Evaluation of the energy potential of
biomass, for the development of the generation of methane (CH4).=
Ing. MSc.
William Armando Hidalgo Osorio.[1], Ing. MSc. Paco Jovanni Vásquez
Carrera.
The aim of this research is to evaluate the energy
potential of the biomass generated at the Cynthia Elizabeth poultry farm in=
Pujilí city, for the production and use of methane ga=
s CH4
as alternative energy, for which the biomass generated in the Poultry farm =
was
placed in an experimental biodigester degrading the biomass in absence of
oxygen O2 in a determined time obtaining the biogas, for this we
applied field research techniques, bibliographical and experimental, that
allowed to obtain results of characterization of the biomass , Biol, biogas,
biogas production results and, finally, biogas application results. With th=
ese
results we made a proposal to design a biodigester for the production and u=
se
of methane gas as an alternative energy.
Obtaining as a result for each 45m3 of
biomass generated in the poultry farm produces.
Keywords=
:
Biodigester, Biogas, Biomass, Alternative Energ=
y,
Methane Gas, Energy Potential
El
presente trabajo investigativo tiene como objetivo evaluar el potencial
energético de la biomasa generada en la granja avícola Cynthia Elizabeth de=
la
ciudad de Pujilí, para la producción y aprovechamiento del gas metano CH
Obteniendo
como resultado por cada 45m3 de biomasa generado en la granja
avícola produce 0,61 m3 de biogás para su aprovechamient=
o.
Palabras
Claves:
Biodigestor,
Biogás, Biomasa, Energía Alternativa, Gas Metano, Potencial Energético.
Introducción.
El desarrollo de la biotecnología para obtener productos útiles
para el ser humano y de su entorno, ha demostrado ser una alternativa viabl=
e y
competitiva con respecto de otras tecnologías para obtener energía, entre o=
tras
aplicaciones, a través de la utilización de los desechos animales contribuy=
e a
la reducción de la contaminación ambiental.
Durante los últimos ańos la población =
ha
crecido de manera considerable por lo que se tiene como consecuencia un
requerimiento mayor de combustibles para la generación de energía tanto par=
a el
transporte como para el uso en viviendas, industrias, fábricas, hospitales
entre otros, puesto que estos forman parte fundamental para el desarrollo de
las mismas.
Básicamente los combustibles de hoy en=
día
son los derivados del petróleo como lo son las gasolinas, los aceites, el g=
as
LP, entre muchos otros. De estos combustibles el gas es uno de los más
requeridos para la vida diaria de las personas.
El biogás, como fuente de energía
renovable, ha despertado un gran interés en los últimos ańos, siendo tal vez
una de las tecnologías de más fácil implementación, sobre todo en sectores
rurales. Su potencial desarrollo, no solo considerando la producción de bio=
gás,
sino que como ayuda a la obtención de biofertilizante y tratamiento de
problemas sanitarios en algunos casos, hacen que replicabilidad y difusión =
en
los sectores con abundancia de materia orgánica de desecho sea atractivo.
Un digestor de desechos orgánicos o
biodigestor es, en su forma más simple, un contenedor cerrado, hermético e
impermeable (llamado reactor), dentro del cual se deposita el material orgá=
nico
a fermentar (excrementos de animales y humanos, desechos vegetales, etcéter=
a)
en determinada dilución de agua para que se descomponga, produciendo gas me=
tano
y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio.
Las
diversas materias primas que se pueden utilizar en la fermentación metanogénica, pueden ser residuos orgánicos de origen
vegetal, animal, agroindustrial, forestal, doméstico u otros.
<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc516154888'>Tabla
1. Caracterización de diferentes sustratos=
.
|
Sustrato |
TS (% kg de sustrato) |
oTS% de TS) |
C/N |
m3 de biogás por kg de oTS<= o:p> |
L de biogás por kg de sustrato |
|
|
Estiércol
de vacuno |
7-10 |
77-85 |
10-20 |
0.18-0.4 |
9.7-34.0 |
|
|
Estiércol de cerdo |
5-7 |
77-78 |
8-15 |
0.3-0.52 |
11.6-28.4 |
|
|
Estiércol de gallina<= o:p> |
18-32 |
75-83 |
7-10 |
0.33-0.65 |
44.6-172.6 |
|
|
Estiércol ovino/cabra=
|
25-35 |
72 |
12-25 |
0.16-0.42 |
28.8-105.8 |
|
|
Estiércol de caballo<= o:p> |
28 |
18-25 |
0.2-0.35 |
|||
|
Hojas de remolacha |
16 |
78.5 |
14-18 |
0.5-0.73 |
62.8-91.7 |
|
|
Plantas de papas |
25 |
79 |
17-25 |
0.55-0.7 |
108.6-138.3 |
|
|
Lodos de aguas servid=
as |
65-80 |
10 |
0.31-0.65 |
20.2-52.0 |
||
|
Cascaras de manzanas<= o:p> |
2-3 |
95 |
6-7 |
0.45-0.65 |
8.6-18.5 |
|
|
Cascaras de papas |
12-15 |
90 |
13-19 |
0.4-0.7 |
43.2-94.5 |
|
|
Cascaras de trigo |
6-8 |
87-90 |
10-11 |
0.6-0.8 |
31.3-57.6 |
|
|
Restos de verdura |
10-20 |
76 |
15 |
0.5-0.62 |
38.0-94.2 |
|
|
Restos de frutas |
45 |
93 |
50 |
0.5-0.62 |
209.3-259.5 |
|
|
Restos de comida |
9-18 |
90-95 |
15-20 |
0.6-0.81 |
48.6-138.5 |
|
|
Basuras orgánicas |
60-75 |
30-70 |
40-80 |
0.29-0.8 |
52.2-420.0 |
|
|
Lodos flotantes |
5-24 |
83-98 |
0.7-1.0 |
29.1-235.0 |
||
|
Contenido estomacal
(cerdos) |
12-15 |
80-84 |
17-21 |
0.3-0.45 |
28.8-56.7 |
|
|
Contenido ruminal
(vacunos) |
11-19 |
80-88 |
17-21 |
0.4-0.57 |
35.2-95.3 |
|
|
Sebos |
35-70 |
96 |
0.8-1.1 |
268.8-739.2 |
||
|
Oleaginosas y tortas<= o:p> |
88 |
93 |
50 |
0.5-0.76 |
409.2-622.0 |
Fuente:
=
Producción
de biogás por kg de sustrato, para diversos sustratos. Relación C/N
=
TS=
Alemán
oTS Alemán organische Trockensubstanz: substancia orgánica seca
C/N Relación
carbono/nitrógeno
Metodología.
El presente proyecto se enmarco en
investigaciones del tipo: documental, bibliográfico, experimental enfocadas=
en
la aplicación de la información recolectada referente al problema. La
presente investigación va a ser con Modalidad de Campo debido a que el
investigador va a estar en contacto en forma directa con el objeto de estud=
io y
se va a realizar mediciones para determinar la cantidad actual del objeto de
investigación.
Metodología
para el diseńo del biodigestor .
=
El
estiércol animal genera un gran potencial energético si se trata mediante la
tecnología de fermentación anaeróbica en biodigestores, plantas de biogás,
según Martínez,=
C.
(2003)
=
En
su investigación menciona Gil. E, (=
1982)La
experiencia ha demostrado, que una de las dificultades que se presenta para=
la
construcción de los biodigestores, es la determinación de sus parámetros
constructivos (P.35). Además, expresa Grundey. K. (198=
3) =
=
El
cálculo resulta una tarea compleja ya que de ellos depende el correcto
funcionamiento y eficiencia del biodigestor (P. 76)
=
En
el caso particular del cálculo, el problema está dado, en la determinación =
de
los parámetros de altura y diámetro del tanque de fermentación, para obtene=
r el
volumen deseado en correspondencia con el volumen de la cúpula, según el
objetivo para lo cual se va a diseńar la planta.
Elementos que =
se
compone el biodigestor
Tanque de digestión: Es el que define la
denominación del biodigestor. El mismo está compuesto por la cámara de
fermentación y la cúpula. En la cámara de fermentación anaeróbica el materi=
al a
descomponer permanece un determina-do tiempo, llamado tiempo de retención, =
en
el cual ocurre la degradación y liberación del biogás. Su geometría es
cilíndrica y su capacidad está dada por el volumen de material a degradar. =
La
función de la cúpula es almacenar el gas en los momentos que no existe cons=
umo,
pues la producción de gas es ininterrumpida a lo largo de todo el día. La
capacidad de almacenaje de la cúpula depende del volumen de la cámara de
fermentación.
Laguna de compensación: En ella se acumula el
material ya fermentado (digerido), donde puede recogerse. La capacidad de la
laguna está en dependencia del volumen del biodigestor (un tercio del mismo=
) y
puede tener diferentes formas (cuadrada, circular, rectangular) y construir=
se
encima de la cúpula o al lado del tanque de fermentación.
Registro de carga: Puede tener variadas form=
as y
su tamańo depende del diseńo del digestor. En el mismo se introduce el mate=
rial
a fermentar, mezclándose con agua en las proporciones adecuadas y
homogenizándose.
Conducto de carga: Comunica al registro de c=
arga
con el tanque de fermentación.
Principales pa=
rámetros
para el cálculo de una planta de biogás
Diseńo del
equipamiento experimental
Construcción de los biodigestores experimentales<=
b>
Se construyó tres biodigestores, para lo cual se utilizó tachos
plásticos cilíndricos con una capacidad de 220 litros, en la parte superior=
se
encuentran acoplados el conducto de salida de ˝ que comunica con la cámara=
de
reacción, en el cual se acopló una válvula de ˝ para el control de la sali=
da
del biogás.
En la parte lateral a la altura de la tercera cuarta parte de =
los
tachos se instaló una salida de 2 comunicada en su interior a 45° hasta el
fondo del mismo y una salida al costado inferior de 1 para su drenado.
En la parte superior se instaló un envase plástico para la
captación y almacenamiento del biogás, además de la entrada de alimentación=
de
biomasa al biodigestor.
Se comprobó la hermeticidad del biodigestor colocando agua y
revisando si hay presencia de fugas en sus acoples asegurando la no presenc=
ia
de oxígeno en el interior del mismo.
Este diseńo se lo tomo de la investigación Biodigestores a
pequeńa escala que prácticamente es un manual de biodigestor ya que cuenta=
con
la experiencia de su construcción y montaje en una escuela rural José San
Martin de la provincia Santa Fe Colombia.
En la siguiente figura se muestra el ensamblaje del biodigestor
con sus elementos y las herramientas utilizadas
Gráfico 1. Construcción =
del
biodigestor.
Fuente: Hidalgo W. (2017)
En los anexos
evidenciamos el plano del diseńo experimental del biodigestor para la
degradación de la biomasa en ausencia del oxígeno y obtener biogás para el =
aprovechamiento
del mismo.
Descripción metodológica del
experimento
Para la ejecución del presente trabajo de
investigación se realizó tres experimentos en biodigestores de las mismas
características, para lo cual se procedió de la siguiente manera:
=
Biodigestor
N°1, 2 y3
Se procedió a selección de la biomasa,
posteriormente se pesó la cantidad requerida de biomasa, para su posterior
colocación en el tanque biodigestor., finalmente se colocó el agua para obt=
ener
una mezcla uniforme. Se procedió a serrar herméticamente el biodigestor, pa=
ra
semanalmente tomar datos de la cantidad de biogás generado
Descripción
del experimento para la producción de biogás
Una vez colocada la biomasa dentro de los reactores, inicia su
degradación en ausencia del oxígeno empezando a producir biogás, en el
transcurso de 40/45 días existe una acumulación de biogás en el interior de=
los
reactores (cámara de presión), para la captación del mismo se lo hace abrie=
ndo
la válvula de desfogue la cual se encuentra conectada a una bolsa graduada
obteniendo así el biogás para realizar las pruebas.
Gráfico 2. Captación del
biogás.
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Descripción
del experimento para la caracterización de la biomasa y biol
Se recolecto muestras directamente de la fuente para él envió =
al
Laboratorio AQULAB para su respectivo análisis.
Medición de Ph.
Consta de =
un
potenciómetro, un electrodo de vidrio, un electrodo de referencia, y un
dispositivo de compensación de temperatura. Un circuito se completa a través
del potenciómetro cuando los electrodos se sumergen en la solución de ensay=
o.
Muchos medidores de pH son capaces de leer el pH o milivoltios y algunos ti=
enen
expansión de la escala que permite la lectura a 0,001 unidades de pH, pero =
la
mayoría instrumentos no son tan precisos.
Determinación de Conductividad.
El límite de cuantificación para
Conductividad eléctrica es de 10,00 ľS/cm, y el límite de cuantificación de
sólidos totales disueltos es de 10,00 mg/L. El rango de medición comprende =
de
9,95-9982 ľS/cm de C.E, que se aplica para las matrices de aguas naturales,
residuales y lixiviados.
El rango de medición para solidos totales
disueltos es de 6.63-6655 mg/L de STD, que se puede aplicar para las matric=
es
de aguas naturales, de consumo y aguas industriales negras y grises.
Determinación de metales pesados.
Describe la sistemática para la determina=
ción
de elementos metálicos mediante Espectrometría de Absorción Atómica (AAs, siglas en inglés). Así como los procedimientos de
preparación, extracción y digestión de los analitos de interés.
El método es simple, rápido y aplicable a
gran número de muestras ambientales incluyendo a aguas subterráneas, muestr=
as
acuosas, extractos, lixiviados, desechos industriales, suelos, lodos,
sedimentos, y descargas similares.
Este procedimiento específico se aplica al
equipo: Espectrofotómetro de Absorción Atómica Perkin Elmer Analyst 300 EFQ/061 a
utilizarse en el laboratorio para análisis de aguas subterráneas, muestras
acuosas, extractos, lixiviados, desechos industriales, suelos, lodos,
sedimentos, y descargas similares.
Todas las muestras requieren una previa
digestión, a excepción del análisis de los constituyentes disueltos.
El análisis de elementos disueltos no
requiere digestión si las muestras han sido filtradas y acidificadas.
Determinación de solidos totales.
Es un método
aplicable a muestras de aguas naturales, descargas industriales y de consum=
o.
El rango de trabajo comprende desde 100,00-20000,00mg/L.
El agua muy
mineralizada con una concentración significativa de calcio, magnesio, cloru=
ros
y/o sulfatos pueden ser higroscópicos y requerir un secado prolongado, una
desecación apropiada, y peso rápido. Elimínese gran parte de partículas
flotantes, o los aglomerados sumergidos de materiales no homogéneos, para la
muestra si este es determinado si se decide que su inclusión no es deseable=
en
el resultado final.
Dispersar los
aceites flotantes visibles y grasa con una agitadora antes de retirar una
porción de muestra para el análisis. Porque un residuo excesivo en un plato
puede formar una trampa de agua incrustada.
Extracción de fosfatos con sodio bicarbon=
ato
y determinación colorimétrica, según Olsen.
La determinación colorimétrica de fosfato=
s en
base del complejo azul de molibdeno se aplica también en la determinación de
fosfatos en muestras de aguas y para la determinación del fósforo en el
análisis foliar de plantas.
Carbono orgánico total, Corg,
en suelos se puede determinar
La gravimetría se aplica también para la
determinación de cenizas en el análisis bromatológico.
La sustancia orgánica se calcula en base =
del Corg asumiendo que la materia orgánica de =
los
suelos contiene 58% de carbono.
En el análisis de plantas y foliares, la =
incineración
y determinación gravimétrica sirve para determinar cenizas.
Determinación gravimétrica de sustancia s=
eca
y contenido de humedad, respectivamente, en muestras sólidas, tales como
suelos, sedimentos, plantas, balanceados.
El valor de sustancia seca se necesita en
todos los cálculos de resultados de otros parámetros.
Debido a que el contenido de agua en mues=
tras
sólidas puede variar considerablemente, todos los resultados se deben
relacionar a sustancia seca como base común para poder comparar datos.
Descripción
del experimento para la caracterización del biogás.
Una vez transcurrido el tiempo de degradación de la biomasa de=
ntro
del digestor y obtenido el biogás de este proceso anaerobio, el biogás se
almacena en una bolsa graduada, como en el interior del digestor existe una
cámara de presión al abrir la válvula podemos notar la presencia de biogás =
para
esto utilizamos los siguientes equipos:
ˇ
Compresor para la captación y transferencia d=
el
biogás.
Descripción
de la transferencia del biogás al tanque de almacenamiento
Para la transferencia del biogás obtenido de los biodigestores
experimentales a un tanque hermético utilizamos el compresor de un equipo de
refrigeración, el mismo que es conectando a la salida del biodigestor y al
tanque hermético, producimos un vacío con el mismo compresor al tanque de
almacenamiento, luego traspasamos el biogás del biodigestor al tanque ademá=
s se
acopla una manguera y el dispositivo de cocina para realizar la prueba de
combustión
Fuente: Hidalgo W. (2017).
Gráfico 3. Traspaso del
biogás.
Descripción
del proceso de combustión.
Para la prueba de combustión del biogás luego de la transferen=
cia
del biogás al tanque de almacenamiento obteniendo la suficiente presión (1,5
psi aproximadamente) en el interior del mismo y acoplado el sistema de
combustión se realiza la prueba de combustión, acoplando una hornilla en un
recipiente con un litro de agua se procede a tomar el tiempo hasta que el a=
gua ebullicione, obteniendo en un tiempo de 16 minutos la
ebullición del litro de agua.
Gráfico 4. Prueba de
combustión.
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Poder calorífico es la cantidad de calor que entrega un kilogr=
amo,
o un metro cúbico, de combustible al oxidarse en forma completa, es decir
cuando el carbono pase a anhídrido carbónico
UNIDADES
(kcal/ /kg); (kcal / El poder
calorífico de un combustible puede ser: Poder calorífico
El poder calorífico superior se define suponiendo que todos los
elementos de la combustión (combustible y aire) son tomados a 0şC y los
productos (gases de combustión) son llevados también a<=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> 0şC después de la combustión, po=
r lo
que el vapor de agua se encontrará totalmente condensado.
Vapor de agua que proviene de:
De esta manera al condensar el vapor de agua contenido en los
gases de combustión tendremos un aporte de calor de: 597 kcal / kg vapor de
agua condensado.
Poder calorífico
El poder calorífico inferior considera que el vapor de agua
contenido en los gases de la combustión no condensa.
Por lo ta=
nto,
no hay aporte adicional de calor por condensación del vapor de agua.
Solo se
dispondrá del calor de oxidación del combustible, al cual por definición se
denomina:
Poder Calorífico Inferior del Combustible
Aplicación del biogás en la granja =
avícola .
Una vez obtenido el biogás del aprovechamiento de la degradaci=
ón
de la biomasa se utilizará en la calefacción del interior de la granja avíc=
ola,
el biogás será transmitido por una manguera plástica a un calentador a
combustión.
Resultados y Discusión:
Los
resultados, métodos y parámetros de la caracterización de la biomasa y del =
biol obtenidos del laboratorio son los siguientes:
<=
/a>Tabla
2
|
Parámetros |
Método de ensa=
yo |
Referencia |
Unidad |
S 0515 |
Incertidumbre<= o:p> (K=3D2) |
|
Carbono orgánico total |
ITE-AQLAB-54 |
EPA 9060 |
% |
36.35 |
|
|
Potasio |
ITE-AQLAB-04/44 |
SM 3030 B,3131 B |
Mg/Kg |
39180 |
|
|
Conductividad eléctrica |
ITE-AQLAB-53 |
EPA 9050Ş |
uS/cm |
11660 |
|
|
Fosforo disponible |
ITE-AQLAB-51 |
Booker Tropical Soil
Manual |
% |
2.49 |
|
|
Humedad |
ITE-AQLAB-57 |
ASTM D3976-92 |
% |
45.32 |
|
|
Nitrógeno Total |
ITE-AQLAB-59 |
KJELDAHL, EPA351.2 |
% |
3.13 |
|
|
Potencial de Hidrogeno |
ITE-AQLAB-52 |
EPA9045 D |
- |
8.07 |
|
|
Relación C/N |
ITE-AQLAB-54 |
EPA 9060 |
% |
11.60 |
|
Fuente: Laboratorio AQULAB
Gráfico
5. Caracterizaci=
ón
de la biomasa.
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Como
se demuestra en la tabla y figura anterior se expresa el resultado analizad=
o en
el laboratorio de la biomasa, su composición química de la gallinaza que en
nuestro caso es la biomasa generada en la granja avícola deduciendo un
parámetro fundamental que a diferencia de otras biomasas orgánicas esta
presenta un valor de humedad del 45,32%, el cual para su degradación no
necesita mayor cantidad de agua.
<=
/a>Tabla
3
|
Parámetros |
Método de ensa=
yo |
Referencia |
Unidad |
S 0515 |
Incertidumbre<= o:p> (K=3D2) |
|
Calcio |
ITE-AQLAB-35 |
SM 3030 B, 3111 B |
mg/L |
1218.5 |
|
|
Conductividad eléctrica |
ITE-AQLAB-02 |
SM 2510 B |
uS/cm |
48200 |
|
|
Cobre |
ITE-AQLAB-36 |
SM 3030 B, 3111B |
mg/L |
<0.20 |
|
|
Fosforo |
ITE-AQLAB-51 |
HACH 8048 |
mg/L |
23.22 |
|
|
Hierro |
ITE-AQLAB-39 |
SM 3030 B, 3111B |
mg/L |
10.0 |
|
|
Manganeso |
ITE-AQLAB-41 |
SM 3030 B, 3111B |
mg/L |
3.73 |
|
|
Nitrógeno amoniacal |
ITE-AQLAB-12 |
HACH 8038 |
mg/L |
6325.0 |
|
|
Potasio |
ITE-AQLAB-44 |
SM 3030 B, 3111B |
mg/L |
4813.5 |
|
|
Potencial Hidrogeno |
ITE-AQLAB-01 |
SM 4500-H B |
|
8.27 |
+- 0,05 |
|
Sodio |
ITE-AQLAB-47 |
SM 3030 B, 3111B |
mg/L |
958 |
|
|
Solidos Totales |
ITE-AQLAB-03 |
SM 2540 B |
mg/L |
51296.31 |
|
|
Zinc |
ITE-AQLAB-49 |
SM 3030 B, 3111B |
mg/L |
6.88 |
|
Fuente: Laboratorio AQULAB
Como
se expresa en la tabla es el resultado del análisis del laboratorio del
Para
la producción de biogás partimos del volumen de materia orgánica que produc=
e la
granja avícola es 40m3 cada mes y medio que realizan su evacuaci=
ón,
la cantidad de desecho orgánico diario es 0,89 m3 /días de un to=
tal
de 6000 aves y cada una produce 0,15 kg/día.
Para
determinar la cantidad de biogás generado en el biodigestor experimental
partimos de la colocación de 80kg de biomasa, con el transcurso de tiempo de
degradación obtuvimos los siguientes resultados:
<=
/a>Tabla
4
|
TIEMPO DE DEGRADACIÓN |
CANTIDAD DE BIOGÁS (ml) |
CANTIDAD ACUMULADA DE BIOGÁS (ml) |
% ACUMULADO |
% SEMANAL |
|
Semana 1 |
50 |
50 |
4,17 |
4,17 |
|
Semana 2 |
100 |
150 |
12,5 |
8,33 |
|
Semana 3 |
150 |
300 |
25 |
12,5 |
|
Semana 4 |
400 |
700 |
58,33 |
33,33 |
|
Semana 5 |
300 |
1000 |
83,33 |
25 |
|
Semana 6 |
200 |
1200 |
100 |
16,67 |
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Gráfico 6. Cantidad de
biomasa prueba N° 1
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Como
expresa el cuadro y figura anterior en la semana cuarta y quinta tenemos un
aumento mayor de biogás de 300 ml en los 30 / 40 días de degradación con un
valor de 33.33% y
25%.
<=
/a>Tabla
5
|
TIEMPO DE DEGRADACIÓN |
CANTIDAD DE BIOGÁS (ml) |
CANTIDAD ACUMULADA DE BIOGÁS (ml) |
% ACUMULADO |
% SEMANAL |
|
Semana 1 |
100 |
100 |
6,67 |
6,67 |
|
Semana 2 |
100 |
200 |
13,33 |
6,67 |
|
Semana 3 |
200 |
400 |
26,67 |
13,33 |
|
Semana 4 |
500 |
900 |
60,00 |
33,33 |
|
Semana 5 |
400 |
1300 |
86,67 |
26,67 |
|
Semana 6 |
200 |
1500 |
100,00 |
13,33 |
Fuente: Hida=
lgo
W. (2017)
Gráfico
7. Cantidad de
biomasa prueba N° 2
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Como
expresa el cuadro y figura anterior en la semana cuarta y quinta tenemos un
aumento mayor de biogás de 500 ml en los 30 / 40 días de degradación con un
valor de 60% y=
86,67%.
<=
/a>Tabla
6
|
TIEMPO
DE DEGRADACIÓN |
CANTIDAD DE BIOGÁS (ml) |
CANTIDAD ACUMULADA DE BIOGÁS (ml) |
% ACUMULADO |
% SEMANAL |
|
Semana 1 |
50 |
50 |
5,00 |
5,00 |
|
Semana 2 |
100 |
150 |
15,00 |
10,00 |
|
Semana 3 |
150 |
300 |
30,00 |
15,00 |
|
Semana 4 |
200 |
500 |
50,00 |
20,00 |
|
Semana 5 |
300 |
800 |
80,00 |
30,00 |
|
Semana 6 |
200 |
1000 |
100,00 |
20,00 |
Fuente: Hida=
lgo
W. (2017)
Gráfico
8.
Cantidad de biomasa prueba N° 3
Fuen=
te: Hida=
lgo
W. (2017)
Como
expresa el cuadro y figura anterior en la semana cuarta y quinta tenemos un
aumento mayor de biogás de 200 y 300 ml en los 30 / 40 días de degradación =
con
un valor de 50% y 80%.
|
Experimentos |
Cantidad de biogás |
Cantidad acumulada |
Media |
|
Experimento N°1 |
1200 |
1200 |
12333 |
|
Experimento N°2 |
1500 |
2700 |
|
|
Experimento N°3 |
1000 |
3700 |
Tabla 7
Fuente: Hida=
lgo
W. (2017)
Gráfico
9. Cantidad de
biogás por experimento.
Fuente:
Hidalgo W. (2017)
De acuerdo a los tres experimentos
realizados podemos deducir que en el segundo experimento se obtiene la mayor
cantidad de biogás, pese a utilizar la misma cantidad de biomasa en las mis=
mas
condiciones ambientales existe variaciones en la cantidad de biogás generad=
o,
siendo importante para el cálculo de la propuesta tomar la media de los tres
experimentos.
Para
el aprovechamiento continuo de biogás se propone un sistema de dos biodiges=
tores
con el cual, el primero se aprovechará el biogás a partir de los 40 días,
continuo a este aprovechamiento se llenará el segundo biodigestor con la
biomasa generada en el mencionado tiempo, iniciará su degradación por los 40
días y luego se aprovechará el biogás del segundo biodigestor.
Una
vez aprovechado el biogás generado en el primer biodigestor e iniciado el
aprovechamiento del biogás del segundo biodigestor, se obtiene el biol y se procede a cargar nuevamente el primer biodi=
gestor
con la biomasa generada en la granja para que inicie su degradación.
El
biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dióxido de
carbono, pero también contiene diversas impurezas. La composición del biogás
depende del material digerido y del funcionamiento del proceso. Cuando el
biogás tiene un contenido de metano superior al 45% es inflamable. El biogás
tiene propiedades específicas que se indican en la siguiente tabla.
Los
resultados de la caracterización del biogás producido en el biodigestor son=
:
Tabla <=
/b>8
|
Parámetros |
Método de ensayo |
Referencia |
Unidad |
S 0515 |
Incertidumbre (K=3D2) |
|
Composición |
ITE-AQLAB-35 |
SM 3030 B, 3111 B |
CH4 |
59.34 |
|
|
Contenido energético |
ITE-AQLAB-02 |
SM 2510 B |
CO2 |
30.95 |
|
|
Equivalente de combustible |
ITE-AQLAB-36 |
SM 3030 B, 3111B |
kWhm3 |
6.0 |
|
|
Límite de explosión |
ITE-AQLAB-51 |
HACH 8048 |
L petróleo/m3 |
0.60 |
|
|
Temperatura de ignición |
ITE-AQLAB-39 |
SM 3030 B, 3111B |
% |
7 |
|
|
Presión critica |
ITE-AQLAB-41 |
SM 3030 B, 3111B |
0C |
670 |
|
|
Temperatura critica |
ITE-AQLAB-12 |
HACH 8038 |
atm |
76 |
|
|
Densidad normal |
ITE-AQLAB-44 |
SM 3030 B, 3111B |
0C |
-82.5 |
|
|
Potencial Hidrogeno |
ITE-AQLAB-01 |
SM 4500-H B |
Kg m3 |
1.2 |
|
|
olor |
ITE-AQLAB-47 |
SM 3030 B, 3111B |
|
|
|
|
Masa molar |
ITE-AQLAB-03 |
SM 2540 B |
Kg kmol-1 |
16.043 |
|
Fuente: Laboratorio AQULAB
El
metano, es el compuesto del carbono más simple, cuya composición se basa en=
un
carbono y cuatro hidrógenos, con fórmula CH4. Se trata de un gas
inodoro y sin color, y además es muy poco soluble en agua. Cada uno de los
átomos de hidrógeno se encuentra unidos a carbonos por medio de un enlace de
tipo covalente. Es un compuesto no polar, el cual se presenta en forma de g=
as,
a una temperatura y presión normales. Hay enormes cantidades de este gas,
conocido comúnmente como gas natural.
El
biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefac=
tos
descomponiéndose principalmente en CO2 y H2O. La
combustión completa sin el exceso de aire y con oxígeno puro, puede ser
representada por las siguientes ecuaciones químicas:
CH4 + 2O
H2S + 3/2 =
O2
CO2
El
requerimiento de aire mínimo sería del 21% pero esta cifra debe ser aumenta=
da
para lograr una buena combustión.
La
relación aire-gas puede ser ajustada aumentando la presión del aire,
incrementando la apertura de la válvula dosificadora de gas (el biogás requ=
iere
de una apertura 2 a 3 veces mayor a la utilizada por el metano puro y
modificando la geometría del paso de aire desde el exterior).
Debido
al contenido de dióxido de carbono, el biogás tiene una velocidad de
propagación de la llama lenta, 43 cm/seg y por =
lo
tanto la llama tiende a escaparse de los quemadores.
Con
la aplicación del biogás obtenido en el biodigestor a partir de la biomasa
generada en la granja avícola su principal aplicación la vamos a realizar e=
n el
uso de calefacción combustionando el biogás con un calentador a gas, así
obtendremos un calentamiento ambiental en el interior del galpón.
<=
/a>Tabla
9
|
PODER
CALORÍFICO DEL GAS METANO |
|||||||
|
=
SUSTANCIA |
=
FORMULA |
=
MASA |
PODER CALORÍFICO |
||||
|
=
SUPERIOR
kcal/kg |
=
INFERIOR
Kcal/kg |
=
SUPERIOR
kW.h/kg |
=
INFERIOR
kW.h/kg |
||||
|
=
METANO |
=
CH4 |
=
16,04 |
=
13,249 |
=
11,94 |
=
15,4 |
=
13,88 |
Fuente:
La
composición química del biogás depende primordialmente de dos factores: los
materiales empleados en la digestión y la tecnología utilizada para el proc=
eso.
Entre
sus características el biogás posee un poder calorífico entre 14 y 15 kWh/k=
g,
su equivalente en combustible es de 0,6 - 0,65 L de petróleo por metro cúbi=
co
de biogás.
Los
resultados obtenidos en la prueba en la ebullición del agua por la diferenc=
ia
del peso del tanque y su volumen obtenemos los siguientes resultados
<=
/a>Tabla
10
|
DATOS DE EBULLICIÓN DEL AGUA |
|||
|
Tiempo |
Temperatura |
Tiempo |
Temperatura |
|
0 min |
20 °C |
9 min |
77 °C |
|
1 min |
24 °C |
10 min |
79 °C |
|
2 min |
31 °C |
11 min |
81 °C |
|
3 min |
41 °C |
12 min |
87 °C |
|
4 min |
48 °C |
13 min |
94 °C |
|
5 min |
53 °C |
14 min |
98 °C |
|
6 min |
59 °C |
15 min |
100 °C |
|
7 min |
64 °C |
16 min |
100 °C |
|
8 min |
71 °C |
|
|
Fuente:=
Hidalgo W. (2017)
Gráfico
10. Tiempo de
ebullición del agua.=
Fu=
ente: Hidalgo W. (2017)
Para
obtener la cantidad de biogás utilizado en el calentamiento de un litro de =
agua
se procedió a pesar el tanque de almacenamiento de biogás al inicio y al fi=
nal
de la prueba obteniendo los siguientes valores:
<=
/a>Tabla
11
|
|
PESO DEL TANQUE |
VOLUMEN DEL TANQUE |
|
Peso inicial del tanque |
4,8 kg |
0,25 m3 |
|
Peso final del tanque |
4,4 kg |
0,23 m3 |
|
Diferencia |
0,4 kg |
0,02 m3 |
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Como se expresa en el cuadro anterior por la diferencia de
volumenes para ebullionar un litro de agua se utilizo 0,02 m3 de biogas.
Con
los resultados del experimento para obtener biogás, se partió con una canti=
dad
de 80kg de biomasa en el diseńo experimental, obteniendo 1200ml de biogás e=
n un
promedio de 42 días de degradación en el biodigestor.
La
cantidad total de generación de biomasa en la avícola es de 900 kg/día en d=
onde
es recolectado cada mes y medio (45 días) dándonos un total de 40500 kg de
biomasa, en la siguiente tabla se interpreta la cantidad de biogás que se
obtendrá con el volumen total de generación de biomasa.
Tabla <=
/b>12
|
CANTIDAD DE BIOMASA |
TIEMPO DE DEGRADACION (días) |
CANTIDAD DE BIOGAS (m3) |
CANTIDAD DE BIOGAS (ml) |
|
80 kg |
45 |
0,0012 |
1200 |
|
900 kg (diario) |
45 |
0,0135 |
13500 |
|
40500 kg (45 días) |
45 |
0,6075 |
607500 |
=
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Gráfico 11. Cantidad de
biogás según el volumen de la biomasa.
Fuente: Hidalgo W. (2017)
Como
se expresa en la tabla y figura anterior se deduce que en el diseńo
experimental con 80kg de biomasa en un tiempo de 40 /45 días obtenemos 0,0012 m3
de biogás, con el respectivo análisis
deducimos que con 900 kg de biomasa generada diariamente en la granja
avícola obtendremos 0,0135 m3
de biogás y con 40500 kg de biomasa que se obtiene en 45 días nos da
como resultado 0,6075 m3 de
biogás todos estos valores son con 45 días de degradación dentro de un
biodigestor.
Conclusiones
ˇ&nb=
sp;
La biomasa de los desechos orgánicos obtenidos de la gran=
ja
avícola Cynthia Elizabeth constituyen una fuente viable para la producció=
n de
biogás tomando en consideración que, por su fácil biodegradabilidad y
características, favorecen notablemente el proceso de digestión anaerobia. =
ˇ&nb=
sp;
Se define que la biomasa de la granja Cynthia Elizabeth =
en
las proporciones adecuadas logradas en el diseńo experimental se obtiene una
producción de gas metano viable para el aprovechamiento y utilización de su
potencial energético.
ˇ =
Con el diseńo experimental implementad=
o se
logró verificar el potencial energético de la biomasa según su volumen y
ˇ&nb=
sp;
Las experiencias realizadas a nivel experimental bajo
condiciones controladas, permitieron conocer el potencial máximo de producc=
ión
de biogás permitiendo determinar los parámetros y condiciones de operación =
para
la obtención de datos que permitan realizar el diseńo de un biodigestor y
aprovechar el potencial energético de los residuos orgánicos en la granja
Cynthia Elizabeth.
Agradecimiento
A
la Granja avícola Cynthia Elizabeth por el financiamiento del proyecto de
investigación Evaluación del potencial energético de la biomasa, para el
aprovechamiento de la generación de gas metano (CH4), del que es parte esta
investigación.
Fernandez, J. (2010). MÁQUINAS TÉRMICAS. . C=
uba.
Forget, A. (2011). Manual de di=
seńo
y de difusión de biodigestores familiares, con enfoque en biodigestores
tubulares . Lima Peru.
Gil, E. (2007). Energía y biofe=
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Manual de producción y utilización. Buenos Aires, Argentina.
Grundey, K. (2003). Tratamiento= de los residuos agrícolas y ganaderos. Madrid, Espańa: Editorial GEA.<= o:p>
Hiler , E., & Stout, B. (19=
85).
Biomass Energy. A Monograph. Texas: Texas A&M University
Press.College Station.
Minenergia / Pnud / Fao /Gef. (201=
1). Manual
De Biogás. Santiago de Chile: CHI/00/G32 ISBN 978-95-306892-0.
Perez Medel, J. A. (2010). Estu=
dio
Y Diseńo De Un Biodigestor Para Aplicacion En Pequeńos Ganaderos Y Lecher=
os Universidad
De Chile Facultad De Ciencias Fisicas Y Matematicas Departamento De
Ingenieria Mecanica. Santiago de Chile.
Varnero, M. T., & Arellano, J.
(1990). Aprovechamiento racional de desechos orgánicos. Ministerio de
Agricultura (FIA). Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Agrarias y
Forestales. Santiago de Chile.
=
=
=
=
=
Para
citar el artículo indexado.
=
Hidalgo W., Vásquez P. & Jáco=
me
D. (2018). Evaluación del potencial
energético de la biomasa, para el aprovechamiento de la generación de gas
metano (ch4). Revista
electrónica Ciencia Digital 2(2), 473-496. Recuperado desd=
e: http://cienciadigital.org/revistacienciadigita=
l2/index.php/CienciaDigital/article/view/114/105
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
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y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1=
]Universidad Técnica de Cotopa=
xi,
Cotopaxi, Ecuador, william.hidalgo7885@utc.edu.ec
[2]Universidad Técnica de Cotopaxi, Cotopaxi, Ecuador, paco.vasquez@utc.ed=
u.ec
[3]Universidad
Técnica de Cotopaxi, Cotopaxi,
Ecuador,
diego.jacome@utc.edu.ec
[4=
]Universidad Técnica de Cotopa=
xi,
Cotopaxi, Ecuador, chanatagsih@utc.edu.ec
[5=
]Universidad Técnica de Cotopa=
xi,
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Vol. 2, N°2, p473-=
496, Abril - Junio, 2018