Remoción de barreras con biogás




Por José Antonio Guardado Chacón*


La tecnología del biogás
se afianza como alternativa competitiva y sostenible
en la energización rural.

 

Actualmente una parte significativa de las necesidades energéticas del planeta son satisfechas con la utilización de combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón): extinguibles, fuertemente contaminantes y utilizados en forma ineficiente, por el interés predominante de la producción de energía sobre el de su efecto ecológico. Por su parte, el uso de las fuentes renovables de energía no es un hecho novedoso; sin embargo, la aparición de los combustibles fósiles las relegó durante muchos años al olvido. Hoy, el panorama ha cambiado, por una parte debido a los problemas medioambientales, y por otra, a la convulsa situación del mundo del petróleo (portador energético fundamental en la actualidad), que ha enfrentado varias crisis en menos de cincuenta años, y que han puesto sobre el tapete a las olvidadas fuentes renovables.

En los últimos años, estas fuentes energéticas han ido adquiriendo una importancia cada vez mayor, fundamentalmente por razones energéticas y ambientales. Las fuentes tradicionales de energía no parecen ser la solución definitiva, sobre todo para las zonas rurales que son las más desfavorecidas y, por ende, donde el problema se agrava aún más, ya que la carencia de suministro de energía obliga a los campesinos a satisfacer tal necesidad haciendo uso de árboles, con sus correspondientes impactos negativos sobre el medio. Este problema plantea la necesidad de encontrar tecnologías apropiadas, utilizando recursos locales disponibles, como los residuos orgánicos (basura, residuales líquidos, estiércoles, plantas, etc.), los cuales pueden ser usados como materia prima para producir energía y biofertilizantes con el empleo de la tecnología del biogás. De esta manera, la energización rural con biogás es una alternativa viable, en las proyecciones y políticas para el desarrollo sostenible.

Generalidades y desarrollo
En el siglo que comienza, al gradual interés por el biogás como portador energético se suma el de las campañas por la defensa del medio ambiente y el recurso agua, elementos que bajo el nuevo enfoque energético vinculado al desarrollo sostenible hacen del biogás un portador energético aún más atractivo. Algunos datos y aspectos que pudieran reflejar su comportamiento en el mundo, las tendencias y perspectivas de las tecnologías del biogás, se describen a continuación:

China y la India reportan millones de plantas de biogás en explotación. En Nepal producen biogás decenas de miles de usuarios. Vietnam, Tailandia, Tanzania, Bangla Desh, Burundi y Brasil cuentan con miles de plantas en explotación.

Cuba, con más de 500 plantas construidas en los últimos diez años, junto con Colombia, Kenia, México y Guyana, se encuentra en el grupo de países que cuentan con cientos de plantas de biogás.

Otro grupo de países (Marruecos, Ghana, Zimbabwe, Nicaragua, Jamaica y Bolivia) es más modesto en el número de plantas existentes y solo reportan algunas decenas.
No es de dudar que en muchos otros países y debido a acciones de personas o instituciones, hayan aplicado la tecnología sin que se registre en las estadísticas mundiales.

En los países del Tercer Mundo, la justificación actual para la producción de biogás a partir del tratamiento de residuos biodegradables es principalmente medioambiental, por lo que se considera un subproducto del proceso de tratamiento.

El posible aprovechamiento energético del biogás (tanto térmico, como eléctrico) tiene su punto de partida en cuatro tipos de de residuos biodegradables: de animales, lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales, efluentes industriales y la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos.

La aplicación de procesos de digestión anaerobia en residuos de origen animal solo es posible tecnológicamente a partir de una elevada concentración de cabezas en explotaciones intensivas. El nivel de aprovechamiento actual de estos residuos para generar electricidad puede considerarse como bajo.

El biogás producido a partir de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos tiene una aplicación energética creciente en vectores controlados, siendo necesario potenciar la digestión anaerobia en biorreactores que incluyan la codigestión con lodos de depuradoras.

Un apreciable grado de aplicación se aprecia ya en el biogás producido a partir de los residuos de instalaciones industriales y de los lodos de depuradoras de aguas residuales urbanas.

La importancia que para la Unión Europea tenía un crecimiento sustancial de las fuentes de energía renovables llevó, en el marco de la política energética comunitaria, a la elaboración en 1977 del Libro blanco para una estrategia común y plan de acción para las fuentes renovables de energía.

Ese documento planteaba un ambicioso objetivo general, consistente en la aportación de las fuentes renovables de energía de 12% de la energía primaria demandada por el conjunto de la Unión Europea, para el 2010.

En lo que respecta al uso energético del biogás, el objetivo establecido para el 2010 fue incrementar su participación en el consumo energético de la Unión en 15 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep). Téngase en cuenta que la tonelada equivalente de petróleo (tep) es una unidad de energía, cuyo valor equivale a la energía que hay en una tonelada de petróleo y, como puede variar según la composición de éste, se ha tomado un valor convencional de 41 868 000 000 J = 11 630 kWh.

Como puede observarse en la figura 1, a fines del 2003 la producción de biogás en la Unión Europea, medida en términos de la energía primaria, alcanzó los 3 219 ktep, con un crecimiento de 7,3% sobre los datos del 2002. La evolución de este consumo, no obstante, es muy heterogénea dependiendo del país de que se trate, y en cualquier caso marca una tendencia que se aleja de la posibilidad de cumplir con los objetivos energéticos establecidos en el Libro blanco.


Fig. 1. Consumo de biogás en la Unión Europea,
al cierre de 2003 (EurObesrv’ ER).

Tomando como punto de partida el objetivo energético recogido en el Libro blanco de la Unión Europea, y a partir del compromiso asumido en la Ley 54/1997, del 27 de noviembre de 1997, del sector eléctrico, se elaboró el plan de fomento de las fuentes renovables de energía, que fue aprobado por el Consejo de Ministros, el 30 de diciembre de 1999, en el que se definió el objetivo de desarrollo de cada área de las fuentes renovables de energía para cubrir, entre todas, al menos 12% del consumo nacional en términos de energía primaria en el 2010.

En Suecia se reporta la mayor planta de biogás del mundo, con una capacidad de 1 600 m3/h; además, 70% del transporte público funciona con biogás y se plantea que el uso del biogás resulta económico en relación con los combustibles fósiles.

En Alemania se brindan facilidades de créditos a los campesinos que desean aplicar la tecnología del biogás destinado a generar electricidad para incorporarla al sistema eléctrico nacional.

En estos países existe una política para aplicar la tecnología del biogás y subvencionan las iniciativas populares o institucionales, mediante la solución de los obstáculos económicos y el estímulo a la producción de energía por esta vía. La legislación no solo establece el uso de la tecnología, sino que también prevé los mecanismos económicos para salvar las dificultades que puedan impedir su aplicación y desarrollo. El Estado paga a un precio superior la energía generada por vías ecológicas. La figura 2 ilustra el desarrollo de esta fuente energética en Alemania.


Fig. 2. Desarrollo del número de instalaciones
de biogás y la potencia total en Alemania.

En España, al igual que en Alemania, en el área del biogás —como fuente renovable de energía—, ha sido notable la atención y el desarrollo experimentado en los últimos años. El consumo de biogás en este país ascendió a 266,7 ktep, a finales del 2004. Este dato culmina una evolución que ha llevado al sector a triplicar su aportación al balance energético nacional desde 1998, y que le ha permitido superar en fecha tan temprana como finales de 2003 los objetivos establecidos para el plan de fomento de las fuentes renovables de energía del 2010. La evolución de su desarrollo y perspectiva en términos de energía primaria y potencia instalada se ilustra en las figuras 3 y 4.


Fig. 3. Evolución y perspectivas del consumo de biogás
en término de energía primaria en España.


Fig. 4. Perspectivas del consumo de biogás
en término de potencia instalada en España.

Cuba fue uno de los primeros países de América Latina donde se introdujo la tecnología del biogás. Ya en 1940 se construyó un sistema de dos digestores de 471 m3 cada uno, para obtener biogás a partir de residuales industriales en la cervecería de El Cotorro, en La Habana. Esto confirma que la tecnología del biogás ha sido aplicada e investigada en Cuba desde la primera mitad del siglo xx. La historia del biogás continúa en Cuba con diversos intentos, aunque con más fallos que éxitos, hasta que a principio de los años noventas se retomó el tema del biogás, involucrando un número mayor de territorios, a partir de un programa de difusión de esta tecnología, además de la calificación de técnicos y usuarios. Este programa incluyó la transferencia de conocimientos y tecnologías y permitió desarrollar nuevas capacidades para la construcción de plantas sencillas que hoy, como ya se señaló, rebasa la cifra de 500 unidades.

A partir de entonces, con nuestra propia experiencia y de manera sistemática, se han venido efectuando anualmente talleres de biogás, que han contribuido a la generalización de conocimientos en todas las provincias. Ello ha permitido dar los primeros pasos en la integración de las diferentes instituciones que se ocupan del tema, además de lograr en el marco del X Taller, realizado en marzo de 2006, una representación de las principales instituciones involucradas.

A principios del 2007 se creó, por la Administración Central del Estado, el Grupo Nacional de Biogás (GNB), como parte del Grupo Permanente de Atención a la Energía Renovable, la Cogeneración, el Ahorro y la Eficiencia Energética. El GNB tiene la responsabilidad de coordinar, gestionar e impulsar la producción de biogás mediante el tratamiento de residuales que puedan ser materia prima para estos fines. Además, debe propiciar la búsqueda de información y el acceso a la misma por parte de especialistas y técnicos vinculados al biogás en sus respectivos campos.

Tendencias y perspectivas
En el campo del tratamiento de los residuales orgánicos y los problemas medioambientales, existe la tendencia mundial al reuso y aprovechamiento del efluente o subproductos que se obtienen como resultado de la degradación de la materia orgánica.

De igual forma, y en consecuencia con lo que se ha señalado, existe también tendencia al uso y generalización de la tecnología del biogás como fuente energética, cuestión que está en correspondencia con la política que se lleva a cabo en muchos países.

En China, por ejemplo, se producen tres mil millones de metros cúbicos de biogás anualmente, con una generación de alrededor de 870 kW de electricidad, hasta el 2001. Cantidades similares se producen en la India y en menor cuantía en Nepal, donde el Gobierno impulsa aceleradamente el desarrollo de esta tecnología. En Vietnam, durante los años 2003-2007, se construyeron 27 000 plantas y se acomete la ejecución de 140 000 nuevas, en el período 2007-2010, lo que evidencia la prioridad y perspectivas del biogás en ese país. De esta manera, el tradicional uso del biogás en el continente asiático experimenta un desarrollo acelerado, tendiente a sus diversos usos y en particular a la generación de electricidad.

En Europa las aplicaciones energéticas del uso del biogás, que pueden ser eléctricas o térmicas, han encontrado en la cogeneración un particular interés, cuando se producen los dos tipos conjuntamente. En España, por ejemplo, las líneas de innovación tecnológica para el aprovechamiento energético del biogás contemplan entre sus acciones las siguientes:

• Mejora de eficiencia en los procesos de producción de biogás.
• Desarrollo de sistemas de codigestión de los residuos biodegradables.
• Optimización y mejora de los procesos de depuración y purificación del biogás.
• Desarrollo de sistemas para inyección del biogás en la red de gas natural.
• Avances tecnológicos, a partir de pequeñas cantidades de residuos, para el aprovechamiento energético del biogás producido por digestión anaeróbica.
• Mejoras técnicas en el ámbito del rendimiento de los motores.

En Cuba, a partir de la atención priorizada por el Estado a las fuentes renovables de energía, el biogás ha adquirido un ritmo acelerado y sostenible, acompañado de un programa de capacitación que incluye el intercambio con los países de mayor desarrollo y la colaboración con aquellos, que como Chile, desarrollan acciones para impulsar el uso del biogás, cuyas tendencias y perspectivas, en el orden práctico, se pueden inferir a partir de un ejemplo local, en una familia del sector rural de ese país, en el marco de un taller demostrativo como consecuencia de los referidos intercambios de colaboración.

Estudio de caso
La selección del lugar para este ejemplo (Fig. 5), cumple con el estándar de un sector rural de la Municipalidad de Empedrado, en la VII Región de Chile, que, además, no está electrificada. Su elección previa tuvo como premisa el cumplimiento de los requisitos mínimos, tanto en el orden técnico (contar con una cantidad suficiente de biomasa y agua), así como aquellos de carácter humano (el interés y disposición de los usuarios que sirvieron de escenario para el taller demostrativo).


Fig. 5. Casa de la familia Campos.

Los conceptos, criterios y recomendaciones fundamentales para el diseño y construcción de la planta de biogás fue un tanto atípica, pues su concepción se predeterminó sin el conocimiento pleno de las particularidades del usuario y lugar, como establece la técnica o concepto GBV que se aplicó, a partir de las experiencias cubanas, por lo que al inicio del taller se rediseñó y adecuó la planta de biogás tomando en consideración las características del lugar y posibilidades del usuario, así como las inversiones que se habían efectuado.

De esta manera se tomó como parte didáctica del taller demostrativo la planta de biogás de la casa de Juan Campos, cuyos antecedentes se describen a continuación.
Esta familia, formada por Juan, su esposa, tres hijos y un nieto, se dedica al trabajo forestal en sus propias tierras, donde cultivan, además, pequeñas parcelas y crían algunos animales para el sustento familiar. La esposa e hijas se encargan de preparar los alimentos diariamente, y realizan otras tareas domésticas y del campo. En la encuesta efectuada a la familia conforme a la metodología GBV, se conoció la mejora que había experimentado la familia en los últimos dos años con la adquisición de una cocina eficiente de leña (Fig. 6), que además de humanizarles el trabajo, les ahorró los gastos en la compra de gas licuado (de 1 balón de 15 kg que tenían que comprar mensualmente, ahora compran uno semestralmente, lo que significa un ahorro a priori de unos 72 500 pesos chilenos (300 USD al año, aproximadamente). Sin contar que la búsqueda de los balones al pueblo más cercano, a 15 km, significa un gasto adicional.


Fig. 6. Cocina eficiente instalada en la casa de la familia Campos.

En los últimos meses esta familia también fue favorecida por un proyecto consistente en la instalación de un panel solar para el alumbrado y la televisión. Todas estas acciones tienen hoy una repercusión directa en el bienestar del núcleo familiar, que ha experimentado las bondades de la eficiencia energética y del uso de las fuentes renovables de energías, en una zona rural sin electrificar, de difícil acceso y con un clima muy cambiante.

La familia aceptó enfrentar este nuevo proyecto que se desarrollaría en el marco de un taller práctico-demostrativo, entre otras cosas, por la necesidad de resolver la conservación de los alimentos, mejorar los rendimientos en las cosechas y en su autosustento, así como mejorar sus condiciones higiénico-sanitarias, toda vez que los animales defecaban en áreas abiertas y la familia hacía sus necesidades fisiológicas en letrina.

Como se conoce, para el dimensionamiento de una planta de biogás es necesario definir con la mayor precisión posible los elementos siguientes:

1. ¿Qué necesidad o necesidades se requieren resolver?
2. ¿Qué material orgánico, y en qué cantidad, hay disponible para generar biogás?
Como regla general, cuando existe interés por parte del usuario y el análisis particular de estas dos interrogantes guardan una proporción, producción de biogás = demanda, se infiere que están creadas las condiciones para dimensionar el digestor para el volumen del licor (mezcla de estiércol y agua) obtenido por día, multiplicado por el tiempo de retención recomendado (tr), que es el tiempo necesario para que las bacterias (organismos microscópicos que se alimentan de la materia orgánica) produzcan metano (CH4), gas carbónico (CO2) y otros componentes que constituyen el biogás al final de un proceso de hidrólisis, acidificación y metanogénesis.

Los animales disponibles y las excretas que generan se determinaron conforme se indica en la tabla 1, según su régimen de estabulación.

Tabla 1. Cálculo del aporte orgánico de la población animal

Leyenda:
PVp: Peso vivo promedio de la población animal de diseño.
PVe: Peso vivo equivalente referido a la especie animal.
Te: Horas del día en que el animal permanece estabulado.


Una vez determinada la cantidad de excreta y con ayuda de los materiales del curso-taller, así como de la experiencia adquirida en el diseño, construcción, explotación y mantenimiento de plantas de biogás, se hicieron todos los cálculos y análisis que condujeron a la realización de la obra (Fig. 7).


Fig. 7. Planta de biogás construida para la casa de la familia Campos.

La planta de biogás es un nuevo elemento en la finca. Hay que conocerlo, aprender a convivir con él, saber cuánto consume cada día, qué le gusta y produce, qué no se le debe dar porque le hace daño.

El sistema fotovoltaico instalado en la casa de la familia Campos les proporciona electricidad y la planta de biogás les permite utilizar un refrigerador (entre otras bondades), para preservar sus alimentos, y por lo tanto a las dos tecnologías hay que tratarlas con la misma atención.

Para dejar margen a posibles necesidades futuras, como la cocción de alimentos, la producción de abono mediante compost, la lombricultura, etc., debido al crecimiento de la población animal, o de la propia familia, se concibió un minidigestor de campana flotante acoplado al tanque de compensación, que además de tener un objetivo didáctico para el taller, aprovecha la excreta que se mezcla con forraje.

En las conclusiones del seminario-taller, los participantes (incluidos los miembros de la familia Campos) llegaron a las conclusiones siguientes:

1. En medio de la crisis económica, energética y medioambiental que enfrenta el mundo de hoy, la tecnología del biogás adquiere un desarrollo acelerado, pertenece al futuro y es considerada como una tecnología de avanzada.
2. La implantación de la tecnología del biogás en las familias rurales facilita el logro de la independencia energética en las actividades fundamentales (iluminación, cocción de alimento y refrigeración).
3. Algunos de los resultados que se infieren en la remoción de barreras, así como las tendencias y perspectivas en este estudio de caso, se aportan en la tabla 2.

Tabla 2

Estos indicadores corroboran a nivel local la tesis de que la tecnología del biogás es una alternativa madura para contrarrestar las barreras que existen para la energización a partir del empleo de las fuentes renovables de energía.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Miembro de la Junta Directiva de CUBASOLAR.
Autor del libro
Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas.
e-mail: guardado@cubaenergia.cu