Análisis de biodigestores


 

Bárbaro
Lugones López
Ingeniero mecánico.
Especialista de CUBAENERGÍA.
Miembro de CUBASOLAR.
Tel.: (537) 2059948
E-mail: barbaro@cien.energia.inf.cu

 

Desde que el hombre aprendió a emplear el fuego, la cocción de alimentos ha llegado a ser una de las actividades fundamentales para su subsistencia. Para esto se han utilizado diferentes combustibles, entre ellos la biomasa vegetal.

Se conoce que casi tres mil millones de personas en el mundo emplean todavía la leña como fuente de energía para calentar agua y cocinar, lo que provoca, junto a otros efectos, que anualmente se pierdan en el mundo entre 16 y 20 millones de hectáreas de bosques tropicales y zonas arboladas. En respuesta a esta situación surgen varias alternativas para llevar a cabo la cocción de alimentos, que tienen bajo impacto ambiental y su fuente de energía es considerada renovable, una de ellas resulta la producción de biogás a partir de la fermentación de la materia orgánica.

Según la literatura, fue en la India donde se construyó la primera instalación para producir biogás, en fecha cercana al año 1900; a partir de ese momento se ha incrementado el número de biodigestores, y actualmente funcionan en ese país alrededor de doscientas mil unidades. China es hoy la región que tiene un mayor número de este tipo de instalaciones, aproximadamente 6,7 millones.

Producción de biogás
El biogás se obtiene al descomponerse la materia orgánica debido a la acción de cuatro tipos de bacterias, en ausencia de oxígeno: las hidrolíticas, que producen ácido acético, compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados; las acetogénicas, productoras de hidrógeno; las homoacetogénicas, que pueden convertir una cantidad considerable de compuestos multicarbonados o monocarbonados en ácido acético; y las metanogénicas, productoras del gas metano, principal componente del biogás, con una proporción de 40 a 70 % de metano (CH4), de 30 a 60 % de dióxido de carbono (CO2), de 0 a 1 % de hidrógeno (H2) y de 0 a 3 % de gas sulfhídrico (H2S).

 


Fig. 1. Ejemplos de digestores hindúes.

Con el objetivo de disminuir el tamaño de los digestores se han utilizado los productos orgánicos que brindan mayor cantidad de biogás por unidad de volumen; algunos de ellos son: la excreta animal, la cachaza de la caña de azúcar, los residuales de mataderos, destilerías y fábricas de levadura, la pulpa y la cáscara del café, así como la materia seca vegetal.

Ventajas
1. Permite disminuir la tala de los bosques al no ser necesario el uso de la leña para cocinar.
2. Humaniza el trabajo de los campesinos, que antes debían buscar la leña en lugares cada vez más lejanos.
3. Diversidad de usos (alumbrado, cocción de alimentos, producción de energía eléctrica, transporte automotor y otros).
4. Produce biofertilizante rico en nitrógeno, fósforo y potasio, capaz de competir con los fertilizantes químicos, que son más caros y dañan el medio ambiente.
5. Elimina los desechos orgánicos, por ejemplo, la excreta animal, contaminante del medio ambiente y fuente de enfermedades para el hombre y los animales.

Desventajas
1. Necesita acumular los desechos orgánicos cerca del biodigestor.
2. Riesgo de explosión, en caso de no cumplirse las normas de seguridad para gases combustibles.

Instalaciones para la producción de biogás
Existen dos clasificaciones generales para las plantas de producción de biogás en cuanto a su capacidad: las instalaciones industriales y las de pequeña capacidad o minidigestores. Se pondrá énfasis en las instalaciones de baja capacidad, ya que ayudan a solucionar el problema de la cocción de alimentos en los núcleos pequeños sin afectar el medio ambiente.

Los minidigestores pueden operar de diferentes maneras: por lote, semicontinuo y continuo. Para realizar el análisis de las distintas instalaciones se tomarán ejemplos de digestores de pequeña capacidad, que operan de manera continua y semicontinua, por ser una de las formas más eficientes de producir biogás.

Actualmente se conocen dos diseños tradicionales de biodigestores de pequeña capacidad (hasta 50 m3) de producción de biogás, en dependencia de su origen: «hindú» y «chino».

El biodigestor hindú (Fig. 1) se distingue por el uso de una campana móvil, que asciende al aumentar la presión del gas dentro de ella; esta puede ser de metal, hormigón o plástico. Además, el digestor está compuesto por un tanque de almacenamiento en forma cilíndrica, que puede ser construido de piedra, ladrillo y hormigón. Para permitir la entrada de la materia orgánica y la salida del biofertilizante se emplean dos tubos (de plástico, fibrocemento, cerámica u otros) que conectan el tanque de almacenamiento con el de carga y des
carga; también cuenta con tuberías, válvulas de corte y seguridad que garantizan el buen funcionamiento del biodigestor.

El diseño del tipo chino (Fig. 2) utiliza para el almacenamiento del biogás una cúpula fija unida al tanque de almacenamiento, que puede ser de ladrillo o de elementos prefabricados de hormigón. Estas instalaciones tienen como ventaja su elevada vida útil (pueden llegar como promedio a 20 años), siempre que se realice un mantenimiento sistemático. Estos sistemas poseen como desventaja el alto costo de la inversión inicial; por ejemplo, una instalación de 5 m3, que permite la elaboración de alimentos para familias de cuatro personas, tiene una inversión inicial de $700 a $900 USD, lo que ha impedido su generalización en América Latina.



Fig. 2. Esquema del digestor chino:
1. tubería de salida del gas; 2. Sello removible;
3. Tapa móvil; 4. Entrada; 5. Tanque de desplazamiento;
6. Tubería de salida; 7. Almacenamiento de gas; 8. Materia orgánica.

En la actualidad se han probado nuevos diseños que han logrado disminuir considerablemente los costos iniciales de los biodigestores. Una de estas instalaciones son las plantas de biogás hechas de polietileno (Fig. 3). Este sistema puede tener distintas configuraciones: alargado, en forma de gusano o en forma de saco, y es de fácil instalación. Los componentes fundamentales de este biodigestor son: un bolso de polietileno de película delgada capaz de soportar las presiones normales de trabajo del biogás y donde se almacena la excreta mezclada con agua; siempre se debe dejar el volumen necesario para almacenar el biogás; con el fin de lograr el buen funcionamiento de la instalación son necesarios otros accesorios como: válvulas de corte, de seguridad, tuberías y adaptadores.



Fig. 3. Esquema del digestor de polietileno tipo saco y ejemplo
del digestor de polietileno tipo gusano.1. Válvula de salida; 2.
Almacenamiento de biogás; 3. Nivel del agua con materia orgánica.

Este tipo de instalación es muy económica, el costo de un biodigestor es de $50 USD/por cada cuatro personas. Entre sus desventajas se halla su bajo tiempo de vida útil, lo que hace necesario montar una nueva instalación cada tres años. También es muy vulnerable a sufrir roturas por condiciones climáticas adversas, por las acciones del hombre y los animales.

Otro tipo de planta de producción de biogás que ha logrado disminuir los costos hasta
30 % con respecto a los prototipos tradicionales (Fig. 4), es la que se caracteriza por tener una estructura semiesférica de polietileno de película delgada en sustitución de la campana móvil y la cúpula fija, y un tanque de almacenamiento de piedra y ladrillo como los empleados en los prototipos tradicionales. Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica que los sistemas tradicionales; por ejemplo, una instalación de 4 m3 puede costar, aproximadamente, $550 USD, y la estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez años de vida útil.


Fig. 4. Ejemplo de digestor con tanque de almacenamiento
tradicional y cúpula de polietileno.

Las instalaciones industriales de producción de biogás (Fig. 5) emplean tanques de metal que sirven para almacenar la materia orgánica y el biogás por separado.

Este tipo de planta, debido al gran volumen de materia orgánica que necesita para garantizar la producción de biogás y la cantidad de biofertilizante que se obtiene, se diseña con grandes estanques de recolección y almacenamiento construidos de ladrillo u hormigón.

Con el objetivo de lograr su mejor funcionamiento se usan sistemas de bombeo para mover el material orgánico de los estanques de recolección hacia los biodigestores, y el biofertilizante de los digestores hacia los tanques de almacenamiento. También se utilizan sistemas de compresión en los tanques de almacenamiento de biogás con vistas a lograr que éste llegue hasta el último consumidor.

Para evitar los malos olores se usan filtros que separan el gas sulfhídrico del biogás, además de utilizarse válvulas de corte y seguridad y tuberías para unir todo el sistema y hacerlo funcionar según las normas para este tipo de instalación.

La tendencia mundial en el desarrollo de los biodigestores es lograr disminuir los costos y aumentar la vida útil de estas instalaciones, con el objetivo de llegar a la mayor cantidad de usuarios de esta tecnología.

Situación de los biodigestores en Cuba
La Oficina Nacional de Estadística reporta que hay 70 minidigestores instalados en Cuba hasta el 2001, con un crecimiento de 16 % con respecto al 2000; Pinar de Río, con 17, es la provincia donde hay más instalados.

El país tiene un potencial en este renglón de 152 mil toneladas de combustible convencional por año, el cual proviene de unos 78 millones de metros cúbicos al año de vertimientos de desperdicios orgánicos. Estos datos evidencian que el trabajo realizado para desarrollar la producción de biogás ha sido sólo incipiente y que se deben tomar medidas encaminadas a lograr instalaciones en los lugares donde se necesite, además de hacerlo de forma eficiente, participativa y sustentable.

 






Fig. 5. Ejemplos de digestores industriales.