del tiempo se le dio otro tipo de aplicaciones para forjar los metales, para
cubrir las necesidades en calderas, calefacción, para la producción de vapor, para
el transporte y por último en la generación de electricidad, llegando a ser la fuente
energética más importante para la humanidad y en ella se basaba la actividad
manufacturera hasta el inicio de la revolución industrial (Rodríguez, 2004).
En los últimos años el panorama energético mundial ha variado notablemente. El
elevado costo de los combustibles fósiles y los avances técnicos han posibilitado la
aparición de sistemas de aprovechamiento energético a partir de la biomasa cada
vez más eficientes, confiables y limpios, realizando una conversión de biomasa en
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 13
energía y transformándola en combustibles líquidos o gaseosos, los cuales son más
eficientes. Así, además de la combustión directa, se pueden identificar otros tipos
de procesos como: el termo-químico y el bioquímico. Lo anterior ha causado que
esta fuente de energía renovable sea considerada por las industrias como una
alternativa, total o parcial, que puede sustituir los combustibles fósiles.
El uso de la biomasa ofrece una alternativa para reducir los costos de generación
por concepto de consumo energético, además presenta una solución para los
problemas higiénicos ocasionados por los desechos orgánicos y mejora la calidad
de los suelos agrícolas con el uso de los fertilizantes producto del desecho del
proceso.
1.1.1 Clasificación
La biomasa, como recurso energético, puede clasificarse en biomasa natural,
residual y los cultivos energéticos.
Biomasa natural: Proviene de los ecosistemas naturales, es decir, se
produce en la naturaleza sin la intervención del hombre. Su aprovechamiento
energético masivo podría originar una rápida degradación de los ecosistemas
naturales, aunque es una de las principales fuentes energéticas de los países
subdesarrollados.
Biomasa residual: Procede de actividades agrícolas, ganaderas y
forestales, subproductos de industrias agroalimentarias y de transformación
de la madera, así como los RSU y los residuos biodegradables.
Cultivos energéticos: Son los realizados con el único objetivo de su
aprovechamiento energético y se caracterizan por una gran producción de
materia por unidad de tiempo y con la condicionante de minimizar los
cuidados al cultivo En Cuba su mayor exponente es la caña energética.
La biomasa residual húmeda, o lo que es lo mismo, las aguas residuales de origen
orgánico, es aquella que aparece como resultado de la actividad humana, en
instalaciones agropecuarias, urbanas e industriales (figura 1) y que por su contenido
en agua y materia orgánica, puede ser tratada mediante un proceso biológico.
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 14
Estos procesos biológicos permiten el aprovechamiento del potencial energético de
este tipo de biomasa, disminuyen su carga contaminante y generan subproductos
estabilizados con valor fertilizante.
A continuación se muestra las diferentes formas de producción de biomasa en las
que interviene el Sol.
Figura 1 Definición de Biomasa(Silva, 2010)
1.1.2 Algunas caracteristicas de la biomasa
Los recursos biomásicos se presentan en diferentes estados físicos que determinan
la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión de energía que se
puede utilizar en cada caso en particular. Por ejemplo, los desechos forestales
indican procesos de combustión directa o termo-químicos, los desechos animales
indican el uso de procesos anaeróbicos o bioquímicos.
Las características químicas y físicas de la biomasa, determinan el tipo de
combustible que se puede generar. El contenido de humedad de la biomasa, es la
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 15
relación de la masa del agua contenida por kilogramo de materia seca. Es necesario
que para los procesos de conversión de la energía la cantidad de humedad sea
inferior al 30 % (Ferreira et al., 2017).
El poder calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía
disponible en la biomasa y está relacionado directamente con su contenido de
humedad. Por lo que un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la
combustión, debido a que una parte del calor liberado se utiliza en la evaporación
del agua (Zúñiga, 2007).
1.2 Generalidades del Biogás
El biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal
como son los desechos de humanos y de animales, residuos agrícolas, aceite de
palma y plantas acuáticas. Este gas puede ser utilizado, por ejemplo, como
combustible para motores que mueven una bomba de agua, en alumbrado y en la
cocción de alimentos.
El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás es la
conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe entenderse como
un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos y enzimáticos
simultáneamente.
El método más común de producción de biogás es la digestión anaeróbica en un
tanque cerrado llamado biodigestor. La biomasa se mezcla en el digestor con agua
para formar una suspensión, en la cual la digestión anaeróbica se realiza en dos
pasos. En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es
descompuesta por hidrólisis enzimática y fermentada para producir principalmente
ácidos y alcoholes. Seguidamente, en la etapa de gasificación, las bacterias
metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir metano y dióxido
de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico (Silva, 2010).
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 16
1.2.1 Residuos Porcinos
Existen serios problemas ambientales asociados con la producción porcina en
condiciones de explotación intensiva estabulada, debido al problema de disposición
de los residuales o excretas, entendiendo por las mismas, las heces fecales y la
orina, que generalmente se mezcla también con el agua de limpieza y con residuos
de comida. El principal procedimiento que se ha utilizado corrientemente para la
eliminación de las excretas en este tipo de instalaciones, ha sido el de diseminar
estos materiales sobre la tierra. Sin embargo, esta costumbre ha determinado la
contaminación directa o indirecta de los cursos de agua adyacentes (González,
2012).
El estiércol de cerdo es un recurso valioso, se considera como el primer subproducto
de la producción de los porcinos y al emplearse como materia prima puede constituir
una solución al problema de la contaminación debido a la enorme abundancia de
esta biomasa y su gran potencial como fuente de nutrimentos. Dentro de sus
posibilidades se encuentran: ser utilizado para generar energía en forma de biogás,
como fertilizante orgánico, en la producción de algas y para alimento de rumiantes
(Quesada, 2007, González, 2012).
La excreta porcina es una mezcla compleja compuesta por una porción de alimento
sin digerir, bacterias arrastradas del tracto digestivo, líquidos digestivos y agua. La
porción fecal del estiércol contiene un gran número de ingredientes alimenticos en
su forma original. Las excretas así mismo contienen sustancias las cuales fueron
transformadas por la actividad metabólica de las bacterias en el tracto digestivo, así
como por la acción enzimática de los jugos digestivos.
En las excretas de cerdo se encuentran, cantidades apreciables, de elementos
fertilizantes en proporciones que oscilan alrededor de los siguientes valores, al cabo
de unos tres días de ser producidos
Nitrógeno total 0,68%
Nitrógeno orgánico 0,15%
Nitrógeno amoniacal 0,53%
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 17
Fósforo 1,40 g/m3
Potasio 6,12 g/m3
Un tratamiento que estabilice y neutralice en la medida de lo posible los
componentes orgánicos y nutricionales de la excreta porcina y que reduzca su
volumen, facilitaría sin duda el transporte y aplicación a distancia del lugar de
producción, evitándose la sobresaturación de los terrenos colindantes,
constituyendo una alternativa la digestión anaerobia
El biogás contiene aproximadamente un 60% de metano y 40% de dióxido de
carbono; la pequeña cantidad de ácido sulfhídrico da al gas un olor de huevos
podridos. El valor calorífico del biogás es 20 – 30 MJ de energía calórica por m³ de
gas. La tabla 1 resume la composición química del biogás.
Tabla 1 Composición Bioquímica del biogás(Silva, 2010)
COMPONENTE FÓRMULA QUÍMICA % VOLUMEN
Metano CH4 60-70
Dióxido de Carbono CO2 30-40
Hidrógeno H2 1.0
Nitrógeno N2 0.5
Monóxido de Carbono CO 0.1
Oxígeno O2 0.1
Ácido Sulfhídrico H2S 0.1
Como se observa el porcentaje mayor lo ofrece el metano cuyo peso específico es
de alrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos
limpiarlo de CO2, el CO2 se separa mediante reacciones químicas, ej., con CaO (cal
viva) para formar carbonato de calcio (CaCO3), el cual puede utilizarse como
material de construcción. Sin embargo, hay que tener presente que la cal viva se
elabora “calcinando” la cal, un proceso que libera una molécula de CO2 por cada
molécula de CaO producida, lo cual genera un impacto ambiental.
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 18
De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede
llegar hasta 35.6 MJ/m3 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina
(López, 2007).
1.3 Proceso de obtención de Biogás.
El biogás obtenido en esta transformación (fig. 2) lo constituye una mezcla de gases
combustibles y su composición depende del tipo de material orgánico utilizado para
su producción y de las condiciones de operación de los reactores donde ocurre la
transformación.
1.3.1 Etapas de digestión anaeróbica
La digestión anaerobia es un proceso químico en el cual se distinguen cuatro etapas
en cada una de las cuales intervienen bacterias específicas. Estas etapas son las
siguientes:(Martin, 2016, Vega, 2009)
Etapa I (Hidrólisis)
Durante esta primera etapa los carbohidratos, polisacáridos, lípidos y proteínas de
la materia orgánica son reducidos a moléculas más simples.
Etapa II (Acidogénesis)
Los compuestos solubles producidos en la primera etapa son convertidos en ácido
acético, hidrógeno y dióxido de carbono.
Etapa III (Acetogénesis)
Se produce acetato, dióxido de carbono e Hidrógeno. Las moléculas de la
acidogénesis son captadas por los microorganismos acetógenos para emplearlas
en la producción de acetato, dióxido de carbono e hidrógeno.(Martin, 2016)
Etapa IV (Metanogénesis)
Los ácidos orgánicos generados en la etapa anterior son convertidos en metano.
Continúa la producción de dióxido de carbono y otros gases.(Garcia, 2012)
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 19
Cuando se crean las condiciones propicias para el desarrollo de cada una de estas
fases, se garantiza la mayor producción de biogás en el menor tiempo posible,
generación que se mantiene estable por más tiempo.
El siguiente diagrama muestra las diversas etapas de la digestión anaerobia tratadas anteriormente.
Figura 2 Etapas de la digestión Anaerobia(Garcia, 2012)
1.3.2 Condiciones de operación
Al ser un sistema complejo, la digestión anaeróbica debe tener las condiciones
necesarias para la proliferación de los microorganismos encargados de la
degradación de la materia orgánica. Entre las condiciones que permiten el desarrollo
del proceso se encuentran las siguientes.
Relación C/N
El carbono y nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de los
microorganismos metanogénicos. La proporción entre éstos nutrientes debe ser la
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 20
adecuada para el correcto funcionamiento del proceso. Se conoce que la proporción
aproximada de consumo de carbono (C) y nitrógeno (N) por parte de las bacterias
es de 30:1 (C/N), siendo éste el punto óptimo para la materia prima a utilizar. Si se
tiene una relación de 35:1 el proceso es inhibido por falta de nitrógeno, en cambio
si es de 8:1 la inhibición sucede por la formación de amonio.
Conociendo las composiciones de carbono y nitrógeno de las materias primas se
puede calcular la relación de la mezcla según:
𝑲 =∑ 𝑪𝒊∗ 𝑴𝒊
𝑵𝒊=𝟏
∑ 𝑵𝒊∗ 𝑴𝒊𝑵𝒊=𝟏
Ecuación 1. 1
Donde K es la relación C/N de la mezcla, Ci es el porcentaje del peso total de
carbono del sustrato i, Ni es el porcentaje del peso total de nitrógeno del sustrato i
y Mi la masa fresca de la materia prima en kilogramos. Puede ser útil en la práctica
conocer los volúmenes de materia prima y su densidad, para obtener el cálculo de
su peso(Allendes, 2015)
PH
La acidez del medio afecta las reacciones de digestión y aunque cada tipo
bacteriano posee su propio pH óptimo el rango de operación de pH en los reactores
de degradación está entre 6,4 y 7,2. Valores más ácidos que este rango son
generados por la formación de ácidos grasos volátiles (AGV) principalmente que
inhiben la actividad microbiana. Los compuestos nitrogenados, como las proteínas,
pueden contribuir adecuadamente a la alcalinidad del sistema y así mantener el
nivel de pH
Temperatura
Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son
fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los
procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento de los
microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A medida
que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 21
microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a mayores
producciones de biogás.
La temperatura de operación del digestor, es considerada uno de los principales
parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de
digestión anaeróbica. Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden
gatillar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura
homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y
un controlador de temperatura (Varnero, 2011).
Existen 3 tipos de digestiones según el rango de temperatura en las que operen: la
psicrofílica, la mesofílica y la termofílica. Los rangos de temperatura que son
utilizados se encuentran en la siguiente tabla:
Tabla 2 Condiciones de temperatura para la digestión anaeróbica(Allendes, 2015)
Fermentación Mínimo Óptimo Máximo Tiempo de fermentación
Psicrofílica 4-10 [oC] 15-18 [oC] 20-25 [oC] Sobre 100 días
Mesofílica 15-20 [oC] 25-35 [oC] 35-45 [oC] 30 a 60 días
Termofílica 25-45 [oC] 50-60 [oC] 75-80 [oC] 10 a 15 días
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 22
En la siguiente figura muestra la tasa de crecimiento relativo de microorganismos
dependiendo de la variación de la temperatura.
Figura 3 Tasa de crecimiento relativo de microorganismos. 1- psicrofílicos, 2- mesofílicos 3- termofílicos(Varnero, 2011)
Si se aumentan estos requerimientos implicaría mayores gastos en su generación,
siendo éste el principal problema del último tipo de digestión. La digestión
psicrofílica ha sido poco estudiada, además el proceso más usado es el tratamiento
mesofílico. Para un óptimo funcionamiento del digestor, se recomienda que el
tratamiento anaeróbico se diseñe para que opere con variaciones de temperatura
que no excedan los 0.6 – 1.2 °C /día.
Tiempo de retención hidráulico (TRH) y velocidad de carga orgánica
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. El tiempo de retención, junto con la velocidad de carga orgánica
determinada por el tipo de sustrato, son los principales parámetros de diseño,
definiendo el volumen del digestor. La materia orgánica o sólidos volátiles (SV) se
refiere a la parte de la materia seca (MS) o sólidos totales (ST), que se volatilizan
durante la incineración a temperaturas superiores a 550ºC. Los residuales de
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mediante motores de combustión interna. Estado del arte 23
animales pueden tener un contenido de MS mayor del 10 % de la mezcla agua
estiércol. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el
contenido de MS no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estiércol en la mayoría
de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser
tratados.
Tabla 3 Tiempos de retención recomendados en función de la temperatura
Temperatura de
Funcionamiento [°C]
Tiempo de retención
Hidráulico [días]
Tiempo de retención
recomendado [días]
18 11 25
24 8 20
30 6 14
35 4 10
En un digestor que opera a régimen estacionario o “discontinuo”, el tiempo de
retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga.
En un sistema de carga diaria (régimen semicontinuo), el tiempo de retención va a
determinar el volumen diario de carga que será necesario para alimentar al digestor,
ya que se tiene la siguiente relación:
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆𝒍 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒔𝒕𝒐𝒓 (𝒎𝟑)
𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊ó𝒏 (𝒅í𝒂𝒔)= 𝑽𝒐𝒍ú𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝒅𝒊𝒂𝒓𝒊𝒂 𝒎𝟑/𝒅í𝒂 Ecuación 1. 2
Es decir que para un tiempo de retención de 30 días, cada día se carga 1/30 del
volumen total del digestor, y en promedio los residuos orgánicos y la masa
microbiana permanecen 30 días dentro del sistema. La cantidad de biogás
producido por un digestor dependerá, entre otros, de la cantidad de residuo cargado
diariamente. Generalmente se trabaja con tiempos de retención entre 20 y 55 días
y con cargas diarias de 1 a 5 kg de sólidos totales por metro cúbico de digestor. Por
lo tanto, mientras menor sea el tiempo de retención, el tamaño del digestor se
reduce y también los costos.
La velocidad de carga orgánica (VCO) es la cantidad de materia orgánica
introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, siendo directamente
dependiente de la concentración de sustrato y del tiempo de retención fijado. En
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 24
ausencia de inhibidores, altas cargas orgánicas proporcionan altas producciones
volumétricas de biogás aunque también aumenta el riesgo de sobrecargas
puntuales que conllevan a la acidificación del reactor.
El siguiente gráfico (fig.4) muestra la producción de biogás en función de la
temperatura obteniéndose que la producción optima de biogás se realiza en un
rango de temperatura de 25 hasta 35 oC y un período de tiempo entre 10 a 20 días.
Figura 4 Producción de biogás en función de la temperatura(Varnero, 2011)
1.4 Beneficios obtenidos en la aplicación de la tecnología del biogás
Las principales razones que pueden llevar a la implementación de la tecnología del
biogás son:
Obtener una fuente de energía económica que permita disminuir costos de
producción.
Reducción de olores: los sistemas de biogás reducen los olores ofensivos
especialmente en aquellas zonas donde se producen y manejan grandes
cantidades de estiércol debido a la explotación de ganado. Los sistemas de
biogás reducen estos olores debido a que los ácidos orgánicos volátiles que
causan los compuestos generadores de olor son consumidos por las
bacterias productoras de ganado.
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mediante motores de combustión interna. Estado del arte 25
Fertilizante de alta calidad. En el proceso de digestión anaerobia, el nitrógeno
orgánico en el estiércol se convierte en gran proporción a amoniaco, el
constituyente básico de fertilizante comercial, que es fácilmente disponible y
utilizado por las plantas.
Reducción de de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas. El
efluente del digestor es un producto más uniforme y manejable que el
estiércol no tratado. La alta cantidad de amoniaco permite una mejor
utilización de los cultivos y permite mejorar las propiedades físicas de los
suelos. Una aplicación apropiada del efluente del digestor reduce la
contaminación de aguas superficiales o subterráneas.
Reducción de patógenos El calentamiento que ocurre en los digestores
reduce las poblaciones de patógenos rápidamente en pocos días.
Reducción de emisiones de metano el cual es 21 ves más dañino que el CO2
para la atmosfera.
1.5 Usos del Biogás
El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentes
aplicaciones en función del grado de purificación o refinado. Más adelante se
detallarán estas técnicas de purificación.
Algunos de los usos del biogás pueden ser los siguientes:(Martin, 2016)
En una caldera para generación de calor o electricidad.
En motores o turbinas para generar electricidad.
En pilas de combustible, previa realización de una limpieza de H2S y otros
contaminantes de las membranas.
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 26
En la actualidad, las pilas de combustible son una tecnología prometedora para la
producción de energía eléctrica y cogeneración a partir de biogás debido su bajo
impacto ambiental, su menor consumo y el elevado rendimiento que presentan.
Precisan de un biogás con un grado de pureza medio-alto, en función del tipo de
dispositivo de que se trate. En la Tabla 4 se comparan las características de distintos
sistemas de generación eléctrica con una pila de combustible de carbonatos
fundidos (MCFC), alimentados con biogás.
Tabla 4 Características de tecnologías que operan con biogás(Rodríguez, 2004)
Eficiencia
eléctrica (%)
Combustible
consumido
(kJ/kW·h)
Emisiones (µg/kJ)
NOx CO
Motor de combustión
interna
33 10972 56.6 56.6
Turbina de gas 28 12872 15 18
Pilas de combustible 50 7174 Trazas 1.4
Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de
transporte de gas natural.
El uso de biometano y gas natural en el sector del transporte ofrece varias ventajas
para apoyar el alcance de una economía baja en carbono y puede jugar un papel
importante para reducir las emisiones de CO2. Pero la producción de biometano
parece ser más cara que el gas natural. Esto sólo es el caso si no se toman en
cuenta factores externos como el daño ambiental así como impactos positivos sobre
el desarrollo rural y el empleo.
Uso como material base para la síntesis de productos de elevado valor
añadido como es el metanol o el gas natural licuado.
Combustible de automoción.
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A continuación (fig. 5) se muestra los usos y aplicaciones del biogás ya sea para la
generación de calor, electricidad o combustible.
Figura 5 Usos y aplicaciones del Biogás(González, 2012)
1.6 Digestores
Los reactores comúnmente empleados para la producción de biogás deben cumplir
con ciertas características como proveer una atmósfera anóxica, tener una salida
para el gas y de ser posible tener un separador del ácido sulfhídrico incorporado.
Existe una amplia variedad de diseño para los digestores. La selección de este debe
adecuarse al tipo de proceso y las etapas en que se pretenda dividirlo. Sin embargo,
desde el punto de vista físico y del proceso no se recomienda emplear tanques
rectangulares pues estos requieren mayor cantidad de materiales de construcción
y crean dentro de la masa en digestión zonas de diferente composición y
temperatura que impiden obtener mayor provecho del sistema (Zúñiga, 2007).
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Tipos de biodigestores.
Los diferentes tipos de plantas de biogás en una primera revisión en cuanto a la
apariencia física, describe los tres tipos principales de plantas: plantas de globo,
plantas de domo fijo y plantas de tambor flotante (Martin, 2017).
Plantas de tambor flotante (Tipo Indú).
Las plantas de tambor flotante consisten en un digestor subterráneo y un recipiente
móvil para el gas. El recipiente para gas flota, ya sea directamente sobre la mezcla
de fermentación o en una chaqueta de agua. El gas se recolecta en el tambor de
gas, que se levanta o baja, de acuerdo con la cantidad de gas almacenado.
Ventajas
Operación simple y fácil de entender. El volumen de gas almacenado de gas es
visible directamente. La presión del gas es constante, determinada por el peso del
recipiente de gas.
Desventajas
Las desventajas son los altos costos de los materiales para el tambor de acero, la
susceptibilidad a la corrosión de las partes de acero, por lo que la vida útil de la
planta es más corta.
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
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Biodigestor de domo flotante tipo Hindú
Figura 6 Biodigestor tipo Indú(Zúñiga, 2007)
Plantas de domo fijo
Estas plantas consisten en un recipiente fijo e inmóvil para gas, que se coloca en la
parte superior del digestor. Cuando comienza la producción de gas, la mezcla se
desplaza hacia el tanque de compensación. La presión de gas aumenta debido al
aumento de volumen del gas almacenado y con la diferencia de altura entre el nivel
de la mezcla en el digestor y el nivel de la mezcla en el tanque de compensación
Ventajas
Costos de construcción relativamente bajos, larga vida útil. La construcción
subterránea ahorra espacio y protege al digestor de cambios de temperatura.
Desventajas
Frecuentes problemas con la permeabilidad para gases del recipiente de ladrillos
para el gas debido a que una simple fractura en el domo superior puede causar altas
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 30
perdidas de biogás. La presión del gas fluctúa dependiendo sustancialmente de
volumen de gas almacenado.
Biodigestor de domo fijo
Figura 7 Biodigestor tipo Chino(Zúñiga, 2007)
Digestor Tubular de polietileno o plantas de globo
Recientes desarrollos han llevado al uso de digestores tubulares fabricados en
polietileno los cuales han resultado en disminución de costos y eficiencias
considerables. Estas unidades, las cuales varían en tamaño de 100 a 400 m³ en
volumen, son fáciles de transportar, sencillas de instalar y baratas de construir.
Ventajas
Las principales ventajas son su bajo costo, fácil transportación, poca sofisticación
de construcción. Este digestor puede operar a altas temperaturas teniendo éste
altas temperaturas de digestión. Posee fácil limpieza, mantenimiento y vaciado.
Desventajas
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
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Alta susceptibilidad a ser dañado, baja generación de empleo.
Biodigestor de globo
Figura 8 Biodigestor tubular de polietileno(Coimbra-Araújo et al., 2014)
Estos biodigestores pueden tener una durabilidad de hasta 20 años en el caso de
ser dañados pueden ser fácilmente reparadas del mismo material del biodigestor
usando adhesivo fuerte. Cuando se necesita el metano sólo se ejerce una pequeña
presión sobre la bolsa de almacenamiento moviendo de esta forma el biogás a
donde se necesita.
Digestor plástico de bajo costo
Este digestor (fig. 9) es ideal para el uso en casas dada sus ventajas.
Ventajas
Este tipo de digestor es muy económico y fácil de transportar por su bajo
peso, en especial en aquellos sitios de difícil acceso.
Al ser herméticos se reducen la pérdidas.
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Figura 9 Biodigestor plástico de bajo costo(Zúñiga, 2007)
1.7 Post-tratamiento
En el biogás existen diferentes gases contaminantes los cuales son perjudiciales
cundo se va a utilizar este en fines energéticos, estos gases deben ser eliminados
o separados de la mezcla de gases para poder ser utilizado en dichos fines. Para la
co-generación es necesaria la eliminación del ácido sulfhídrico (H2S) compuesto
tóxico para la salud y que además, puede mezclarse con el vapor de agua en el
biogás y formar ácido sulfúrico (H2SO4) el que corroe a los equipos. Aún más, es
importantísimo recalcar que al conservar el biogás crudo en el proceso y
combustionar éste, se generarán óxidos de azufre (SOx), monóxido de carbono (CO)
y óxidos de nitrógeno (NOx) los que son perjudiciales para el ambiente y cuyas
emisiones están normadas por ley, por lo que se debe evitar este hecho (García,
2011).
Tratamientos Fisicoquímicos
Adsorción:
Este método es llevado a cabo sobre un lecho seco sólido fijo, donde se busca
principalmente la adsorción a la superficie del sólido de gases como H2S y CO2. Los
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 33
adsorbentes pueden ser carbón activado, zeolitas, tamices moleculares de zeolitas
y tamices moleculares de carbón.
Absorción:
Son métodos basados en el uso de una solución para que los gases a separar sean
absorbidos en ésta. En general son de alta eficiencia y de bajos costos de
materiales.
Un tipo de absorción es el utilizado con compuestos de hierro para la remoción de
H2S. Usualmente se utilizan limallas de este metal en columnas de purificación, con
un nivel de humedad entre el 30 y 60% y presiones variables. También se ha
utilizado óxido de hierro y hierro quilatado en fase líquida para el tratamiento.
Precipitación de sulfuros
Para este proceso se suelen utilizar un tanque donde se precipita el azufre con el
uso de cloruro de hierro (II) (FeCl2), cloruro de hierro (III) o sulfato de hierro (II). Las
ecuaciones que representan este proceso (ecu. 1.3 y 1.4) se muestran a
continuación (Marin, 2011).
𝐹𝑒+2 + 𝑺𝟐−
→ 𝐹𝑒𝑆 Ecuación 1. 3
𝐹𝑒𝐶𝑙3 + 3 𝐻2𝑆 → 2𝐹𝑒𝑆 + 𝑆 + 6𝐻𝐶𝑙 Ecuación 1. 4
Membranas
La tecnología de membrana puede ser utilizada para separar gases con un
diafragma poroso. Cuando los componentes del biogás pasan por la membrana lo
hacen con distintas velocidades, siendo más rápido para el H2S y el CO2 que para
el metano. Este sistema también pierde metano debido a que no se puede evitar su
difusión a través del diafragma. Además, en general los componentes separados
son disueltos en solución como soda cáustica y aminas (Marin, 2011).
Compresión y/o enfriamiento
Al salir del reactor el biogás suele saturarse con vapor de agua, para evitar
condensaciones en las tuberías. El condensado al ser combinado con impurezas
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 34
puede corroer el sistema de transporte del gas, por lo que el vapor debe ser
separado. Esto se logra por compresión y/o enfriamiento del gas, para que éste se
condense y así el líquido sea separado. También se puede utilizar adsorción en
carbón activado o absorción en soluciones de glicol y sales higroscópicas para la
eliminación del vapor (Manzone et al., 2016).
1.8 Unidades consumidoras de biogás utilizadas en la generación de
energía eléctrica o el transporte.
Motores a Gasolina:
El motor a gasolina puede ser operado con biogás realizándole una simple
adaptación, que consiste en colocar entre el filtro del aire y el carburador una “T”
por donde se suministra el gas al sistema.
Se debe de tener ciertas consideraciones para que un motor a gasolina, alimentado
con biogás opere satisfactoriamente:
Evitar el paso de gasolina cuando el motor va a operar o está operando con
biogás, esto con el fin de evitar un gasto innecesario de combustible. Para
lograrlo se debe de colocar una válvula para controlar el paso de la gasolina
al carburador (Fonseca).
Garantizar un suministro de biogás a presión constante.
El filtro del aire debe de mantenerse limpio para mantener una constate
relación entre la mezcla de biogás y aire que nos garantice una operación
estable del motor.
Colocar una válvula para controlar la admisión del gas al motor.
Al ser alimentado con biogás, directamente al múltiple de admisión el motor no
permite una regulación automática de la mezcla y la carga, por lo que el ajuste del
motor se debe de realizar de forma manual desde la válvula de control del biogás,
colocada en la línea de admisión (Grabiela Blanco, 2017).
Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas
de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrada
por el generador (Rodríguez, 2004).
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 35
Para el caso de cargas variables, el flujo de gas hacia el motor se debe regular con
un sistema de control especialmente diseñado, que garantice que el flujo del gas
que se inyecte en el motor pueda responder a las diferentes demandas de potencia
debido a las variaciones de carga eléctrica, provocada por el constante entrar y salir
de cargas.
Motores Diésel
Los motores a diésel, se pueden operar con una sustitución del diésel por biogás
hasta un 75%, y un consumo de diésel del 30% restante por lo que el motor no sufre
ninguna alteración al consumir los dos tipos de combustible al mismo tiempo.
Para realizar estas adaptaciones se debe de colocar una “T” entre el filtro y el
sistema de admisión del aire, donde se conecta la tubería del biogás. Se debe de
instalar una válvula en esta tubería para regular el suministro del biogás y ajustarlo
al porcentaje requerido de operación (fig. 8).
A continuación se muestra el esquema de una instalación de un mesclador de aire
metano el cual puede ser con materiales caseros como un tubo de PVC.
Figura 10 Adaptación del motor diésel a motor dual Diesel-Biogás(Carbotech, 2013)
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 36
En estos motores la mezcla de diésel y biogás se realiza directamente en la cámara
de combustión del motor. Cuando el motor recibe el biogás por la entrada de aire,
este se acelera, por lo que el gobernador de la bomba de inyección reduce la
cantidad de diésel suministrado a la cámara de combustión, logrando una
estabilidad en la aceleración y potencia del motor. Estos motores soportan las
variaciones de carga sin tener que operar la válvula de regulación del biogás,
permitiendo operar en un rango más amplio de carga.
Para los arranques del motor se debe alimentar únicamente con diésel, una vez
arrancado el motor se realiza la transferencia de biogás gradualmente, hasta
alcanzar el 75-80%. No es recomendable la sustitución mayor a un 80% de biogás
por diésel porque puede dañar el motor (Ingeniería, 2006).
Motores a Gas
Los motores a gas mecánicamente son idénticos a los motores de combustión a
gasolina, la diferencia radica en la admisión del combustible. En los motores a gas,
esta admisión se realiza por medio de una válvula que regula la presión con la que
se inyecta el gas licuado directamente en el carburador.
Las modificaciones que se deben realizar a este motor para utilizarlo en la
generación de electricidad a partir del consumo de biogás, es modificar levemente
la presión de inyección del gas, para que se ajuste a las condiciones del biogás. El
porcentaje de sustitución de biogás por gas GLP es del 100%. Así, se puede realizar
una conexión de la tubería de biogás al sistema, de modo que el equipo pueda
operar con ambos combustibles.
Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas
de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrado
por el generador.
En general, el biogás podría usarse como combustible de transporte pero tiene
algunas desventajas si no se depura a calidad de gas natural, por lo que no es muy
común. A menudo se inyecta el biometano en la red de gas natural. El operador
puede recibir “certificados de gas verde” virtuales por la cantidad de biometano
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 37
inyectado. El operador de la estación de llenado de gas puede comprar esos
certificados y tomar el mismo equivalente energético de una ubicación donde haya
una estación de llenado. En ese caso, debe haber un sistema de registro para
monitorear el intercambio de energía inyectada comparada con la energía extraída.
Varios países (como Alemania, Austria, Suiza y Suecia) ya han establecido un
registro de biometano. Si no se inyecta en la red de gas, el biometano puede
comprimirse en cilindros de gas para hacerlo almacenable y transportable. Hay
ejemplos donde el biometano se produce en áreas rurales, se comprime en cilindros
de gas, se transporta a estaciones de combustible y se vende allí (Hofmann, 2017).
CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización
mediante motores de combustión interna. Estado del arte 38
Conclusiones parciales:
Se puede concluir que:
En este trabajo realizó un estudio bibliográfico sobre la obtención,
purificación y empleo del biogás en motores de combustión interna (MCI).
Se definieron las principales características del biogás así como los rangos
óptimos de producción de biogás.
Al operar el motor de forma dual, se utiliza biogás proveniente de fuentes
renovables de energía, que de no ser tratadas en su estado natural
constituyen una fuente de contaminación al medio.
Las materias primas con mayor utilización son los estiércoles de vaca y
porcino con un rendimiento de 35 y 45 m3 de biogás / tonelada de materia
orgánica seca respectivamente.
Se Definieron las principales propiedades del biogás para utilizarlo como
combustible en MCI.
Se llegó a la conclusión que para el uso del biogás en MCI ya sea en el
transporte o en la generación de electricidad se necesita de un proceso de
purificación para eliminar las impurezas.
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 39
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo
de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás
Los métodos de operación del ciclo operacional elaborados en el presente se basan
en resolver, recurriendo a ordenadores, las ecuaciones diferenciales para los
balances de energía, masa y para las ecuaciones características. La simulación
matemática realizada, introduciendo algunas suposiciones debidamente
fundamentadas y utilizando coeficientes experimentales, permite determinar las
variaciones de la presión y temperatura en función del ángulo ᵩ para todas las
etapas del ciclo de trabajo (Jóvaj, 1982)
Sobre la base de los datos obtenidos al estudiar la teoría de los motores, y con una
elección fundamentada de los coeficientes experimentales se puede calcular con la
suficiente precisión, el ciclo de trabajo aplicando el método propuesto. Este cálculo
efectuado durante el estudio de la teoría de motores resulta muy útil, porque permite
determinar los parámetros que definen las etapas finales de los procesos
individuales, reforzando de esta manera los conocimientos referentes al ciclo de
trabajo y de cada uno de sus procesos.
Una de las herramientas más efectivas para analizar el comportamiento de un MCI
ante una nueva condición de trabajo es mediante la realización del cálculo del ciclo
de trabajo del mismo.
Caracterización del motor Jenbacher tipo 4
Basado en conceptos probados de diseño de los tipos 3 y 6, el motor de tipo 4 de
última generación en la gama de potencia de 800 kW a 1.500 kW se caracteriza por
una gran capacidad y un rendimiento excepcional. Su concepto de monitorización y
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 40
control optimizado consigue un mantenimiento preventivo ideal y un rendimiento y
disponibilidad máximos.
Aplicaciones de los motores Jenbacher
Sector Palmi-cultor: El biogás en esta industria es el resultante del
tratamiento en un bio-digestor de los desechos del fruto de la palma posterior
a la extracción del aceite. Este biogás es el que se utiliza para alimentar el
motor y así generar energía limpia. Este es la aplicación que clientes
como Guaicaramo y ANSA le dan a dichos equipos.
Sector Industrial: Con ayuda de la red de gas natural, las empresas en este
sector buscan tener continuidad en su actividad sin interrupciones generadas
por la red eléctrica, como lo hizo E2 en el “proyecto Cannon”. O también
empresas buscan reducir los costes de energía aprovechando las tarifas de
gas natural recibido, como en el “proyecto Permoda” dirigido por Gas Natural.
Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR): A través de la
separación de desechos en la purificación del agua, los desechos pasan a
los biodigestores en donde se produce el gas que alimenta el motor
Jenbacher.
Plantas de aprovechamiento y/o rellenos sanitarios: Realizando
perforaciones en la masa del vertedero e interconectando una red de
tuberías, se recoge el gas producto de la descomposición de la materia
orgánica. Siendo este el suministro de combustible para el motor.
Proyectos de recuperación de calor: El calor generado por la actividad del
motor se recupera para su aplicación en calentamiento de agua o generación
de vapor por medio de equipos intercambiados de calor. Algunos ejemplos
de sectores de esta aplicación se encuentran en el sector Hospitalario y
Hotelero.
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 41
Tabla 5 Características Técnicas(2017)
Característica Descripción Ventajas
Recuperación de calor Una amplia gama de gases posibles y
el aire de combustión se mezclan a baja
presión antes de entrar en el
turboalimentador
- Máximo rendimiento térmico,
incluso con temperaturas de
retorno altas y variables
Válvula dosificadora de
gas
Válvula dosificadora de gas regulada
electrónicamente, con alta precisión de
regulación
- Tiempo de reacción muy corto
- Ajuste rápido de la relación
aire /gas
- Posibilidad de regular grandes
variaciones en el poder calorífico
Culata con cuatro
válvulas
Diseño optimizado para mejorar
turbulencias y geometría de flujos
mediante los más modernos métodos
de cálculos y simulación (CFD)
- Pérdidas minimizadas en el
intercambio de cargas
- Posición central de las bujías
aporta condiciones óptimas de
refrigeración y combustión
Biela tipo crack Aplicando una tecnología de
fabricación, probada y demostrada en
la industria del automóvil, a nuestros
motores estacionarios
- Alta estabilidad y precisión
dimensionales
- Reducido desgaste del cojinete de
biela
- Fácil mantenimiento
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 42
Características y ventajas
El más alto rendimiento en su clase de potencia
Componentes de alta tecnología que maximizan el rendimiento
LEANOX® el control de mezcla pobre garantiza emisiones mínimas
El concepto moderno del motor facilita el mantenimiento
El turbocompresor de gran potencia permite un funcionamiento óptimo a
mayor temperatura de entrada de aire y a mayor altitud
Numerosos proyectos a nivel mundial utilizan este tipo de motores para la
generación de electricidad a diferentes escalas, tales como el proyecto de Ox
Mountain (EEUU) de 11 MW, el proyecto Dairyland (EEUU) de 4 MW, el proyecto
del relleno sanitario de Monterrey (México) de 12 MW, Belo Horizonte (Brasil) de 4.3
MW, Co-Gen (Alemania) de 190 MW entre otros (Grabiela Blanco, 2017).
Tabla 6 Potencia Eléctrica y Térmica del J420 (2017)
Combustible Tipo de motor Potencia eléctrica Potencia térmica Producción de vapor
Biogás J420 1410 kW 751 kW 1037 kg/h a 3 bar o
potencia térmica de
698 kW
Solución en contenedor; Planta de biogás SBR; Kogel, Alemania
Esta planta de biogás puede utilizar los desechos residuales orgánicos para producir
biogás, que sirve como combustible para el motor a gas. La electricidad generada
se suministra en su totalidad a la red y los gases de escape procedentes del motor
se utilizan para la producción de vapor. Éste vapor sirve para la pasteurización de
los residuos los cuales pueden utilizarse como fertilizante esterilizado o bien para
cualquier otra instalación que requiera de vapor ya sea para la cocción de alimentos
o cualquier otra utilidad (Carbotech, 2013).
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 43
Datos Tecnicos
Tabla 7 Datos Técnicos(2017)
Configuración V 70o
Taladro (mm) 145
Carrera (mm) 185
Cilindrada (lit) 3.6
Velocidad nominal (rpm) 1800/1200 (60 Hz)
Velocidad media del pistón (m/s) 7.4
Combustible Biogas
Número de cilindros 20
Cilindrada total (lit) 61.1
Peso (kg) 17 000
2.1 Calculo del ciclo de trabajo de un motor a Biogás
En este motor se utiliza como combustible el Biogas. A continuación se muetran las
propiedades de el mismo (Carbotech, 2013, Garcia, 2012)
Tabla 8 Propiedades del biogás para realizar el ciclo de trabajo
CO2 (%) 37
CH4 (%) 61
Hug (kj/m3) 22 000
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 44
Estos porcientos pueden variar dependiendo del tipo de purificación utilizado ya que
él % de CH4 puede llegar hasta los 75 - 85 % con una debida purificación del biogás
por ende el valor calórico inferior aumentaría considerablemente.
2.1.1 Parámetros generales
1- Cálculo de la cantidad teórica de aire requerida para el combustible gaseoso Log.
Durante su funcionamiento el motor requiere aire para liberar la energía química
contenida en el combustible(López, 2007)
𝑳𝒐𝒈 = 𝟏
𝟎.𝟐𝟏(𝒏 +
𝒎
𝟒−
𝒓
𝟐) ∗ 𝑪𝒏𝑯𝒎𝑶𝒓 Ecuación 2. 1
Resolviendo la ecuación para la composición del biogás se obtiene:
Log = 5.5 m3/ m3 biogás
2- Determinación de la cantidad total de mezcla fresca que penetra al cilindro.
De todo el aire que penetra al interior de la cámara de combustión, solamente
participa en la combustión el estrictamente requerido para la reacción con el
combustible (González, 2012, López, 2007). Este aire se corresponde con el aire
estequiométrico para cada combustible. La presencia de aire en exceso, realmente
no participa en la combustión, sino que eleva la probabilidad de que el combustible
encuentre el aire que necesita para un correcto desarrollo del proceso de
combustión.
Para un motor a gas es recomendable utilizar un coeficiente de exceso de aire α=1
La cantidad de masa fresca (aire) en valor absoluto requerida por el combustible en
un ciclo de trabajo es.
𝑴𝟏𝒈 = 𝟏+∝∗ 𝑳𝒐𝒈 (m3/m3 biogás) Ecuación 2. 2
Empleando ∝= 1 queda:
M1g =1+1 + 5.5 = 7.5 m3/m3biogás
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 45
La cantidad de masa fresca en valor absoluto que ingresa al cilindro para la
combustión del gas, se determina por:
𝑴𝟏𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝟏𝒈 ∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 3
Donde:
Vg : Volumen del biogás que penetra al cilindro en un ciclo de trabajo.
La determinación de Vg se realiza a partir de establecer la igualdad entre la cantidad
de mezcla fresca que penetra al cilindro durante un ciclo (M1ABS) y el volumen
desplazado por el pistón en el cilindro (V) teniendo en cuenta la eficiencia del
proceso de admisión por medio del rendimiento volumétrico (ηv).
𝑴𝟏𝑨𝑩𝑺 = 𝑽 × 𝜼𝒗 Ecuación 2. 4
Conociendo que V es el volumen de un cilindro y que la carga fresca total en valor
absoluto introducida al cilindro en una carrera de trabajo es la Ecuación 4 se puede
plantear:
𝑴𝟏𝒈 ∗ 𝑽𝒈 = 𝝅∗𝑫𝟐∗𝑺
𝟒∗ 𝜼𝒗 Ecuación 2. 5
Ilustración 1 Diámetro (D) y carrera (S) del pistón para determinar el volumen de desplazamiento(López, 2007)
Despejando 𝑉𝑔 si se conoce la cilindrada total de motor la ecuación queda de la
siguiente forma.
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 46
𝑽𝒈 =𝟏
𝑴𝟏𝒈∗ (
𝑪𝒊𝒍∗ 𝜼𝒗
𝟏𝟎𝟎𝟎∗𝒊) Ecuación 2. 6
Donde:
Cil Cilindrada total del motor (litros)
i Cantidad de cilindros del motor.
Finalmente la cantidad de mezcla fresca total en función del volumen de gas que
penetra al cilindro se determina por:
𝑀1 = 𝑀1𝑔 ∗ (1 + 𝑀1𝑔 𝐴𝐵𝑆) 𝑚3/𝑚3 𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠
3- Determinación de los productos de la combustión.
𝑴𝑪𝑶𝟐𝒈= ∑ 𝒏 ∗ (𝑪𝒏𝑯𝒎𝑶𝒓) (m3/m3 gas) Ecuación 2. 7
𝑴𝑯𝟐𝑶𝒈= ∑
𝒎
𝟐∗ (𝑪𝒏𝑯𝒎𝑶𝒓) (m3/m3 gas) Ecuación 2. 8
𝑴𝑶𝟐𝒈= 𝟎. 𝟐𝟏 ∗ (∝𝒈− 𝟏) ∗ 𝑳𝑶𝒈
(m3/m3 gas) Ecuación 2. 9
𝑴𝑵𝟐𝒈= 𝟎. 𝟕𝟗 ∗∝𝒈∗ 𝑳𝑶𝒈
+ 𝑵𝟐𝒈 (m3/m3 gas) Ecuación 2. 10
Determinación de los componentes individuales en valor absoluto
𝑴𝑪𝑶𝟐𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝑪𝑶𝟐𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 11
𝑴𝑯𝟐𝑶𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝑯𝟐𝑶𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 12
𝑴𝑵𝟐𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝑵𝟐𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 13
La cantidad total de productos de la combustión asociados a la combustión del
gas está dada por:
M2 g = M CO2g + MH2Og + MO2g + MN2g (m3/m3gas) Ecuación 2. 14
En valor absoluto se determina por:
𝑴𝟐𝒈 𝑨𝑩𝑺 = 𝑴𝟐𝒈∗ 𝑽𝒈 (m3) Ecuación 2. 15
El cálculo del coeficiente teórico de variación molecular se realiza por medio de la
siguiente ecuación (Jóvaj, 1982):
𝝁𝟎 =𝑴𝟐
𝑴𝟏 Ecuación 2. 16
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 47
2.1.2- Parámetros del proceso de admisión.
4- Calculo de la cantidad de la mezcla de entrada.
Considerando la mezcla de trabajo como aire.
𝝆𝟎 =𝑷𝟎
𝑹∗𝑻𝟎 (kg /m3) Ecuación 2. 17
5- Cálculo de la presión al final del proceso de admisión.
𝑷𝒂 = 𝑷𝟎 − (𝜷𝟐 + 𝝃) ∗𝝎𝒂𝒅
𝟐
𝟐∗ 𝝆𝟎 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 (MPa) Ecuación 2. 18
6- Cálculo de la temperatura al final del proceso de admisión.
Se comienza por el cálculo del coeficiente de gases residuales 𝛾𝑟:
𝜸𝒓 =𝑻𝟎+∆𝑻
𝑻𝒓∗
𝑷𝒓
𝜺∗𝑷𝒂−𝑷𝒓 Ecuación 2. 19
Según la bibliografía, en los motores de gas, el coeficiente de gases residuales
alcanza valores (𝛾𝑟 = 0.06… 1) (López, 2007).
La temperatura al final de la admisión se determina mediante la expresión:
𝑻𝒂 =𝑻𝟎+∆𝑻+𝜸𝒓𝑻𝒓
𝟏+𝜸𝒓 (K) Ecuación 2. 20
Finalmente el rendimiento volumétrico se determina por:
𝜼𝒗 =𝜺
𝜺−𝟏∗
𝑷𝒂
𝑷𝟎∗
𝑻𝟎
𝑻𝒂∗(𝟏+𝜸𝒓) Ecuación 2. 21
2.1.3- Parámetros del proceso de compresión.
Se adopta el exponente politrópico de compresión n1=1.34
7- Determinación de la presión al final del proceso de compresión.
𝑷𝒄 = 𝑷𝒂 ∗ 𝜺𝒏𝟏 (MPa) Ecuación 2. 22
8- Determinación de la temperatura al final de proceso de compresión.
𝑻𝒄 = 𝑻𝒂 ∗ 𝜺𝒏𝟏−𝟏 (K) Ecuación 2. 23
2.1.4- Parámetros del proceso de combustión.
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 48
En los motores a gas al igual que en los de carburación se puede considerar que la
combustión ocurre de forma instantánea y a volumen constante. Esto implica que
los gases no producen trabajo a medida que se efectúa la combustión, sino que
solamente se emplea el calor liberado en incrementar la energía interna.
En la siguiente figura se aprecia cómo se sustituye en el diagrama indicado el
proceso de combustión real por la isocora C – Z.
Gráfico 1 Proceso de combustión a volumen constante (Rodríguez, 2004)
9- Cálculo del coeficiente real de variación molecular.
𝝁𝒓 =𝝁𝟎+𝜸𝒓
𝟏+𝜸𝒓 Ecuación 2. 24
10- Solución de la ecuación de combustión.
La ecuación de la combustión del combustible gaseoso para α =1 considerando que
ocurre la combustión a volumen constante tiene la siguiente forma:
𝟐𝟐.𝟒∗𝝃𝒁∗𝑯𝑼
(𝟏+𝜸𝒓)∗𝑴𝟏+
𝑼𝑪+𝜸𝒓∗Ú𝑪
𝟏+𝜸𝒓= 𝝁𝒓 ∗ Ú𝒁 Ecuación 2. 25
El objetivo final de resolver la ecuación de combustión es determinar la temperatura
al final del proceso. Por ello no tiene sentido resolver ecuaciones de combustión
independientes para cada combustible que arrojen como resultado diferentes
temperaturas para un mismo volumen de cámara de combustión.
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 49
En la ecuación es necesario introducir en el término Hu el aporte energético del
combustible gaseoso.
El calor aportado por este combustible se determina por la expresión:
𝑸𝑳 = 𝑯𝑼𝑳 ∗ 𝑽𝒈 (kJ) Ecuación 2. 26
Se resuelve el primer término de la ecuación de la combustión.
𝟐𝟐.𝟒∗𝝃𝒁∗𝑯𝑼
(𝟏+𝜸𝒓)∗𝑴𝟏 Ecuación 2. 27
Para resolver el segundo término de la ecuación de combustión:
𝑼𝑪+𝜸𝒓∗Ú𝑪
𝟏+𝜸𝒓 Ecuación 2. 28
Donde:
Uc Energía interna de la mezcla fresca a la temperatura TC. La energía interna de
la mezcla se determina considerando que la sustancia de trabajo está compuesta
solamente por aire
𝑼𝑪 = (𝝁𝑪𝑽) ∗ 𝒕𝑪 Ecuación 2. 29
Donde (µCV) representa el calor específico a volumen constante del aire a la
temperatura tC determinándose por la tabla del Anexo 1.
ÚC Energía interna de los productos de la combustión a la temperatura tC.
Ú𝑪 = (𝝁𝑪𝑽)" ∗ 𝒕𝑪 Ecuación 2. 30
(µCV)” Representa el calor específico de los productos de la combustión al final del
proceso de compresión. Para la mezcla (𝜇𝐶𝑉)" se obtiene de la suma de los
productos de las fracciones volumétricas de cada componente por su
correspondiente calor específico a tc
(µ𝑪𝑽 )" = ∑𝒓𝑰 × (µ𝑪𝑽𝑰 ) Ecuación 2. 31
11- Determinamos la temperatura final de la combustión
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 50
Con el auxilio de la tabla del Anexo 2 se determina la energía interna de la mezcla
de gases que forman los productos independientes de la combustión a una
temperatura tz asumida
Se calcula una energía interna correspondiente a la temperatura asumida.
(𝑼𝒁" ) = ∑ 𝒓𝒊 ∗ (𝑼𝑻𝒂𝒃𝒍𝒂) Ecuación 2. 32
Se calcula para diferente temperaturas tz hasta que se logre una diferencia mínima
entre (𝑈𝑍" ) calculado y el resultado de la ecuación de combustión (𝑈𝑍
" )
12- Determinación del grado de elevación de la presión durante la combustión.
𝝀 = 𝝁𝒓 ∗𝑻𝒁
𝑻𝑪 Ecuación 2. 33
13- Determinación de la presión máxima del ciclo.
𝑷𝒁 𝑪𝑨𝑳𝑪𝑼𝑳𝑶 = 𝝀 ∗ 𝑷𝑪 Ecuación 2. 34
𝑷𝒁 = 𝟎. 𝟖𝟓 ∗ 𝑷𝒁 𝑪𝑨𝑳𝑪𝑼𝑳𝑶 Ecuación 2. 35
14- Calculo de la presión media indicada del ciclo.
𝑷𝒊𝒏𝒓 = 𝑷𝒂 ∗𝜺𝒏𝟏
𝜺−𝟏∗ [
𝝀
𝒏𝟐−𝟏∗ (𝟏 −
𝟏
𝜺𝒏𝟐−𝟏) −𝟏
𝒏𝟏−𝟏∗ (𝟏 −
𝟏
𝜺𝒏𝟏−𝟏)] (MPa)
Ecuación 2. 36
La presión indicada del ciclo se calcula por la siguiente ecuación considerando que
el coeficiente de redondeo o plenitud 𝜑𝑖 = 0.97
𝑷𝒊 = 𝝋𝒊 ∗ 𝑷𝒊𝒏𝒓 (MPa) Ecuación 2. 37
2.1.5- Parámetros del proceso de expansión. Se asume que el exponente
politrópico de expansión n2 =1.24
15- Cálculo de la presión al final de la expansión.
𝑷𝒃 = 𝑷𝒁 ∗𝟏
𝜺𝒏𝟐 (MPa) Ecuación 2. 38
16- Cálculo de la temperatura al final de la expansión.
𝑻𝒃 = 𝑻𝒁 ∗𝟏
𝜺𝒏𝟐−𝟏 (K) Ecuación 2. 39
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 51
2.1.6- Índices del ciclo de trabajo del motor.
17- Cálculo de la presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los
mecanismos auxiliares se determina:
𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝟓𝒗𝑷 (MPa) Ecuación 2. 40
18- La presión media efectiva del ciclo se halla:
𝑷𝒆 = 𝑷𝒊 − 𝑷𝒎 (MPa) Ecuación 2. 41
18- Cálculo del rendimiento mecánico.
𝜼𝒎 =𝑷𝒆
𝑷𝒊 Ecuación 2. 42
19- Calculo del rendimiento indicado del ciclo.
𝜼𝒊 = 𝟑𝟕𝟏. 𝟏𝟓 ∗𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊
𝑯𝑼∗𝜼𝑽∗𝑷𝟎 Ecuación 2. 43
20- Cálculo del consumo específico indicado
𝑽𝒊 = 𝟗𝟕𝟎𝟎𝜼𝑽∗𝑷𝒌
𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊 (m3/kWh) Ecuación 2. 44
21- Cálculo del consumo específico efectivo.
𝑽𝒆 =𝑽𝒊
𝜼𝒎 (m3/kWh) Ecuación 2. 45
22- Cálculo del rendimiento efectivo del ciclo
𝜼𝒆 = 𝜼𝒊 ∗ 𝜼𝒎 Ecuación 2. 46
23- El consumo horario de combustible Constituye.
𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 (m3/h) Ecuación 2. 47
24- determinación de la potencia del motor
𝑵 =𝑷∗𝒊∗𝑽𝒉∗𝒏
𝟑𝟎∗𝝉 (kW) Ecuación 2. 48
2.1.7- Resultados de los parámetros principales del ciclo
Presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los mecanismos
auxiliares.
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 52
𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟏𝟔 𝐌𝐏𝐚
La presión media efectiva del ciclo.
𝑷𝒆 = 𝟏. 𝟓𝟒 𝐌𝐏𝐚
El rendimiento mecánico.
𝜼𝒎 = 𝟎. 𝟗𝟎
El consumo específico indicado
𝑽𝒊 = 𝟎. 𝟐𝟎 m3/kWh
El consumo específico efectivo.
𝑽𝒆 = 𝟎. 𝟐𝟐 m3/kWh
El consumo horario de combustible
𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 = 𝟑𝟏𝟎 m3/h
2.1.8- Cogeneración con MCI.
La constante necesidad de optimizar los recursos energéticos en los distintos
procesos productivos, disminuir los costos de producción y los consumos de energía
para lograr una mayor eficiencia y rentabilidad, es un desafío permanente en la
empresa actual. El creciente consumo de energía eléctrica y energía térmica en los
diferentes procesos productivos de la empresa, la crisis energética nacional y
mundial, la escasez de recursos naturales que generan energía y combustible, el
aumento progresivo en las tarifas y por ende los costos de producción, nos plantea
un desafío permanente y que requiere una solución inmediata. Es por ello que se
implementara un innovador sistema de generación de energía limpia y renovable
que permita disminuir el consumo, los costos, aumentar la rentabilidad del negocio,
aportar al ahorro energético de la región y el país, además de disminuir la
contaminación ambiental y de la atmosfera. La Co-Generación de Energía Térmica
y Eléctrica, permitirá tener un mayor control de la cantidad y calidad de la materia
prima (purines) que ingresara al Biodigestor para posteriormente generar una mejor
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 53
calidad de Biogás y por ende energía suficiente para el autoconsumo de los distintos
procesos.
La cogeneración es la producción conjunta, por el propio usuario, de electricidad y
energía térmica útil (calor), partiendo de un único combustible en este caso el purín
de los cerdos.
Esta generación simultánea de calor y electricidad, permite un mejor
aprovechamiento de la energía primaria que se transforma respecto a la producción
de electricidad y calor por separado.
El motor Jenbacher es uno de los motores más eficientes en cuanto a cogeneración
se trata diversos proyectos a escala global utilizan este motor por su alta eficiencia
y potencia térmica
Datos del motor para la producción de vapor
Tabla 9 Características del motor para la cogeneración
Potencia Térmica Eficiencia térmica Producción de vapor
751 kW 45.2 % 1.037 kg/h a 3 bar o
potencia térmica de 698
kW
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 54
La siguiente figura representa un esquema de cogeneración del motor Jenbacher
tipo 4
Ilustración 2 Esquema de cogeneración propuesto para el motor Jenbacher tipo 4
Beneficios de la cogeneración
Mayor predictibilidad y resiliencia
Protege contra la volatilidad de los precios de energía en la red eléctrica y la
incertidumbre del suministro para una planificación financiera más precisa. Además,
su sistema de energía mediante cogeneración local puede ayudar a mitigar
apagones, desastres naturales y cortes de energía; y le ayudará a vender el exceso
de electricidad a la red. La producción de vapor mediante el proceso de
cogeneración proporciona un bono adicional de resiliencia para procesos (Power,
2017).
Flexibilidad para sus necesidades específicas
Los sistemas de cogeneración tienen la flexibilidad de quemar combustibles
disponibles localmente, incluidos los gases naturales, biogás, diésel y efluentes
gaseosos. GE puede ser su socio estratégico en sistemas de cogeneración para su
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 55
industria y aplicación específicas - desde aplicaciones de agricultura, de
manufactura, textiles, industriales (por ejemplo, alimentos y bebidas ó pulpa y
papel), así como para aplicaciones comerciales.
Ahorro de dinero/económico
Con la generación de energía propia y la venta de energía excedente a la red, se
puede experimentar un ahorro significativo de costos generales y una mejor
previsión financiera para el proyecto. Una instalación típica completa tiene un ROI
(Retorno de Inversión) de menos de 24 meses(Power, 2017).
Ahorro energía y emisiones
Se logra un ahorro de energía de hasta 40 % usando la energía o calor residual del
motor. Con la combinación de calor y energía, se puede reducir las emisiones de
gases de efecto invernadero hasta 30%, reduciendo así drásticamente su huella de
carbono.
2.2 Utilización del biogás como combustible para el transporte público.
El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace
bastante tiempo(Varnero, 2011). Para esto, el biogás debe tener una calidad similar
a la del gas natural, para usarse en vehículos que se han acondicionado para el
funcionamiento con gas natural o puede utilizarse en vehículos que ya son
producidos directamente para trabajar con biogás. La mayoría de vehículos de estas
categorías han sido equipados con un tanque de gas y un sistema de suministro de
gas y otros trabajan de manera hibrida pues cuentan con un sistema de inyección
de gasolina normal.
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina
como diésel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre
100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación
volumétrica de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de
encendido(Varnero, 2011).
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 56
El biometano se puede usar en todos los motores que normalmente funcionan con
gas natural. Las características de quemado del biometano son incluso mejores que
las del gas natural, ya que el biometano sólo consiste de un componente inflamable
(metano) mientras que el gas natural consiste principalmente de metano pero tiene
algunas cantidades de etano, propano, butano e incluso hidrógeno. Esas otras
sustancias químicas se queman en diferentes condiciones (temperatura,
presión)(Hofmann, 2017).
Un aspecto principal del uso de biometano como combustible, además de la
protección del clima, son los aspectos financieros – ahorra dinero, y es más barato
para los consumidores usar biometano/GNC en comparación con petróleo o diésel.
Un aspecto sobre el que los diseñadores de políticas todavía tienen que trabajar es
hacer que esta ventaja financiera sea vista fácilmente en las estaciones de llenado,
ya que actualmente el gas natural como combustible se vende por kilogramo y no
por litro, lo que hace difícil comparar precios (Hofmann, 2017).
2.2.1 Cálculo del ciclo de trabajo del Motor Scania OC9 G04 270
La marca Scania ha sacado al mercado diversos modelos de motores para ómnibus
y camiones los cuales trabajan con biogás. Estos modelos se han venido utilizando
en diversos países tales como Alemania, España, Suecia, Brasil entre otros. La
principal utilización de estos motores ha sido en el sector del transporte público
teniendo una gran aceptación tanto por las compañías propietarias de los vehículos
como por la población debido a la eficiencia comodidad y lo poco contaminantes
que son estos vehículos (Nordström, 2010).
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 57
Tabla 10 Datos técnicos del motor Scania OC9 G04 270
Motor OC9 G04 270
Combustible Biogás, gas natural
Cilindrada 9,3 litros
Cilindros 5 en línea
Diámetro x carrera 130x140 mm
Relación de compresión 12.6:1
Potencia máxima a rpm 199 kW a 1900 rpm
Par máximo a rpm 1100 Nm a 1000 – 1400 rpm
Velocidad máxima (km/h) 152
Capacidad de aceite 31 litros
Para la realización del ciclo de trabajo de este motor se utilizó la misma metodología
anteriormente utilizada para el motor Jenbacher J420 solo se expondrán los índices
del ciclo de trabajo del motor.
Cálculo de la presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los
mecanismos auxiliares se determina según la ecuación 2.40:
𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝟓𝒗𝑷 (MPa)
La presión media efectiva del ciclo se halla según la ecuación 2.41:
𝑷𝒆 = 𝑷𝒊 − 𝑷𝒎 (MPa)
Cálculo del rendimiento mecánico. Se obtiene por la ecuación 2.42.
𝜼𝒎 =𝑷𝒆
𝑷𝒊
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 58
Cálculo del rendimiento indicado del ciclo según la ecuación 2.43.
𝜼𝒊 = 𝟑𝟕𝟏. 𝟏𝟓 ∗𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊
𝑯𝑼∗𝜼𝑽∗𝑷𝟎
Cálculo del consumo específico indicado según la ecuación 2.44
𝑽𝒊 = 𝟗𝟕𝟎𝟎𝜼𝑽∗𝑷𝒌
𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊 (m3/kWh)
Cálculo del consumo específico efectivo según la ecuación 2.45.
𝑽𝒆 =𝑽𝒊
𝜼𝒎 (m3/kWh)
Cálculo del rendimiento efectivo del ciclo por la ecuación 2.46
𝜼𝒆 = 𝜼𝒊 ∗ 𝜼𝒎
El consumo horario de combustible según la ecuación 2.47 Constituye.
𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 (m3/h)
2.2.2- Resultados de los parámetros principales del ciclo
Presión indicada que se gasta en vencer la fricción y accionar los mecanismos
auxiliares.
𝑷𝒎 = 𝟎. 𝟏𝟕 𝐌𝐏𝐚
La presión media efectiva del ciclo.
𝑷𝒆 = 𝟏. 𝟑𝟓 𝐌𝐏𝐚
El rendimiento mecánico.
𝜼𝒎 = 𝟎. 𝟖𝟖
El consumo específico indicado
𝑽𝒊 = 𝟎. 𝟑𝟏 m3/kWh
El consumo específico efectivo.
𝑽𝒆 = 𝟎. 𝟑𝟓 m3/kWh
El consumo horario de combustible
𝑽𝒆 ∗ 𝑵𝒆 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 = 𝟔𝟗. 𝟓 m3/h
CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás 59
Conclusiones parciales:
Según los resultados obtenidos mediante el cálculo del ciclo de trabajo y la
información dada por el fabricante de los motores Jenbacher J420 y Scania, se
puede concluir que:
Los resultados obtenidos por el cálculo del ciclo de trabajo cuentan con un %
e error menor de 5 comparándolos con los datos dados por el fabricante.
Es de vital importancia insistir en que exista una cogeneración en los motores
estacionarios para así aumentar la eficiencia energética.
Como el biometano puede ser usado en los motores que normalmente
funcionan con gas natural resulta necesario comprobar cuál sería su
comportamiento, tanto en los motores utilizados de forma estacionaria como
los usados en el transporte.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 60
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Durante muchos años los desechos húmedos (Excremento y sobras de alimentos)
se han vertido sin ningún tipo de aprovechamiento en la mayoría de las cochiqueras
existentes. Estos DH en la mayoría de los casos iban directamente desde el corral
hasta una laguna de oxidación. En los últimos años se ha venido insistiendo en la
implementación de biodigestores los cuales descomponen los DH generados por
los cerdos en Biogás mediante la descomposición anaeróbica de los mismos. En el
80% de las cochiqueras con biodigestores no se está aprovechando el biogás
generado, solo se utiliza en algunos lugares (donde tienen los medios) para la
cocción de alimentos, quemado todo el biogás sobrante a la atmosfera.
Una solución para esto sería colocar una planta de biogás similar a la de países
como EE.UU, México, Francia o Brasil donde se recolectara purín y biogás de
distintos lugares cercanos al municipio placetas con los cuales se cuenta con 33
000 cerdos con una media de peso de 50 kg.
3.1 Descripción y condición del lugar del proyecto
El municipio de Placetas ubicado en la provincia de Villa Clara es el más productor
de carne de cerdo en el país. Solo este municipio genera más carne de cerdo que
cualquier otra provincia del país, incluso de la propia Villa Clara si se le quitara el
municipio de Placetas. Este municipio cuenta con 33 000 cerdos residentes es decir
que siempre va a existir en el año ese mismo número puesto que los mayores
productores utilizan el método de Cría en Escalera es decir que si se entrega 200
cerdos ya cebados ya cuentan con 200 lechones en estado de ceba.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 61
Figura 11 Municipio placetas
El municipio cuenta con dos asentamientos urbanos Falcon y Báez los cuales se
encuentran a 12 y 17 km respectivamente en esta área que cubre a los
asentamientos rurales que se encuentran más cerca al poblado de placetas, se
cuenta con más de 33 000 cerdos pero este análisis se realiza con 25 000 cerdos
para ser más eficiente y reales los cálculos.
3.2 Generación de Biogás
La cantidad de biogás generado en un sitio de disposición final depende de la
cantidad y composición de los desechos porcinos (DP), de la infraestructura y el
equipamiento disponible (aislante, captación y transporte de lixiviados, sistema de
cobertura y tapada periódica), y del diseño del sistema de captura que afecta su
eficiencia.
Se realizó la estimación de la generación de biogás en base a la modelización del
sitio, considerando la cantidad y composición de DP dispuestos en los sitios Falcón
con sus pueblos aledaños así como Báez y su pueblos cercanos aparte de Placetas
que es el asentamiento con más cerdos, así como los factores de manejo del sitio,
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 62
y otros parámetros relacionados a las características climáticas como temperatura
y precipitación media anual.
Para saber el biogás generado se utilizó las herramientas del programa RETScreen
así como el análisis de consumos realizado para el “Proyecto Piloto Generación de
Electricidad utilizando Biogás como Combustible” por el Centro Nacional de
Planificación Eléctrica del ICE.
3.2.1 Volúmen de estiercol generado
Para determinar el volumen generado que se puede recolectar en el periodo de
tiempo en que los cerdos se encuentran en el corral se debe tomar en cuenta la
cantidad de cerdos y su peso.
Tabla 3. 1 Variables a considerar para determinar el volumen de estiércol
Variables Valor
Cantidad de Cerdos 25 000 unidades
Peso promedio de los Cerdos 50 kg
En el municipio de placetas se cuenta con más 33 000 cerdos, pero para este
análisis se escogieron 25 000 cerdos para ser más eficientes en las recogidas de
purín y desechos pues existen zonas muy alejadas de la cabecera municipal.
La cantidad de estiércol producida por un cerdo por día es el 7.00% (0.07) de su
peso (Rodríguez, 2004).
𝑬𝑷 = 𝑵𝑪 × 𝑷𝑽 × 𝑷𝑬 × (𝑻𝑪 ÷ 𝟐𝟒) Ecuación 3. 1
Donde:
NC es el número de cerdos
EP es la cantidad de estiércol producido por día.
PV es el peso promedio de los cerdos
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 63
PE es el porcentaje de peso del cerdo que se produce en estiércol.
TC es el tiempo que están en el corral
Este análisis de los cerdos refleja la cantidad de estiércol que se puede recoger en
el periodo de tiempo en que los cerdos se encontraban en el corral, la cantidad
estimada es de 87 500 kg/día
Los resultados alojados por el software expresan que con una cantidad de 25 000
cerdos con un promedio de peso de 50 kg se obtiene una producción de biogás
anual de 1 253 061 m3 con un contenido de metano de 68%. El contenido de metano
puede mejorarse llegando a tener hasta un 90% de metano con procesos de
purificación tales como los tratamientos fisicoquímicos tratados en el capítulo 1.
Característica de carga del motor Jenbacher tipo 4
Dado el desconocimiento de diversos coeficientes a los cuales se llega luego del
estudio del comportamiento de varios motores se decidió realizar los cálculos de la
característica de carga con coeficientes destinados a motores de encendido por
chispa de gasolina por lo cual con la utilización de estos coeficientes se introduce
un error a la hora de los cálculos por lo que se toman los resultados para tener una
idea del comportamiento de la variación de los principales índices del motor en
función de la carga siendo constante la frecuencia de rotación.
Tabla 3. 2 Cálculo del estiércol y la cantidad de biogás generado por medio del software RETScreen.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 64
Calculo del consumo indicado de combustible variando la presión indicada según la
ecuación 2.44.
𝑽𝒊 = 𝟗𝟕𝟎𝟎𝜼𝒗∗𝑷𝒌
𝑴𝒊∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊𝒙
𝑉𝑖 = 0.20 m3/kWh
Cálculo del consumo específico de combustible variando el consumo indicado por
la ecuación 2.45.
𝑽𝒆 =𝑽𝒊
𝜼𝒎
𝑉𝑒 = 0.22 m3/kWh
Cálculo del consumo horario de combustible variando el consumo especifico por la
ecuación 2.47.
𝑽𝒉 = 𝑽𝒆 ∗ (𝑵𝒆)
Vh = 310 m3/h
A continuación se muestra la gráfica 2 correspondiente a la característica de carga
del motor Jenbacher J420 para 1800 rpm. La característica de carga queda
determinada por tres parámetros que de una manera más completa definen los
regímenes de funcionamiento: los consumos horarios y específico de combustible
a plena carga.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 65
Curva de la característica de carga del motor Jenbacher
Gráfico 2 Característica de carga del Jenbacher J420
En el gráfico 2 se representan las características de carga del motor Jenbacher GS
J420 ( Jenbacher tipo 4), sacadas a diferentes frecuencias de rotación del cigüeñal
y regulación estándar del carburador.
3.3 Capacidad de la planta de Biogás
El diseño de una planta de biogás dependerá de la cantidad y del tipo de residuos
disponibles en el medio rural, de las condiciones de clima, necesidades de biogás
que se requiere, ubicación, materiales y técnicas de construcción de que se
disponga en cada sitio. Con el objeto de minimizar los costos de la planta, ésta
deberá ser adecuada a cada necesidad, construida hasta donde sea posible con
materiales y mano de obra locales.
Antes de proceder al diseño de una planta de biogás para el medio rural, es
necesario estimar el potencial de producción de biogás, para definir su factibilidad
considerando la forma de manejo del ganado y por lo tanto cual es la cantidad
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0
50
100
150
200
250
300
350
141 282 423 564 705 846 987 1128 1269 1410 1551 1692
Ve
m3
/kw
h
Vh
m3
/h
Factor de Carga
Característica de carga del Jenbacher J420
Vh Ve
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 66
mínima de residuos que permita producir el biogás requerido para cubrir las
necesidades planteadas.
Suponiendo que se tiene un potencial de biogás de 3295 m3/día, generado por la
combinación de estiércoles que dan un total de 87 500 kg/día, se debe calcular el
volumen de la mezcla de agua - estiércol(Varnero, 2011). Para el caso propuesto,
se tiene según la tabla 3:
Tabla 11 Volumen de la mezcla de agua - estiércol
Animal Kg estiércol +litros de agua Mezcla litros/día
Porcinos 87 500 + 262 500 350 000
Total mezcla 350 000 l/día
Considerando un tiempo de residencia de 35 días y que el volumen diario de la
mezcla es de 336 000 litros, se tiene:
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒊𝒂𝒓𝒊𝒐 ∗ 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 = 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒔𝒕𝒐𝒓 Ecuación 3. 2
350 000𝑙
𝑑í𝑎∗ 35 𝑑í𝑎𝑠 = 12250000 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 = 12 250 𝑚3
Por cuestiones de seguridad a la hora de realizar el diseño del digestor se debe
poner un volumen de reserva para así prevenir roturas en digestores y así evacuar
el biogás de ser necesario.
3.4 Localización y diseño del digestor.
Una decisión importante es la elección del lugar donde se construya una planta de
biogás. Para determinar estos sitios se deben tomar en cuenta ciertos factores:
Materia prima accesible y agua requerida suficiente para efectuar la carga
diaria en el caso de digestores semi-continuo.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 67
Cercanía del lugar de uso del biogás.
Facilidad para el empleo del bioabono o su almacenamiento en caso de ser
necesario.
Topografía del sitio, así como las características del suelo y los niveles de las
aguas subterráneas.
Como se mencionó anteriormente existen varios diseños de digestores. Un factor
decisivo en la elección del diseño, además de los mencionados en la elección del
lugar, es la temperatura promedio mensual atmosférica y el tipo de invierno.
La velocidad de biodegradación de los residuos así como la producción de biogás,
dependen en gran medida de las características de la materia prima, del tiempo de
retención, del porcentaje de sólidos totales y de la temperatura a la cual se lleva a
cabo el proceso.
En el caso específico del medio rural, la disponibilidad de residuos agropecuarios y
el rango promedio de temperatura atmosférica dentro de los límites aceptables para
la actividad de las metano bacterias, serán factores determinantes para definir áreas
con posibilidades de implementar la tecnología del biogás(Al-Hamamre et al., 2017).
3.5 Factibilidad en la generación de electricidad.
Una vez concluido el cálculo del ciclo de trabajo, se dispone de gran cantidad de
datos acerca de los parámetros fundamentales del motor a Biogás. Tomando como
criterio la potencia desarrollada por el motor, según el fabricante.
Comparando el resultado del cálculo mediante el software con los datos que brinda
el fabricante, se puede observar que prácticamente la diferencia es pequeña
(NeCÁLCULO = 1401 kW y NeFABRICANTE = 1410 kW) existiendo una pequeña diferencia
de 9 kW. (0.64 %).
En la tabla 3.3 se muestra la producción de biogas con 25 000 cerdos según el tipo
de digestor y las condiciones dadas por el software RETScreen
.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 68
Tabla 3. 4 Producción de Biogás
Producción anual Producción mensual Producción diaria
1 253 061 m3 104 422 m3 3433 m3
Esta generación de biogás puede cubrir ampliamente el consumo de combustible
del motor Jenbacher por lo que es posible la instalación de varios motores para la
generación de electricidad la cual una parte de la energía se consumirá en la planta
y la otra se exportará a la red eléctrica. También se podra cogenerar puesto que se
tendrá un amplio margen de gases de escape ya que el motor Jenbacher es uno de
los mejores para cogenerar existentes en el mercado.
Según los datos arrojados por el cáculo del siclo de trabajo el motor propuesto
consume en una hora 310 m3/h teniendo en cuenta que el poder calórico del biogás
es de 22 000 kJ/m3 se puede asumir que se puede operar con más de un motor. En
la tabla 3.4 muetra los valores de consumo de conbustible para distintos grupos de
motores.
Tabla 3. 5 Consumo de combustible para distintos grupos de Motores Jenbacher tipo 4
Cantidad de Motores Consumo de combustible
en 8 horas
Cantidad de horas
1 2408 m3 8
2 4960 m3 8
Se puede apreciar que con al menos 5000 m3 de biogas se puede obtener un pico
de potencia de alrededor de unos 2820 kW pero hay que tener en cuenta que la
cantidadad de biogás generado en un día o sea 24 horas es de 3433 m3 por lo cual
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 69
con dos motores trabajando a la par se gastaria mas biogás del que se puede
producir. Por esto se tiene que con la cantidad de biogas dada se puede trabajar
con un solo motor Jenbacher teniendo un sobrante de biogás diario de 1 025 m3
por lo que se generaria 1410 kW y sobraria biogas para otros usos lo cual seria muy
factible según los datos arrojados por el software RETScreen.
Luego de analizar los datos arrojados por el sofware (RETScreen) con un motor
Jenbacher tipo 4 J 420 se obtiene una capacidad de generación eléctrica de 1410
kW (1.41 MW). Dado esta capacidad de generación se puede exportar a la red
11759 MWh para un % de disponibilidad de 95% equivalente a 8,3 horas de trabajo.
3.5.1 Análisis de emisiones
En Cuba el sistema eléctrico nacional utiliza como combustible principalmente el
petróleo y sus derivados. Este combustible tiene como factor de emisión de gases
de efecto invernadero (GEI) 0.902 tCO2/MWh por lo que sustituyendo este
combustible por biogás para generar una misma cantidad de potencia eléctrica
obtendríamos unos ahorros de 9 880,4 tCO2 como muestra la siguiente tabla 3.5.
Tabla 3. 6 Análisis de emisiones de GEI
Combustibles generadores de GEI tCO2 anuales
Petróleo y sus derivados 10 607.8
Biogás 727.5
Reducción anual de emisiones GEI 9 880.4
Como resultado se tiene que con la utilización del biogás como combustible para la
generación de electricidad el País se estaría ahorrando más de 1.38 millones de
dólares aproximadamente teniendo en cuenta que el precio de un barril de petróleo
es actualmente de 50 a 60 dólares(Naqvi et al., 2018) y se estarían dejando de
consumir 22 978 barriles de petróleo.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 70
3.6 Factibilidad de la utilización del biogás en el transporte.
Ahora está muy de moda hablar de los coches que emplean gas (ya sea GLP o bien
el conocido como gas natural o metano) como combustible, pero no es nada nuevo.
Para los cubanos es algo más desconocido porque la tecnología se hace casi
imposible de seguir en un país bloqueado hace ya tantos años seña de esto es el
parque automotor cubano el cual es uno de los más longevos del mundo. Sin
embargo, en países como Holanda, Portugal, Italia o Francia, es casi tan frecuente
como el diésel.
Los países han promovido automóviles, camiones y autobuses impulsados por
biogás mediante una combinación de exenciones fiscales, subsidios a la inversión
e incentivos para la inyección de biogás en la red de gas natural. China, Francia, el
Reino Unido y los países escandinavos, en particular, han apoyado firmemente la
transición al biogás en el sector del transporte(Fidalgo, 2017).
El transporte representa aproximadamente el 30% del consumo mundial de energía,
por lo que el transporte renovable es crucial para un futuro energético sostenible.
La reducción de costes sigue siendo el desafío crítico. Sin embargo, aumentar las
sinergias con otras tecnologías de energía y transporte podría reducir aún más los
costos de producción de biogás.
La combustión del gas es mucho más limpia que la de la gasolina. Ya sé que
la gasolina también es un hidrocarburo y, según mis “ecuaciones de combustión”,
también se obtendría agua y CO2, pero lo que sucede es que la gasolina es una
molécula mucho más compleja y contiene gran cantidad de impurezas. Además del
hidrocarburo puro, lleva azufre, naftas, etc… que producen subproductos tras la
combustión. Algunos de esos residuos son gaseosos y otros, sólidos. Estos últimos
se van depositando en los asientos de válvula, cabeza de los pistones, conductos
de admisión y escape, se mezclan con el aceite… Provocan dos problemas:
aumentan la fricción al rozar y arañar las paredes del cilindro y, además, reducen
poco a poco el rendimiento, al ir obstruyendo los conductos de admisión y escape,
algo así como el colesterol en las venas.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 71
3.7 Característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270
Se denomina característica externa de velocidad a la variación en función de de la
frecuencia de rotación n, de la potencia efectiva Ne, del par motor efectivo Me, de
consumo de combustible horario Vh y especifico Ve(Jóvaj, 1982).
1.1. Determinado de la potencia efectiva.
𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥 = 199 𝑘𝑊 𝑎 1900 𝑟𝑝𝑚
𝑵𝒆𝒙 = 𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 ∗ (𝒄𝟏 ∗ (𝒏𝒙
𝒏𝒆) + 𝒄𝟐 ∗ (
𝒏𝒙
𝒏𝒆)
𝟐− 𝒄𝟑 (
𝒏𝒙
𝒏𝒆)
𝟑) Ecuación 3. 3
𝑁𝑒𝑥 = 199 ∗ (1 ∗ (190
1900) + 1 ∗ (
190
1900)
2
− 1 (190
1900)
3
)
𝑁𝑒𝑥 = 21.691 𝑘𝑊
1.2. Determinando el consumo específico.
Se calcula el consumo indicado de combustible según la ecuación 2.44.
𝑽𝒊 = 𝟗𝟕𝟎𝟎𝜼𝑽∗𝑷𝒌
𝑴𝟏∗𝑻𝟎∗𝑷𝒊
Cálculo del consumo de combustible específico a potencia máxima
𝑽𝒆𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 =𝑽𝒊
𝜼𝒎 Ecuación 3. 4
𝑽𝒆𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 = 𝟎. 𝟑𝟓 𝒎𝟑/𝒌𝑾𝒉
𝑽𝒆𝒙 = 𝑽𝒆𝑵𝒆𝒎𝒂𝒙 ∗ (𝒄𝟏 ∗ (𝒏𝒙
𝒏𝒆) + 𝒄𝟐 ∗ (
𝒏𝒙
𝒏𝒆)
𝟐
− 𝒄𝟑 ∗ (𝒏𝒙
𝒏𝒆)
𝟑
) Ecuación 3. 5
𝑉𝑒𝑥 = 0.035 𝑚3
𝑘𝑊 ∗ ℎ
1.3. Determinando el momento efectivo.
𝑴𝒆 = 𝟗𝟓𝟓𝟎 ∗𝑷𝒆
𝒏𝒆 Ecuación 3. 6
Me = 9550 ∗199
1900
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 72
Me = 1000.23 N ∗ m
Curva de la característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270
Gráfico 3 Característica exterior de velocidad del motor Scania
A medida que se incrementa la frecuencia de rotación y se cierra la mariposa de
gases (Gráfico 3), el consumo específico efectivo de combustible crece, como
resultado de la disminución del rendimiento mecánico.
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
190 380 570 760 950 1140 1330 1520 1710 1900 2090 2280
Ne
(kW
), M
e (N
*m)
rpm
Potencia efectiva y consumo específico
Nex Vex
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 73
Gráfico 4 Momento efectivo
En el grafico 3 y 4 se muestra la característica exterior de velocidad del motor OC9
G04 270 del fabricante Scania estos resultados son aproximados puesto que para
obtener los coeficientes necesarios para la construcción de las curvas (gráfico 3 y
4) en un motor de biogás se necesita de la comprobación de muchos motores en
bancos de pruebas para obtener dichos coeficientes. Estas curvas han sido
construidas teniendo en cuenta los coeficientes tomados para la realización de este
trabajo en motores a gasolina
3.8 Comprobación de los principales parámetros del Ómnibus Diana con
motor Scania OC9 G04 270
Características del automóvil
Tabla 3. 7 Dimensiones del Ómnibus Diana
Dimensiones exteriores
Largo (mm) 4140
Ancho (mm) 1620
Alto (mm) 1450
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
190 380 570 760 950 1140 1330 1520 1710 1900 2090 2280
N*m
rpm
Momento efectivo (Nm)
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 74
1.1 Cálculo del peso del vehículo
El peso del vehículo está ligado directamente a la potencia que consume el motor,
además de estar relacionados también la capacidad de carga y los pasajeros. Para
esto asumimos el cálculo del peso total del vehículo en las condiciones extremas de
carga.
La ecuación para el cálculo del peso del vehículo es:
𝑮 = 𝑮𝒂 + 𝑮𝟎 Ecuación 3. 7
𝑮𝟎 = 𝑮𝒓 + 𝒎(𝟏
+ 𝟐
) Ecuación 3. 8
𝑮 = 𝑮𝒂 + 𝑮𝒓 + 𝒎(𝟏
+ 𝟐
) Ecuación 3. 9
En donde:
𝑮𝒂 – Peso propio del vehículo 𝑮𝟎 – Carga útil 𝑮𝒓 – Capacidad de carga. 𝒎 – Cantidad de pasajeros (se incluye el chofer)
𝟏 – Peso por cada pasajero, se asume 75 kg
𝟐 – Peso del equipaje por cada pasajero, se asume 15 kg
Para saber cuan racional estamos utilizando el peso del vehículo despejamos
𝑮 =𝑮𝒂
𝑮𝒓 ó 𝑮′ =
𝑮𝒂
𝒎 Ecuación 3. 10
Donde 𝐺 es la relación entre el peso del vehículo entre las toneladas cargadas para
camiones y varía entre 600÷1200 kg/t. Para vehículos de pasajeros varía entre
200÷400 kg/pasajeros y se asume cono 𝐺′
1.2 Neumáticos y radio dinámico
Conocido ya los neumáticos que lleva nuestro vehículo procedemos a calcular el
radio dinámico.
Mediante la expresión:
𝒓𝒌 =𝑫
𝟐+ 𝑩(𝟏 − ) Ecuación 3. 11
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 75
En donde:
𝑫 – Diámetro de la llanta
𝑩 – Ancho entre la llanta y el borde exterior del neumático
– Coeficiente de deformación radial del neumático (0,13 para vehículos ligeros).
En caso de no conocer los neumáticos calculamos la fuerza que se ejerce sobre
cada uno de ellos y seleccionamos uno que pueda soportar dicha carga.
1.3 Potencia a velocidad máxima
La potencia a velocidad máxima se calcula mediante la expresión siguiente:
𝑵𝒗 = (𝑮 ∙ 𝒇 +𝑲∙𝑭∙𝑽𝟐
𝟏𝟑)
𝑽𝒎á𝒙
𝟐𝟕𝟎𝒎
Ecuación 3. 12
En donde:
𝑓 – Coeficiente de resistencia al camino
𝐾 – Coeficiente aerodinámico del vehículo
𝐹 – Área frontal del vehículo
𝑚
– Rendimiento de la transmisión de fuerza
𝑉𝑚á𝑥 – Velocidad máxima del vehículo
Esta ecuación está ajustada para un ángulo de inclinación de cero grados.
1.4 Potencia máxima desarrollada por el motor
𝑵𝒎á𝒙 =𝑵𝒗
𝒄𝟏(𝒏𝒗𝒏𝑵
)+𝒄𝟐(𝒏𝒗𝒏𝑵
)𝟐
−𝒄𝟑(𝒏𝒗𝒏𝑵
)𝟑 Ecuación 3. 13
En donde:
𝒏𝒗 – Velocidad máxima del motor (rpm)
𝒏𝑵 – Velocidad a potencia máxima (rpm)
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 76
Si desconocemos alguna de estas dos velocidades la podemos hallar por la
siguiente ecuación
(𝒏𝒗
𝒏𝑵) = 𝟏, 𝟏 ÷ 𝟏, 𝟐 Ecuación 3. 14
Valores de los coeficientes
Tipo de motor c1 c2 c3
Gasolina y Gas 1 1 1
Diesel de 2 tiempos 0.87 1.113 1
Diesel de 4 tiempos 0.53 1.56 1.09
Coeficiente de revoluciones
El coeficiente de revoluciones es la relación entre el número de revoluciones del motor con velocidad máxima y la velocidad máxima. La fórmula es:
𝒏 =𝒏𝒗
𝑽𝒎á𝒙 Ecuación 3. 15
Marchas del vehículo
En caso de desconocerlas podemos hallarlas por las ecuaciones:
Relación de transmisión principal
𝒊𝒐 = 𝟎, 𝟑𝟕𝟕𝒓𝒌∙𝒏𝒗
𝑽𝒎á𝒙= 𝟎, 𝟑𝟕𝟕 ∙ 𝒓𝒌 ∙ 𝒏 Ecuación 3. 16
Para las trasmisiones de primera hasta cuarta se calcula la marcha en primera:
𝒊𝑰 =𝑮∙𝒓𝒌∙𝒔𝒆𝒏 𝜶𝒎á𝒙
𝑴𝒎á𝒙∙𝒊𝒐∙𝒎
=𝑮𝝋∙𝒓𝒌∙𝝋
𝑴𝒎á𝒙∙𝒊𝒐∙𝒎
Ecuación 3. 17
En donde:
𝑀𝑚á𝑥 – Momento torsor máximo
𝜑 – Coeficiente de adherencia al camino
𝛼𝑚á𝑥 – Ángulo de inclinación máximo del camino
Y luego el resto de las velocidades se calculan como se especifica en la tabla siguiente
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 77
Tabla 3. 8 Cálculo de las marchas del automóvil.
Marcha Caja de Velocidades
De 3 escalones De 4 escalones De 5 escalones
1ra 𝑖𝐼 𝑖𝐼 𝑖𝐼
2da
3ra 1
4ta - 1
5ta - - 1
Momento torzor máximo
El momento torsor máximo en caso de no tenerse se puede calcular por la siguiente relación:
𝒆𝑴 =𝑴𝒎á𝒙
𝑴𝑵 Ecuación 3. 18
Donde 𝑒𝑀 es el índice de elasticidad del torque y toma valores para:
Motores de gasolina: 1,1÷1,3
Motores diesel: 1,05÷1,15
𝑴𝑵 = 𝟕𝟏𝟔, 𝟐𝑵𝒎á𝒙
𝒏𝑵 Ecuación 3. 19
Velocidades lineales de traslación del vehículo
Las velocidades para cada marcha se calculan por la siguiente expresión:
𝑽𝒎á𝒙 = 𝟎, 𝟑𝟕𝟕𝒓𝒌∙𝒏𝒗
𝒊𝒐∙𝒊𝑲 Ecuación 3. 20
Donde 𝑖𝐾 son los valores de trasmisión para cada marcha. Balance de potencia del vehículo
𝑵 ∙ 𝒎 = 𝑵𝒇 + 𝑵𝑾 Ecuación 3. 21
2. Características dinámicas
Las características dinámicas se calculan por las siguientes ecuaciones:
𝑫 =𝑷𝒌−𝑷𝑾
𝑮 Ecuación 3. 22
Ii3 2
Ii4 3
Ii
3Ii
4 2
Ii
4Ii
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 78
𝑷𝒌 =𝑴∙𝒊𝒐∙𝒊𝒌𝒏∙𝒎
𝒓𝒌 Ecuación 3. 23
𝑷𝒘 =𝑲∙𝑭∙𝑽𝟐
𝟏𝟑 Ecuación 3. 24
Consumo del automóvil por cada 100 Km. Variando la velocidad para cada marcha
y la potencia.
Kml
V
Ng
V
GQ eT
S 100...........
10
102
Ecuación 3. 25
Resultados: Curvas características
Gráfico 5 Consumo del automovil por cada 100 km
Se puede concluir que el consumo del combustible por el vehículo por 100 km de
recorrido aumenta con el aumento del consumo específico de combustible por el
motor, con el crecimiento de la magnitud de la potencia utilizada y disminuye con el
aumento de la velocidad.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 79
Gráfico 6 Fuerza de Tracción del vehículo. Resistencia al movimiento
Gráfico 7 Balance de Potencia del vehículo original
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
-5.00 15.00 35.00 55.00 75.00 95.00 115.00
Pk
(kg)
Velocidad (km/h)
Fuerza de Tracción del vehículo. Resistencia al movimiento
Pk (1ra-Original)
Pk (2da-Original)
Pk (3ra-Original)
Pk (4ta-Original)
Pf+Pw
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
-5.00 15.00 35.00 55.00 75.00 95.00 115.00
Po
ten
cia
(CV
)
Velocidad (km/h)
Balance de Potencia del vehículo original
N1
N2
N3
N4
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 80
Conclusiones
Luego de realizar el estudio acerca del biogás se puede concluir que.
1 Se realizó un estudio bibliográfico aserca de la utilización del Biogás como un
combustible alternativo. Donde se definió lo que es biomasa asi como sus
principales propiedades y características. Con la realización del trabajo se
identificó los principales procesos de obtención de biogás.
2 La produccion de biogas diaria es de 3433 m3 obteniendose como resultado
una energía disponible de 20 MW.
3 Se determinó que el volumen total de la planta es de 12 250 m3 teniendo en
cuenta la mescla sólidos mas agua. Sabiendo q la planta puede contar con
varios biodigestores para la digestión anaerobia
4 Se obtuvo la cararcterística de carga al motor estacionario, pudiendose
verificar lo regímenes de trabajo más eficientes y económicos, lo cual resulta
útil para la selección de los motores y explotación de los motores en la
generación de potencia eléctrica.
5 A partir de la aplicación del procedimiento mostrado en la tesis se determinó,
para el caso del motor Jenbacher GS J420, se puede generar una potencia
eléctrica de 1410 kW y una potencia térmica de 751 kW con una posible
producción de vapor de1.037 kg/h.
6 Se obtuvo la cararcterística exterior de velocidad al motor Scania, pudiendose
verificar lo regímenes de trabajo más eficientes y económicos, lo cual resulta
útil para la selección de los motores y explotación de los motores en el sector
del transporte.
7 Al generar unos 1 410 kW de energía electrica a base de biogás el país se
ahorra unos 1.3 millones de dólares anuales y deja de consumir 22978 barriles
de petróleo anuales.
CAPÍTULO 3. Resultados y discusión 81
Recomendaciones
Con la realización de este proyecto se puede sugerir que:
1 Se deben realizar estudios que verifiquen los resultados teóricos obtenidos
mediante el modelo de funcionamiento del ciclo de trabajo, mediante un banco
de prueba.
2 Valorar de manera práctica el potencial térmico que podria obtenerse en caso
de montar sistemas de cogeneración.
3 Realizar un estudio de factivilidad financiera para diferentes cantidades de
cerdo para verificar la rentabilidad del uso de biogás con combustible
alternativos.
4 Realizar las curvas características de los motores ya sea característica exterior
de velocidad y característica de carga con los coeficientes reales para un
motor a Biogás
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 82
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXOS 84
ANEXOS
Anexo I Calor específico molar medio (µCV) a volumen constante para
diferentes gases (kJ/kmol ºC).
ANEXOS 85
Anexo II Energía interna (U) de diferentes gases (MJ/kmol)