¿Cómo evaluar
los digestores
de biogás?
Por
Manuel Ramón Díaz Piñón*
Algunos aspectos de interés
a la hora de evaluar
la introducción de esta tecnología. |
|
 |
Para demostrar la factibilidad del empleo de digestores de biogás se precisa contar con las herramientas que permitan determinar las potencialidades de su productividad energética y de saneamiento ambiental lo más objetivamente posible; es decir, disponer de herramientas para la evaluación de digestores de biogás, en específico a partir de excretas porcinas, ya que hoy en día existe un interés marcado en incrementar la producción de carne de cerdo con los llamados contratos porcinos, lo que debe realizarse en armonía con el medio ambiente.
La primera pregunta que surge es: ¿qué cantidad de biogás y de energía se puede esperar de una determinada masa porcina?
La oxidación de la glucosa se expresa como:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 +6H2O
La ecuación indica que para oxidar totalmente un mol (180 g) de glucosa se necesitan
6 moles de oxígeno, es decir, 6 x 32 = 192 g de oxígeno.
La ecuación que describe el proceso de descomposición anaerobia, creando el metano de glucosa, se expresa de la manera siguiente:
C6H12O6 = 3CH4 + 3CO2
(180 g) --> 3 x 22,4 x 103 mL
La ecuación señala que un mol (180 g) de glucosa al descomponerse totalmente dará
3 x 22.4 x103 mL de metano.
Como la demanda química de oxígeno (DQO) de 180 g de glucosa es 192 g, ello indica que la productividad de crear metano de 1 g de DQO en 3 x 22,4 x 103 / 192 = 350 mL, a 0 °C y a 1 atm.
Si el análisis se hace a 25 °C y a 1 atm, que son las condiciones promedio de Cuba, entonces:
1 g de DQO nos daría 3 x 24,4 x 103 / 192 = 381,2 mL, a 25 °C y 1 atm.
Las otras dos preguntas posibles serían: ¿Cómo entender lo antes expuesto y de dónde salen todos esos cálculos?
Con la ley de los gases ideales, se calcula el volumen de metano a una temperatura y una presión, entonces, a 25 °C:
PV = n RT
V = n RT/P
Considerando 1 mol de CH4:
V = ((1,0 mol x (0,082 L-atm/°K-mol) x
x ( 298 °K)) / 1 atm
V = 24,4 mL
Entonces, 1 kg de DQO nos reporta 381,2 litros de metano; pero el biogás es metano más otros gases, en lo fundamental CO2. Si consideramos el biogás como 60% de metano y 40% de CO2, entonces podemos afirmar que por cada kg de DQO destruido en el digestor, se formarán:
381,2 x 100 / 60 = 635,3 litros de biogás
Por cada kg de DQO destruido dentro del digestor de biogás se puede esperar una producción de 635,3 litros de biogás.
La otra pregunta sería: ¿Qué cantidad de excreta y DQO se puede esperar de una determinada masa porcina?
La alimentación, las condiciones de cría y otros aspectos pueden hacer variar considerablemente las características de las excretas y su magnitud, pero nuestra experiencia, en las condiciones cubanas, nos induce a escoger estos parámetros:
• Peso de la excreta más orine: 5% del peso vivo de la masa porcina.
• DQO: 60 g/L.
Consideramos que un litro de excreta = 1 kg
Entonces, si tenemos 80 animales en el corral y en su conjunto pesan 4 000 kg, puede esperarse:
4 000 x 0,05 = 200 kg de excreta
Y, ¿cuál sería la carga contaminante en términos de DQO y expresada en kg?
(200 x 60) / 1 000 = 12 kg
Es decir, la masa porcina (80 animales con un peso vivo total de 4 000 kg) vierte al medio todos los días el equivalente a 12 kg de DQO.
Entonces, la expresión que proponemos para definir la posible producción de biogás, es:
((DQO (en kg) x 635,3) / 1 000) x 0,60 = m3 de biogás producido,Como se puede apreciar, estamos considerando 60% de eficiencia en la fermentación anaerobia dentro del digestor, un régimen mesófilo, unos 25 °C con digestión no controlada, en condiciones termófilas éste puede variar y llegar incluso a 85% y más.
Si evaluáramos la posible producción de biogás de la masa porcina , estaría en el orden de:
((12 x 635,3) / 1 000) x 0,60 = 4,57 m3 de biogás/día
La última pregunta podría ser: ¿De cuánta energía estamos hablando?
Consideremos la combustión del metano:
CH4 + 2O2 --> CO2 + 2H2O + 212 kCal/mol
1 mol = 24,4 L (a 25 °C)
1 m3 = 1 000 L
1 m3 = 40,98 mol
212 kCal/mol x 40,98 mol/m3 = 8 687,76 kCal/m3
Como estamos considerando un biogás de 60% de metano y 40% de CO2:
8 687,76 x 0,60 = 5 212,65 kCal/m3
Como 1 kWh = 860 kCal:
5 212,65 / 860 = 6,06 kWh
Entonces, 1 m3 de biogás (60% de CH4 y 40% de CO2) tiene una energía de 6,06 kWh.
Por lo general, la eficiencia se ve afectada al convertirla, por lo que se suele utilizar para la energía eléctrica 30% y para la térmica 50%.
Entonces:
Energía eléctrica de 1 m3 de biogás = 6,06 x 0,30 = 1,81 kWh
Energía térmica de 1 m3 de biogás = 6,06 x 0,50 = 3,03 kWh.
Evaluemos, entonces, nuestra masa porcina (4 000 kg de peso vivo):
Biogás a producir = 4,57 m3/día.
Energía esperada:
Eléctrica = 4,57 x 1,81 = 8,27 kWh/día
Térmica = 4,57 x 3,03 = 13,84 kWh/día
Eliminación de DQO = 4,57 / 0,6353 = 7,19 kg/día.
He aquí preguntas posibles y respuestas sencillas. Estas herramientas permitirán evaluar con más precisión el impacto de la digestión anaerobia, y tomar decisiones económicas para su introducción de forma segura. Las ecuaciones presentadas permiten al evaluador experto considerar otras condiciones de eficiencia en el proceso de digestión, así como la composición del biogás.
|