Medio Ambiente

pj─136─ma Generación de gas metano a base de residuos orgánicos.

  • Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
  • Área de participación: Medio Ambiente
  • Asesor: MARISA CALLE MONROY
  • Equipo [ ]: Gisela Sánchez Fuentes() , Carlos David Ortiz Castro() , Valeria Carretero de Lucio(2o Chichen-itzá)

Resumen

En el Estado de México, la contaminación se ha generado debido al exceso de fábricas y al mal cuidado del ambiente, pues la población normalmente deja sus desechos en las calles. El área metropolitana cuenta con diversos sistemas para evitar la contaminación como el reciclaje y la separación de basura. Existen distintos centros de reciclaje, las cuales prometen ayudar al ambiente, sin embargo, estos sólo funcionan con el PET, mientras que la basura restante no tiene un seguimiento adecuado, por lo que genera mucha contaminación hacia el ambiente a través del gas que los residuos orgánicos generan con su putrefacción. El gas metano tiene ciertas desventajas, pues si se llega a liberar al ambiente genera un alto nivel de contaminación de manera directa a la atmósfera, aunque el daño no es tanto como cuando otro tipo de gas se libera. En contraste, una de sus ventajas es que genera energía, y al utilizarlo en actividades cotidianas se reduce el nivel de contaminación considerablemente. Al terminar de armar el biodigestor pudimos comprobar que, a las pocas horas de introducir los residuos, se generaba gas metano en pequeñas cantidades. La cantidad de gas obtenida variará dependiendo la cantidad de residuos depositados y el tiempo que se haya dejado reposar. Lo que no se consideró al inicio del proyecto fue la dificultad al colocar la llave de paso y la manguera, por lo cual se tuvo que mandar a hacer un orificio en la tapa para la retención y extracción del gas metano.

Pregunta de Investigación

¿Cómo construir un biodigestor para la recolección de gas metano?

Planteamiento del Problema

Actualmente la contaminación es un problema que nos afecta a todos en nuestras vidas cotidianas. En el Estado de México, este problema se ha generado debido al exceso de fábricas y al mal cuidado del ambiente, pues la población normalmente deja sus desechos en las calles. Es por eso que hay que llevar a cabo medidas para su prevención y reducción. Muchas empresas exitosas del extranjero se han puesto en acción para evitar esta situación, tal es el caso de Ciel, ya que en los últimos años esta empresa se ha encargado de reciclar sus botellas de plástico con el fin de hacer bancas para parques descuidados. El problema es que estas empresas sólo se encargan del residuo plástico, y los desechos orgánicos no son tratados, esto provoca que cuando estos se descompongan generen gas metano, lo que contribuye a la contaminación ambiental.

Antecedentes

México cuenta con una gran cantidad de unidades productivas (en particular granjas de cerdos y establos lecheros) que generan desechos orgánicos estos representan una condición desfavorable para el medio ambiente, causando un grave problema de contaminación y salud pública. Sin embargo, actualmente se ha visto una gran oportunidad para su aprovechamiento como una fuente de energía renovable, por el uso de las excretas para la producción de biogás, que puede ser utilizado para generar energía eléctrica y/o térmica.

En los últimos años muchas unidades han incorporado sistemas de biodigestión dentro de sus procesos productivos, el fin concreto de la instalación de ésta tecnología fue en un principio la comercialización de Bonos de Carbono, por la reducción de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI).

En la actualidad se han visualizado una diversidad de usos y aplicaciones de estos sistemas, tales como la reducción de contaminantes en las descargas de aguas residuales de las unidades pecuarias y la generación de energía eléctrica.

Ante este escenario, y al observar el potencial que aun existe para la incorporación de estos sistemas en las unidades pecuarias, se hace relevante el conocer la situación actual de los sistemas de biodigestión instalados a nivel nacional, para que en base en estas experiencias, en un futuro los proyectos a desarrollarse en este ámbito brinden seguridad en cuanto a la operación eficiente de los sistemas.

El término biomasa se refiere entonces a cualquier tipo de materia orgánica que tiene su origen en un proceso biológico, siendo ejemplo de esta biomasa la madera, los desechos agrícolas y el estiércol animal; la biomasa puede convertirse en energía a través de dos procesos, el bioquímico, en el cual se ubica la tecnología del biogás, y el termoquímico [Posso 2002]. La biomasa se clasifica de acuerdo con las siguientes categorías [Posso 5 2002]: natural, que corresponde a la que se produce espontáneamente en la naturaleza, como bosques, matorrales, hierbazales, entre otros; residual, obtenida de las actividades agrícolas, ganaderas y forestales, como los estiércoles que son usados como materia prima para la producción del biogás; y de plantaciones energéticas, que corresponde a cultivos energéticos, es decir plantaciones que están dedicadas a la producción de un combustible, como la caña de azúcar, el maíz, especies de palma, entre otros [FAO 2008]. Una forma inmediata de aprovechar el recurso biomásico, es a partir de la fermentación anaeróbica, proceso denominado digestión anaeróbica, en el cual se convierte la compleja materia orgánica en metano (CH4) y otros gases, y cuya producción depende de la cantidad y del tipo de materia adicionada al sistema, así como las condiciones psicométricas del aire en el interior del sistema; se ha podido establecer que usando materia altamente biodegradable se obtiene 0.5 m3 de gas por Kg de masa, con un 70% de Metano [Guzmán 2008]. Las bacterias fermentan el material orgánico en ausencia de aire (es decir, fermentación anaeróbica) y producen biogás; este material de fermentación está constituido por sustancias sólidas orgánicas, inorgánicas y agua (el cual incrementa la fluidez del material de fermentación, característica importante para el funcionamiento de una planta de biogás), y su componente inorgánico no sufre modificación alguna durante el proceso de fermentación [Guevara 1996]. El biogás que generalmente se produce, es un gas incoloro, inflamable, y contiene 60% de metano y 40% de dióxido de carbono, con aportes menores de Nitrógeno, Hidrógeno, y gas sulfhídrico; su poder calorífico es de 4400 Kcal/m3 [Guzmán 2008]. El proceso de fermentación se compone de tres fases principales [Guevara 1996; Ramón et al. 2006]: una primera fase, de hidrólisis, donde las bacterias fermentativas o acidogénicas hidrolizan los polímeros y las convierten a través de la fermentación en ácidos orgánicos solubles; una segunda fase, de acidificación, donde las bacterias acetogénicas causan una metabolización de los complicados ácidos orgánicos en acetatos (CH3COOH), dihidrógenos (H2) y carbodióxidos (CO2); y una tercera fase, de metanización, donde las proteínas, hidratos de carbono y grasa, los aminoácidos, alcoholes y ácidos grasos que se formaron en las fases anteriores, se convierten en metano, bióxido de carbono y amoníaco. En la última fase el material de fermentación se vuelve más líquido. Diversos factores influyen en el funcionamiento del biodigestor, los cuales son descritos a continuación [Guevara 1996; Hilbert 2003]: • Temperatura y tiempo de retención: el rango de temperatura y el periodo de retención dentro del biodigestor, clasifican la fermentación de la siguiente manera [Alcayaga et al. 1999]: 6 o Fermentación psicrofílica, para un rango de temperatura entre 10 y 20ºC y más de 100 días de retención. o Fermentación mesofílica, para un rango de temperatura entre 20 y 35ºC y aproximadamente 30 a 40 días de rentención. o Fermentación termofílica, para un rango de temperatura entre 50 y 60ºC y más de 8 días de retención. Este tipo de fermentación no es apropiada para plantas sencillas. • Relación C/N: Los materiales de fermentación están compuestos en su mayor parte por carbono (C) y también contienen nitrógeno (N), entonces se establece la relación entre ellos (C/N), la cual influye sobre la producción de gas [Alcayaga et al. 1999]. Una relación de 20:1 hasta 30:1 es aceptable [Alcayaga et al. 1999], aunque el valor ideal es de 16 [Corace et al. 2006]; mezclas de materiales de fermentación con alto contenido de nitrógeno (como por ejemplo, el estiércol de gallina) con material de fermentación con alto contenido de carbono (como el tamo de arroz) generan una elevada producción de gas [Alcayaga et al. 1999]. La tabla 1, muestra las relaciones C/N para varios productos residuales [Guevara 1996; Corace et al. 2006]: Tabla 1. Relaciones C/N de varios productos residuales [Guevara 1996; Corace et al. 2006]. Sustancia Relación C/N Orina 0.80 Estiércol equino 25 Estiércol vacuno 18 Alfalfa 16-20 Algas marinas 19 Aserrín 511 Basura 25 Cáscaras de papa 25 Paja seca de trigo 87 Paja seca de arroz 67 Tallo del maíz 53 Hojas secas 41 Estiércol de aves 32 Pasto 27 Estiércol ovino 29 Estiércol de cerdos 13 Excretas frescas humanas 2.90 Para conseguir un buen rendimiento de gas en forma constante durante la fermentación, se deben combinar proporciones adecuadas de materiales con bajo y alto rendimientos y diferentes velocidades de generación; la relación C/N de la combinación puede ser calculada como [Guevara 1996]: Donde, K es la relación C/N de la combinación de materias escogidas para la carga, N es el porcentaje de nitrógeno de la materia i, C es el porcentaje de Carbono de la materia i, y X es el peso de la materia i. • Niveles de amoniaco: Este parámetro es importante cuando se utilizan determinados materiales que contienen un alto porcentaje, como es el caso de los estiércoles de aves [Álvarez et al., sf]. Se recomienda que los niveles dentro de los digestores se mantengan por debajo de los 2000 mg/l, para lo cual se aumentan las diluciones de entrada del material [Álvarez et al., sf]. • pH: Está en función de la concentración de CO2 en el gas, de la concentración de ácidos volátiles y de la propia alcalinidad de la materia prima [GTZ-CVCOEKOTOP 1987]. Las bacterias responsables del mecanismo de producción de biogás son altamente sensibles a cambios en el pH, oscilando entre 6 y 8 (es deseable un valor entre 7 y 7.2) [GTZ-CVC-OEKOTOP 1987]. El pH del lodo de fermentación indica si el proceso de fermentación transcurre sin problemas, y su medición indica el comportamiento de la carga de fermentación dentro del digestor, para la producción de biogás, como es mostrado en la tabla 2 [GTZ-CVCOEKOTOP 1987]. Tabla 2. Comportamiento de la carga de fermentación dentro del biodigestor, de acuerdo con el valor del pH [GTZ-CVC-OEKOTOP 1987]. pH Comportamiento 7 – 7.2 Óptimo 6.2 Retarda la acidificación 7.6 Retarda la amonización • Contenido de agua de la mezcla: Las bacterias y otros microorganismos no pueden funcionar efectivamente cuando el contenido de agua de la mezcla es demasiado bajo, y la cantidad de biogás producido será pequeña [Álvarez et al., sf]. Cuando la mezcla es demasiado diluida, se puede digerir relativamente poca materia orgánica y la producción del biogás es limitada [Álvarez et al., sf]. El uso primordialmente de excreta humana y orines, estiércol, y desechos de agricultura, como alimento para el digestor, deberá conllevar a una razón de biomasa a agua entre 1:1 y 1:2; y por cada 100 Kg de heces y orina, se requerirán entre 100 y 200 litros de agua [Álvarez et al., sf]. Cuando el material de alimento consta principalmente de residuos vegetales, se requiere más agua, en una razón de 1:3 o 1: 4 [Álvarez et al., sf]. La actividad de mezclar, debe realizarse en forma adecuada y uniforme en el tanque del digestor para promover una digestión efectiva, especialmente si se utiliza biomasa cruda con alto contenido leñoso [Álvarez et al., sf]. 8 • Materiales orgánicos: Las actividades pecuarias y agrícolas, producen materiales orgánicos que pueden ser tratados mediante el proceso anaeróbico [Acevedo 2006], como se muestra en la tabla 3 [Botero & Preston 1986; Vargas 1992; Ramón et al. 2006]. Otros materiales orgánicos de origen animal también pueden emplearse como sustrato para la obtención de biogás y bioabono [Álvarez et al., sf; Torres & Follari, sf], cuyas características se muestran en la tabla 4 [Vargas 1992]. Los residuos vegetales [Álvarez et al., sf], Tabla 5, como paja, pasto y desechos de verdura, pueden fermentarse anaeróbicamente debiendo previamente triturarse para evitar la formación de capa flotante y dar un tratamiento especial en plantas donde se hace una sola carga hasta que el material se descompone [Vargas 1992; Ramón et al. 2006].

HISTORIA DE LOS BIODIGESTORES:

Fue en el siglo XVIII cuando se detecto la presencia de gas metano en la descomposición del biogás, y  posteriormente en el siglo XIX experimentos aislados dirigidos por L. Pasteur  demostraron la factibilidad de aprovechar la capacidad de combustión del metano con fines energéticos.

A fines del siglo XIX y durante las primeras décadas de nuestro siglo en varias ciudades de Europa, India y Estados Unidos se instalaron plantas para el tratamiento de aguas negras, en donde los sedimentos de alcantarillado eran sometidos a digestión anaeróbica. El gas producido se utilizo para el alumbrado público o como parte del combustible necesario para operar la planta.

Durante e inmediatamente después de la segunda guerra mundial, la crisis de combustibles hizo que las investigaciones en esta área aumentaran, forzando el desarrollo a pequeña y gran escala,  entonces en varios países europeos se desarrollaron y difundieron plantas  para la obtención del biogás en el medio rural, con el fin de hacer funcionar tractores y automóviles, debido a la escasez de combustibles fósiles como el petróleo.

Durante la década de 1950, en Asia y particularmente en la India, se desarrollan modelos simples de cámaras de fermentación más conocidos como biodigestores, para la producción de Biogás y Bioabono apropiados para hogares aldeanos y alimentados con estiércol y desechos vegetales.

En China, India y Sudáfrica, debido a la escasez de recursos económicos estos métodos fueron difundiéndose y desarrollándose de tal manera que hoy en la actualidad estos países cuentan con más de 30 millones de Biodigestores funcionando, además desarrollaron técnicas de generación gaseosa a pequeña y gran escala.

Según el informe de la FAO de 2006, el 18% de las emisiones de efecto invernadero provienen de los desechos del ganado. El gas metano que emite el excremento de vaca es 23 veces más dañino para la atmósfera que el CO2. Este proceso es una reacción química llamada fermentacion anaeróbica, en la cual las bacterias metanogénicas digieren la materia orgánica y se estima que anualmente la actividad microbiológica libera a la atmósfera entre 590 y 880 millones de toneladas de metano (CH4).1 Antecedentes: La universidad de York (2012), a través del grupo de educación científica y la fundación Ellen-McArthur se encargaron de estudiar la posibilidad de instalar estos biodigestores caseros dentro de las viviendas en Reino Unido, como parte de un proyecto de investigación en campo y estudio de caso. Según la empresa londinense Willen biogas, a principios de 2012 más de 50,000 ton. de material orgánico fueron desviadas para producción de gas, electricidad o fertilizantes. De esta manera, se pueden reducir las emisiones de efecto invernadero, reciclando y contribuyendo a proporcionar energías más económicas a la sociedad.

El biogás es una mezcla conformada principalmente por CH4 (50%-70%) y CO2 (25%-40%), que se genera por el proceso biológico de biodigestión anaerobia, que consta de una serie de reacciones bioquímicas en la que residuos orgánicos son degradados o consumidos por un conjunto de microorganismos.

  • La acción de los microorganismos produce calor, mismo que se usa para mantener el proceso en su temperatura ideal (35 C). En el proceso también se generan efluentes líquidos y sólidos que pueden ser utilizados como fertilizante orgánico.

TECNOLOGÍAS

Biodigestores para sustratos agropecuarios:

  • Son depósitos donde se lleva a cabo la biodigestión de biomasa en ausencia de oxígeno. Las materias primas son: excrementos (purín y estiércol) de cerdo y de res, residuos de las cosechas, lodos de estaciones depuradoras de agua, entre otros. Los digestores varían su tamaño en un rango desde 1 a 10 m3 para pequeñas granjas hasta más de 1,000 m3 para grandes instalaciones (Boyle et al., 2004).
  • También existen biodigestores lagunares, que se utilizan ampliamente en granjas. En un digestor bien manejado se pueden producir de 200 a 400 m3 de biogás por tonelada de materia fresca (tMF), aunque este valor varía mucho de acuerdo con la naturaleza de la materia prima digerida. En Europa se ha probado con múltiples desechos en el mismo digestor (codigestión). La unidad que se utiliza comúnmente es la “unidad ganadera”, que equivale a 500 kg de peso vivo del animal y permite comparar los rendimientos de biogás de distintos tipos de animales. Una unidad ganadera produce entre 400 y 500 m3 de biogás al año.

Rellenos sanitarios

  • En este caso el biodigestor es el relleno en sí, donde la extracción del biogás se lleva a cabo mediante la perforación de pozos verticales. El biogás es conducido mediante una red superficial de tuberías.
  • La digestión es más lenta que en los biodigestores agropecuarios y pueden requerirse semanas o hasta años para su degradación completa. Los rendimientos (en toda la vida del relleno) varían de acuerdo a la composición de los desechos, pero teóricamente está en el rango de 150-300 m3 de biogás/t de desecho (Boyle et al., 2004). El gas generado se utiliza para la producción de electricidad por medio de motores de combustión interna y con turbinas de gas.

Modelos BIODIGESTORES

Se pueden distinguir tres tipos de modelos según el tipo de alimentación:

CONTINUO:

  • Son cargados y vaciados frecuentemente. Se vacían automáticamente cuando el material cargado ha sido digerido y posteriormente es rellenado con nuevo material. Estas plantas son adecuadas para hogares rurales, donde se necesita disponibilidad de materia prima y una rutina diaria para recargarlos. La producción de gas es constante y mayor que en las plantas discontinuas. Actualmente, casi todas las plantas de biogás industriales o de grandes producciones operan de modo continuo.

SEMICONTINUO:

  • Son utilizados para operar dos materias primas con diferentes tiempos de digestión, por ejemplo, estiércol y paja. La paja se digiere lentamente y es alimentada en el digestor pocas veces al año, como es el caso de una planta discontinua, mientras que el estiércol es agregado y removido frecuentemente, como en el caso del digestor continuo.

DISCONTINUO:

  • Se llenan y vacían por completo después de un tiempo de retención fija, calculado en función del tipo de materia prima y su capacidad de producción de gas (cuando el material cargado ya no genera biogás, entonces se rellena nuevamente). Se usa cuando la disponibilidad de materia orgánica es limitada o intermitente. La desventaja respecto al tipo de planta continuo es que la producción de gas es intermitente.

Problemas y Soluciones

La biodigestión es una alternativa para disminuir o eliminar flujos de materia orgánica proveniente de establos, granjas y residencias humanas hacia los cuerpos de agua, evitando problemas sanitarios y de contaminación. También representa oportunidades de ahorro económico para los productores agropecuarios, ya que se pueden utilizar los efluentes sólidos y líquidos de la digestión como fertilizantes. Si el biogás se utiliza como energético, se generan calor y electricidad evitando el uso de combustibles fósiles y los costos correspondientes. Además crea empleos, ya que se estima que por cada TWh se generan 560 puestos de trabajo (Lovrencec, 2010).

  • El uso de biogás en cogeneración mitiga emisiones de GEI en comparación con las referencias fósiles. Para la generación eléctrica mitiga 80% de las del carbón y 20% del gas natural; para la generación de calor mitiga 60% con respecto al gas natural y 40% con el petróleo (Schubert et al., 2009).El costo de generación de electricidad con biogás a partir de residuos agropecuarios se encuentra en el rango de 252-396 USD/kWh (Chum et al., 2011). Situación mundial Las mayores aplicaciones del biogás se han dado en China, India y Europa. China desarrolló un programa que inició en los años setenta con un resultado de más de 7 millones de digestores, aunque sufrió de varias fallas (Boyle et al., 2004). Una iniciativa posterior con mejor tecnología e infraestructura logró la instalación y operación exitosa de 5 millones de biodigestores domésticos hasta mediados de los años noventa. En India se instalaron 2.8 millones de biodigestores y se identificó un potencial para instalar 12 millones más (Boyle et al., 2004). En Europa en 2010 se tenía una capacidad instalada de 2,300 MWel en plantas de biogás, mismo que se espera aumente en 1,700 MWel en los próximos cinco años (Ecoprog/Fraunhofer UMSICHT, 2010).
  • Situación en México La SENER considera que existe un potencial de 3,000 MW para generación de energía eléctrica con biogás proveniente de la recuperación y aprovechamiento del metano a partir de residuos animales, residuos sólidos urbanos (RSU) y tratamiento de aguas negras (SENER, 2010). En 2010 existían en México, 721 biodigestores, de los cuales 367 en operación y 354 en construcción (FIRCO, 2011). De éstos, 563 biodigestores son financiados bajo el esquema del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL), 154 con apoyo del Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) y 4 biodigestores a través de la Iniciativa Metano a Mercados. El 8% de las granjas porcícolas cuentan con biodigestores, de los cuales el 20% dispone de motogeneradores con 70% en funcionamiento. La potencia total instalada es de 5.7 MWel. Para el aprovechamiento de biogás obtenido a partir de rellenos sanitarios, una de las experiencias más importantes en México es la de Bioenergía de Nuevo León, la primera a nivel nacional. El sistema está compuesto de 7 motogeneradores de 1 MW cada uno. La planta fue diseñada de manera modular para permitir futuras adiciones de capacidad.

2003 – 2006 Proyectos de aprovechamiento de biogás con MDL, por empresas que comercializan “Bonos de Carbono”. Inversión y riesgo por parte de las empresas, a cambio del 80% de los Bonos de Carbono. Más de 500 proyectos MDL desarrollados en todo el país. ANTECEDENTES 2006 – a la fecha Proyectos Piloto (FIRCO) con generadores eléctricos accionados con Biogás. Efecto multiplicador (150 moto-generadores). La CGG apoyó a 71 granjas porcinas. Proyecto Desarrollo Rural Sustentable (BM), que incluye utilización de las excretas animales. IMPORTANCIA DE LOS BIODIGESTORES DENTRO DELSECTOR AGROPECUARIO Son técnica y económicamente viables; tecnología nacional. Gran potencial para producir electricidad y calor. Pueden ser implementados en cualquier región del país a partir de excretas y desechos agrícolas. Existen regiones con mayor potencial para su construcción. Coadyuvan a resolver problemas sanitarios, de transmisión de enfermedades, olores y contaminación en general. TECNOLOGIA PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Biogás: Resultado de la biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas. Fuentes en el Sector: – Excretas en ganadería intensiva. – Desechos agrícolas. Según las condiciones prevalecientes, se han desarrollado diversos modelos de biodigestores.

El metano (CH4) al ser un compuesto orgánico que se integra por los elementos de hidrógeno y carbono forma parte de los hidrocarburos, estos se dividen en dos clases principales que son los alifáticos y aromáticos. Los primeros se subdividen en familias: alcanos, alquenos, alquinos y sus análogos cíclicos (ciclo alcanos, etc.). Dentro de los alcanos se encuentra el metano, siendo incluso el hidrocarburo más simple. Clasificación del metano dentro de los hidrocarburos. Hidrocarburos Alifáticos Aromáticos Alcanos Alquenos Alquinos Alifáticos cíclicos Metano El metano es incoloro y, en estado líquido menos denso que el agua (densidad relativa 0.4). Es apenas soluble en agua, pero muy soluble en líquidos orgánicos, como gasolina, éter y alcohol, además de presentar un punto de ebullición a -161.5ºC, por esta misma razón es gaseoso a temperatura ambiente. El metano es un producto final de la putrefacción de los organismos como plantas y animales, es decir, de la descomposición de ciertas moléculas más complejas. Como tal, es el principal constituyente del gas natural hasta un 97%. Por sus propiedades químicas y físicas, el metano típicamente sólo reacciona con sustancias muy reactivas o en condiciones muy vigorosas. Dentro de las principales reacciones que se pueden llevar a cabo con el metano se encuentra la oxidación (combustión), la cual se puede llevar a cabo en presencia de oxígeno, halógenos e, incluso agua, [15]. Dentro de la combustión del metano se da como resultado dióxido de carbono y agua, lo cual es algo muy característico de los compuestos orgánicos. La combustión del metano es muy exotérmica, siendo este hecho de gran importancia ya que lo convierte en una importante fuente de energía. Dentro de este tipo de reacciones cabe señalar que el producto importante no es el dióxido de carbono y agua, sino el calor. La combustión de hidrocarburos sólo se efectúa a temperaturas elevadas, como las que proporcionan una llama o una chispa. Sin embargo, una vez iniciada la reacción desprende calor, que a menudo es suficiente para mantener la alta temperatura y permitir que la combustión continúe. La cantidad de calor que se genera al quemar un mol de un hidrocarburo a dióxido de carbono y agua se llama calor de combustión; para el metano es 213 Kcal. 22 El metano también es un gas de efecto invernadero ya que al entrar en la atmósfera junto con otros gases impide la salida de la radiación infrarroja provocando un sobrecalentamiento de la superficie terrestre, sin embargo la destrucción de este gas se lleva a cabo de manera natural por los radicales OH presentes en el aire y por el oxígeno (O2). La reacción con este último se resume así: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. Esta destrucción es relativamente rápida, de tal manera que la vida media del metano atmosférico es de tan sólo unos 12 años. La evolución de la concentración atmosférica de metano depende por eso no sólo de las fuentes, sino también de la mayor o menor presencia de estos radicales en el aire. El metano se encuentra distribuido aunque en diferentes concentraciones por toda la atmósfera de nuestro planeta.

Objetivo

Construir un biodigestor capaz de recolectar gas metano a partir de la putrefacción de residuos orgánicos.

Justificación

La contaminación hoy en día es un problema muy grave que afecta a toda la población de manera directa en su vida cotidiana. La contaminación se da debido al exceso de producción de basura o residuos orgánicos e inorgánicos, los cuales al pudrirse generan gas metano, que contamina a la atmósfera, lo que a su vez produce un olor desagradable para los habitantes. El área metropolitana cuenta con diversos sistemas para evitar la contaminación; estos son: reciclaje, separación de basura (orgánicos e inorgánicos), y comienza con el uso de energías renovables. Existen distintos centros de reciclaje, las cuales prometen ayudar al ambiente, sin embargo, estos sólo funcionan con el PET, mientras que la basura restante no tiene un seguimiento adecuado, por lo que genera mucha contaminación hacia el ambiente a través del gas que los residuos orgánicos generan con su putrefacción. El gas metano tiene ciertas desventajas, las cuales son; si se llega a liberar al ambiente genera un alto nivel de contaminación de manera directa a la atmósfera, aunque el daño no es tanto como cuando otro tipo de gas se libera; cuando el gas metano se mezcla con otros gases químicos, en especial el ácido sulfhídrico y el nitrógeno se vuelve muy volátil y tóxico para el ser humano. En contraste, algunas ventajas de este gas son la generación de energía, también se puede utilizar  en la cocina, para encender la estufa, para calentar el agua de la ducha, y además que al utilizar  el gas metano en actividades de la vida cotidiana se reduce el nivel de contaminación considerablemente.

Hipótesis

Si construimos un biodigestor capaz de recolectar el gas metano de los residuos orgánicos, entonces podremos evitar la contaminación de esa putrefacción y generar energía 100% limpia.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales.

  •         Recipiente de acrílico 60×35 cm
  •         1 m de manguera
  •         Llave de paso
  •         Residuos orgánicos
  •         Tapa hermética
  •         Silicón caliente
  •         Encendedor
  •         Mechero Bunsen
  •         1 L de agua

Procedimiento.

  1.    Llenar el biodigestor hasta los ¾ de su capacidad con mezcla orgánica y agua.
  2.    Luego del llenado no se adicionará más mezcla hasta que haya comenzado bien la producción de metano y luego mantenido por varios días (20 días).

3.    Posterior a que esto ocurra se adicionará diariamente la carga que calculó para el biodigestor en concreto (¾  de capacidad).

Galería Método

Resultados

Al terminar de armar el biodigestor pudimos comprobar que a las pocas horas de introducir los residuos, se generaba gas metano en pequeñas cantidades. La cantidad de gas obtenida variará dependiendo la cantidad de residuos depositados y el tiempo que se haya dejado reposar. Con el gas recolectado se logró encender la llama de una estufa a pequeña escala, con lo que pudimos verificar su utilidad.

Galería Resultados

Discusión

Lo que no se consideró al inicio del proyecto fue la dificultad al colocar la llave de paso y la manguera, por lo cual se tuvo que mandar a hacer un orificio en la tapa para la retención y extracción del gas metano. Desafortunadamente la generación del gas metano es más tardado debido al tipo de residuos que se le pongan, generando que el procedimiento sea retrasado mínimamente, sin embargo, tendrá la misma eficiencia.

Conclusiones

Al terminar este proyecto pudimos comprobar que el uso de este gas en comunidades de escasos recursos puede ser una alternativa mucho más barata y limpia en comparación con otros servicios o productos como el gas L.P. o incluso el gas natural. Se le pudo dar el uso establecido inicialmente, el cual era poder encender una estufa, que en contraste al gas natural o L.P. este es 100% orgánico, y que además en el campo ésta generación es interminable por la producción de residuos del ganado.

Bibliografía

  • BioDigestor, Blogger, disponible en: http://infodigestor.blogspot.com/2014/06/historia-de-los-biodigestores.html, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Reciclaje de materia orgánica para la producción de biogas en comunidades de bajos recursos, British Counsil, disponible en: https://www.britishcouncil.org.mx/sites/default/files/segundo_lugar.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Biogás, Red mexicana de bioenergía, disponible en: http://rembio.org.mx/areas-tematicas/biogas/, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Uso de biogas en el sector agropecuario de México y opciones de financiamiento, Secretaría de agricultura, ganadería, desarrollo rural, pesca y alimentación, disponible en: https://www.globalmethane.org/documents/events_ag_20080423_rodrigo_diez_de_sollano.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Biogás, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Disponible en: https://repository.uaeh.edu.mx/bitstream/bitstream/handle/123456789/10722biodigestore.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Características del biogás, capítulo 2, disponible en: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20922/capitulo2.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Fundamentos para el diseño de biodigestores ,Módulo para la asignatura de construcciones agrícolas, disponible en: http://www.bdigital.unal.edu.co/7967/4/luisoctaviogonzalezsalcedo.20121.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.


pj─136─ma Generación de gas metano a base de residuos orgánicos.

Summary

In the state of México, the pollution has been generated due to the excess of factories and the bad care of the environment, because the population usually leaves their wastes in the streets.  The metropolitan area has various systems to avoid pollution such as recycling and garbage separation. There are different recycling centers, which promise to help the environment, however, these only work with PET, while the remaining garbage does not have adequate tracking, so it generates a lot of pollution to the environment through the gas that Organic waste generates with its rot.Methane gas has certain disadvantages, because if you get to release the environment generates a high level of pollution directly to the atmosphere, although the damage is not as much as when another type of gas is released.  In contrast, one of its advantages is that it generates energy, and when used in daily activities reduces the level of pollution considerably. At the end of assembling the biodigestor we could see that, within a few hours of introducing the waste, methane gas was generated in small quantities. The amount of gas obtained will vary depending on the amount of waste deposited and the time left to rest. What was not considered at the beginning of the project was the difficulty in placing the stopcock and the hose, so it had to  make a hole in the lid for the retention and extraction of methane gas.

Research Question

How to build a biodigester for the collection of gas methane?

Problem approach

Nowadays pollution is a problem that affects us all in our daily life. In the state of México, this problem has been generated due to the excess of factories and to the bad care of the environment, because the population usually leave their wastes on the streets. That is why it is necessary to carry out measures for its prevention and reduction. Many successful companies from abroad have been put in action to avoid this situation, such is the case of Ciel, since in recent years this company has been commissioned to recycle its plastic bottles in order to make benches for neglected parks. The problem in these companies is that they only take care of the plastic waste, and the organic waste are not treated, this causes that when they decompose generate methane gas, which contributes to environmental pollution.

Background

México cuenta con una gran cantidad de unidades productivas (en particular granjas de cerdos y establos lecheros) que generan desechos orgánicos estos representan una condición desfavorable para el medio ambiente, causando un grave problema de contaminación y salud pública. Sin embargo, actualmente se ha visto una gran oportunidad para su aprovechamiento como una fuente de energía renovable, por el uso de las excretas para la producción de biogás, que puede ser utilizado para generar energía eléctrica y/o térmica.

En los últimos años muchas unidades han incorporado sistemas de biodigestión dentro de sus procesos productivos, el fin concreto de la instalación de ésta tecnología fue en un principio la comercialización de Bonos de Carbono, por la reducción de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI).

En la actualidad se han visualizado una diversidad de usos y aplicaciones de estos sistemas, tales como la reducción de contaminantes en las descargas de aguas residuales de las unidades pecuarias y la generación de energía eléctrica.

Ante este escenario, y al observar el potencial que aun existe para la incorporación de estos sistemas en las unidades pecuarias, se hace relevante el conocer la situación actual de los sistemas de biodigestión instalados a nivel nacional, para que en base en estas experiencias, en un futuro los proyectos a desarrollarse en este ámbito brinden seguridad en cuanto a la operación eficiente de los sistemas.

El término biomasa se refiere entonces a cualquier tipo de materia orgánica que tiene su origen en un proceso biológico, siendo ejemplo de esta biomasa la madera, los desechos agrícolas y el estiércol animal; la biomasa puede convertirse en energía a través de dos procesos, el bioquímico, en el cual se ubica la tecnología del biogás, y el termoquímico [Posso 2002]. La biomasa se clasifica de acuerdo con las siguientes categorías [Posso 5 2002]: natural, que corresponde a la que se produce espontáneamente en la naturaleza, como bosques, matorrales, hierbazales, entre otros; residual, obtenida de las actividades agrícolas, ganaderas y forestales, como los estiércoles que son usados como materia prima para la producción del biogás; y de plantaciones energéticas, que corresponde a cultivos energéticos, es decir plantaciones que están dedicadas a la producción de un combustible, como la caña de azúcar, el maíz, especies de palma, entre otros [FAO 2008]. Una forma inmediata de aprovechar el recurso biomásico, es a partir de la fermentación anaeróbica, proceso denominado digestión anaeróbica, en el cual se convierte la compleja materia orgánica en metano (CH4) y otros gases, y cuya producción depende de la cantidad y del tipo de materia adicionada al sistema, así como las condiciones psicométricas del aire en el interior del sistema; se ha podido establecer que usando materia altamente biodegradable se obtiene 0.5 m3 de gas por Kg de masa, con un 70% de Metano [Guzmán 2008]. Las bacterias fermentan el material orgánico en ausencia de aire (es decir, fermentación anaeróbica) y producen biogás; este material de fermentación está constituido por sustancias sólidas orgánicas, inorgánicas y agua (el cual incrementa la fluidez del material de fermentación, característica importante para el funcionamiento de una planta de biogás), y su componente inorgánico no sufre modificación alguna durante el proceso de fermentación [Guevara 1996]. El biogás que generalmente se produce, es un gas incoloro, inflamable, y contiene 60% de metano y 40% de dióxido de carbono, con aportes menores de Nitrógeno, Hidrógeno, y gas sulfhídrico; su poder calorífico es de 4400 Kcal/m3 [Guzmán 2008]. El proceso de fermentación se compone de tres fases principales [Guevara 1996; Ramón et al. 2006]: una primera fase, de hidrólisis, donde las bacterias fermentativas o acidogénicas hidrolizan los polímeros y las convierten a través de la fermentación en ácidos orgánicos solubles; una segunda fase, de acidificación, donde las bacterias acetogénicas causan una metabolización de los complicados ácidos orgánicos en acetatos (CH3COOH), dihidrógenos (H2) y carbodióxidos (CO2); y una tercera fase, de metanización, donde las proteínas, hidratos de carbono y grasa, los aminoácidos, alcoholes y ácidos grasos que se formaron en las fases anteriores, se convierten en metano, bióxido de carbono y amoníaco. En la última fase el material de fermentación se vuelve más líquido. Diversos factores influyen en el funcionamiento del biodigestor, los cuales son descritos a continuación [Guevara 1996; Hilbert 2003]: • Temperatura y tiempo de retención: el rango de temperatura y el periodo de retención dentro del biodigestor, clasifican la fermentación de la siguiente manera [Alcayaga et al. 1999]: 6 o Fermentación psicrofílica, para un rango de temperatura entre 10 y 20ºC y más de 100 días de retención. o Fermentación mesofílica, para un rango de temperatura entre 20 y 35ºC y aproximadamente 30 a 40 días de rentención. o Fermentación termofílica, para un rango de temperatura entre 50 y 60ºC y más de 8 días de retención. Este tipo de fermentación no es apropiada para plantas sencillas. • Relación C/N: Los materiales de fermentación están compuestos en su mayor parte por carbono (C) y también contienen nitrógeno (N), entonces se establece la relación entre ellos (C/N), la cual influye sobre la producción de gas [Alcayaga et al. 1999]. Una relación de 20:1 hasta 30:1 es aceptable [Alcayaga et al. 1999], aunque el valor ideal es de 16 [Corace et al. 2006]; mezclas de materiales de fermentación con alto contenido de nitrógeno (como por ejemplo, el estiércol de gallina) con material de fermentación con alto contenido de carbono (como el tamo de arroz) generan una elevada producción de gas [Alcayaga et al. 1999]. La tabla 1, muestra las relaciones C/N para varios productos residuales [Guevara 1996; Corace et al. 2006]: Tabla 1. Relaciones C/N de varios productos residuales [Guevara 1996; Corace et al. 2006]. Sustancia Relación C/N Orina 0.80 Estiércol equino 25 Estiércol vacuno 18 Alfalfa 16-20 Algas marinas 19 Aserrín 511 Basura 25 Cáscaras de papa 25 Paja seca de trigo 87 Paja seca de arroz 67 Tallo del maíz 53 Hojas secas 41 Estiércol de aves 32 Pasto 27 Estiércol ovino 29 Estiércol de cerdos 13 Excretas frescas humanas 2.90 Para conseguir un buen rendimiento de gas en forma constante durante la fermentación, se deben combinar proporciones adecuadas de materiales con bajo y alto rendimientos y diferentes velocidades de generación; la relación C/N de la combinación puede ser calculada como [Guevara 1996]: Donde, K es la relación C/N de la combinación de materias escogidas para la carga, N es el porcentaje de nitrógeno de la materia i, C es el porcentaje de Carbono de la materia i, y X es el peso de la materia i. • Niveles de amoniaco: Este parámetro es importante cuando se utilizan determinados materiales que contienen un alto porcentaje, como es el caso de los estiércoles de aves [Álvarez et al., sf]. Se recomienda que los niveles dentro de los digestores se mantengan por debajo de los 2000 mg/l, para lo cual se aumentan las diluciones de entrada del material [Álvarez et al., sf]. • pH: Está en función de la concentración de CO2 en el gas, de la concentración de ácidos volátiles y de la propia alcalinidad de la materia prima [GTZ-CVCOEKOTOP 1987]. Las bacterias responsables del mecanismo de producción de biogás son altamente sensibles a cambios en el pH, oscilando entre 6 y 8 (es deseable un valor entre 7 y 7.2) [GTZ-CVC-OEKOTOP 1987]. El pH del lodo de fermentación indica si el proceso de fermentación transcurre sin problemas, y su medición indica el comportamiento de la carga de fermentación dentro del digestor, para la producción de biogás, como es mostrado en la tabla 2 [GTZ-CVCOEKOTOP 1987]. Tabla 2. Comportamiento de la carga de fermentación dentro del biodigestor, de acuerdo con el valor del pH [GTZ-CVC-OEKOTOP 1987]. pH Comportamiento 7 – 7.2 Óptimo 6.2 Retarda la acidificación 7.6 Retarda la amonización • Contenido de agua de la mezcla: Las bacterias y otros microorganismos no pueden funcionar efectivamente cuando el contenido de agua de la mezcla es demasiado bajo, y la cantidad de biogás producido será pequeña [Álvarez et al., sf]. Cuando la mezcla es demasiado diluida, se puede digerir relativamente poca materia orgánica y la producción del biogás es limitada [Álvarez et al., sf]. El uso primordialmente de excreta humana y orines, estiércol, y desechos de agricultura, como alimento para el digestor, deberá conllevar a una razón de biomasa a agua entre 1:1 y 1:2; y por cada 100 Kg de heces y orina, se requerirán entre 100 y 200 litros de agua [Álvarez et al., sf]. Cuando el material de alimento consta principalmente de residuos vegetales, se requiere más agua, en una razón de 1:3 o 1: 4 [Álvarez et al., sf]. La actividad de mezclar, debe realizarse en forma adecuada y uniforme en el tanque del digestor para promover una digestión efectiva, especialmente si se utiliza biomasa cruda con alto contenido leñoso [Álvarez et al., sf]. 8 • Materiales orgánicos: Las actividades pecuarias y agrícolas, producen materiales orgánicos que pueden ser tratados mediante el proceso anaeróbico [Acevedo 2006], como se muestra en la tabla 3 [Botero & Preston 1986; Vargas 1992; Ramón et al. 2006]. Otros materiales orgánicos de origen animal también pueden emplearse como sustrato para la obtención de biogás y bioabono [Álvarez et al., sf; Torres & Follari, sf], cuyas características se muestran en la tabla 4 [Vargas 1992]. Los residuos vegetales [Álvarez et al., sf], Tabla 5, como paja, pasto y desechos de verdura, pueden fermentarse anaeróbicamente debiendo previamente triturarse para evitar la formación de capa flotante y dar un tratamiento especial en plantas donde se hace una sola carga hasta que el material se descompone [Vargas 1992; Ramón et al. 2006].

HISTORIA DE LOS BIODIGESTORES:

Fue en el siglo XVIII cuando se detecto la presencia de gas metano en la descomposición del biogás, y  posteriormente en el siglo XIX experimentos aislados dirigidos por L. Pasteur  demostraron la factibilidad de aprovechar la capacidad de combustión del metano con fines energéticos.

A fines del siglo XIX y durante las primeras décadas de nuestro siglo en varias ciudades de Europa, India y Estados Unidos se instalaron plantas para el tratamiento de aguas negras, en donde los sedimentos de alcantarillado eran sometidos a digestión anaeróbica. El gas producido se utilizo para el alumbrado público o como parte del combustible necesario para operar la planta.

Durante e inmediatamente después de la segunda guerra mundial, la crisis de combustibles hizo que las investigaciones en esta área aumentaran, forzando el desarrollo a pequeña y gran escala,  entonces en varios países europeos se desarrollaron y difundieron plantas  para la obtención del biogás en el medio rural, con el fin de hacer funcionar tractores y automóviles, debido a la escasez de combustibles fósiles como el petróleo.

Durante la década de 1950, en Asia y particularmente en la India, se desarrollan modelos simples de cámaras de fermentación más conocidos como biodigestores, para la producción de Biogás y Bioabono apropiados para hogares aldeanos y alimentados con estiércol y desechos vegetales.

En China, India y Sudáfrica, debido a la escasez de recursos económicos estos métodos fueron difundiéndose y desarrollándose de tal manera que hoy en la actualidad estos países cuentan con más de 30 millones de Biodigestores funcionando, además desarrollaron técnicas de generación gaseosa a pequeña y gran escala.

Según el informe de la FAO de 2006, el 18% de las emisiones de efecto invernadero provienen de los desechos del ganado. El gas metano que emite el excremento de vaca es 23 veces más dañino para la atmósfera que el CO2. Este proceso es una reacción química llamada fermentacion anaeróbica, en la cual las bacterias metanogénicas digieren la materia orgánica y se estima que anualmente la actividad microbiológica libera a la atmósfera entre 590 y 880 millones de toneladas de metano (CH4).1 Antecedentes: La universidad de York (2012), a través del grupo de educación científica y la fundación Ellen-McArthur se encargaron de estudiar la posibilidad de instalar estos biodigestores caseros dentro de las viviendas en Reino Unido, como parte de un proyecto de investigación en campo y estudio de caso. Según la empresa londinense Willen biogas, a principios de 2012 más de 50,000 ton. de material orgánico fueron desviadas para producción de gas, electricidad o fertilizantes. De esta manera, se pueden reducir las emisiones de efecto invernadero, reciclando y contribuyendo a proporcionar energías más económicas a la sociedad.

El biogás es una mezcla conformada principalmente por CH4 (50%-70%) y CO2 (25%-40%), que se genera por el proceso biológico de biodigestión anaerobia, que consta de una serie de reacciones bioquímicas en la que residuos orgánicos son degradados o consumidos por un conjunto de microorganismos.

  • La acción de los microorganismos produce calor, mismo que se usa para mantener el proceso en su temperatura ideal (35 C). En el proceso también se generan efluentes líquidos y sólidos que pueden ser utilizados como fertilizante orgánico.

TECNOLOGÍAS

Biodigestores para sustratos agropecuarios:

  • Son depósitos donde se lleva a cabo la biodigestión de biomasa en ausencia de oxígeno. Las materias primas son: excrementos (purín y estiércol) de cerdo y de res, residuos de las cosechas, lodos de estaciones depuradoras de agua, entre otros. Los digestores varían su tamaño en un rango desde 1 a 10 m3 para pequeñas granjas hasta más de 1,000 m3 para grandes instalaciones (Boyle et al., 2004).
  • También existen biodigestores lagunares, que se utilizan ampliamente en granjas. En un digestor bien manejado se pueden producir de 200 a 400 m3 de biogás por tonelada de materia fresca (tMF), aunque este valor varía mucho de acuerdo con la naturaleza de la materia prima digerida. En Europa se ha probado con múltiples desechos en el mismo digestor (codigestión). La unidad que se utiliza comúnmente es la “unidad ganadera”, que equivale a 500 kg de peso vivo del animal y permite comparar los rendimientos de biogás de distintos tipos de animales. Una unidad ganadera produce entre 400 y 500 m3 de biogás al año.

Rellenos sanitarios

  • En este caso el biodigestor es el relleno en sí, donde la extracción del biogás se lleva a cabo mediante la perforación de pozos verticales. El biogás es conducido mediante una red superficial de tuberías.
  • La digestión es más lenta que en los biodigestores agropecuarios y pueden requerirse semanas o hasta años para su degradación completa. Los rendimientos (en toda la vida del relleno) varían de acuerdo a la composición de los desechos, pero teóricamente está en el rango de 150-300 m3 de biogás/t de desecho (Boyle et al., 2004). El gas generado se utiliza para la producción de electricidad por medio de motores de combustión interna y con turbinas de gas.

Modelos BIODIGESTORES

Se pueden distinguir tres tipos de modelos según el tipo de alimentación:

CONTINUO:

  • Son cargados y vaciados frecuentemente. Se vacían automáticamente cuando el material cargado ha sido digerido y posteriormente es rellenado con nuevo material. Estas plantas son adecuadas para hogares rurales, donde se necesita disponibilidad de materia prima y una rutina diaria para recargarlos. La producción de gas es constante y mayor que en las plantas discontinuas. Actualmente, casi todas las plantas de biogás industriales o de grandes producciones operan de modo continuo.

SEMICONTINUO:

  • Son utilizados para operar dos materias primas con diferentes tiempos de digestión, por ejemplo, estiércol y paja. La paja se digiere lentamente y es alimentada en el digestor pocas veces al año, como es el caso de una planta discontinua, mientras que el estiércol es agregado y removido frecuentemente, como en el caso del digestor continuo.

DISCONTINUO:

  • Se llenan y vacían por completo después de un tiempo de retención fija, calculado en función del tipo de materia prima y su capacidad de producción de gas (cuando el material cargado ya no genera biogás, entonces se rellena nuevamente). Se usa cuando la disponibilidad de materia orgánica es limitada o intermitente. La desventaja respecto al tipo de planta continuo es que la producción de gas es intermitente.

Problemas y Soluciones

La biodigestión es una alternativa para disminuir o eliminar flujos de materia orgánica proveniente de establos, granjas y residencias humanas hacia los cuerpos de agua, evitando problemas sanitarios y de contaminación. También representa oportunidades de ahorro económico para los productores agropecuarios, ya que se pueden utilizar los efluentes sólidos y líquidos de la digestión como fertilizantes. Si el biogás se utiliza como energético, se generan calor y electricidad evitando el uso de combustibles fósiles y los costos correspondientes. Además crea empleos, ya que se estima que por cada TWh se generan 560 puestos de trabajo (Lovrencec, 2010).

  • El uso de biogás en cogeneración mitiga emisiones de GEI en comparación con las referencias fósiles. Para la generación eléctrica mitiga 80% de las del carbón y 20% del gas natural; para la generación de calor mitiga 60% con respecto al gas natural y 40% con el petróleo (Schubert et al., 2009).El costo de generación de electricidad con biogás a partir de residuos agropecuarios se encuentra en el rango de 252-396 USD/kWh (Chum et al., 2011). Situación mundial Las mayores aplicaciones del biogás se han dado en China, India y Europa. China desarrolló un programa que inició en los años setenta con un resultado de más de 7 millones de digestores, aunque sufrió de varias fallas (Boyle et al., 2004). Una iniciativa posterior con mejor tecnología e infraestructura logró la instalación y operación exitosa de 5 millones de biodigestores domésticos hasta mediados de los años noventa. En India se instalaron 2.8 millones de biodigestores y se identificó un potencial para instalar 12 millones más (Boyle et al., 2004). En Europa en 2010 se tenía una capacidad instalada de 2,300 MWel en plantas de biogás, mismo que se espera aumente en 1,700 MWel en los próximos cinco años (Ecoprog/Fraunhofer UMSICHT, 2010).
  • Situación en México La SENER considera que existe un potencial de 3,000 MW para generación de energía eléctrica con biogás proveniente de la recuperación y aprovechamiento del metano a partir de residuos animales, residuos sólidos urbanos (RSU) y tratamiento de aguas negras (SENER, 2010). En 2010 existían en México, 721 biodigestores, de los cuales 367 en operación y 354 en construcción (FIRCO, 2011). De éstos, 563 biodigestores son financiados bajo el esquema del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL), 154 con apoyo del Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) y 4 biodigestores a través de la Iniciativa Metano a Mercados. El 8% de las granjas porcícolas cuentan con biodigestores, de los cuales el 20% dispone de motogeneradores con 70% en funcionamiento. La potencia total instalada es de 5.7 MWel. Para el aprovechamiento de biogás obtenido a partir de rellenos sanitarios, una de las experiencias más importantes en México es la de Bioenergía de Nuevo León, la primera a nivel nacional. El sistema está compuesto de 7 motogeneradores de 1 MW cada uno. La planta fue diseñada de manera modular para permitir futuras adiciones de capacidad.

2003 – 2006 Proyectos de aprovechamiento de biogás con MDL, por empresas que comercializan “Bonos de Carbono”. Inversión y riesgo por parte de las empresas, a cambio del 80% de los Bonos de Carbono. Más de 500 proyectos MDL desarrollados en todo el país. ANTECEDENTES 2006 – a la fecha Proyectos Piloto (FIRCO) con generadores eléctricos accionados con Biogás. Efecto multiplicador (150 moto-generadores). La CGG apoyó a 71 granjas porcinas. Proyecto Desarrollo Rural Sustentable (BM), que incluye utilización de las excretas animales. IMPORTANCIA DE LOS BIODIGESTORES DENTRO DELSECTOR AGROPECUARIO Son técnica y económicamente viables; tecnología nacional. Gran potencial para producir electricidad y calor. Pueden ser implementados en cualquier región del país a partir de excretas y desechos agrícolas. Existen regiones con mayor potencial para su construcción. Coadyuvan a resolver problemas sanitarios, de transmisión de enfermedades, olores y contaminación en general. TECNOLOGIA PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Biogás: Resultado de la biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas. Fuentes en el Sector: – Excretas en ganadería intensiva. – Desechos agrícolas. Según las condiciones prevalecientes, se han desarrollado diversos modelos de biodigestores.

El metano (CH4) al ser un compuesto orgánico que se integra por los elementos de hidrógeno y carbono forma parte de los hidrocarburos, estos se dividen en dos clases principales que son los alifáticos y aromáticos. Los primeros se subdividen en familias: alcanos, alquenos, alquinos y sus análogos cíclicos (ciclo alcanos, etc.). Dentro de los alcanos se encuentra el metano, siendo incluso el hidrocarburo más simple. Clasificación del metano dentro de los hidrocarburos. Hidrocarburos Alifáticos Aromáticos Alcanos Alquenos Alquinos Alifáticos cíclicos Metano El metano es incoloro y, en estado líquido menos denso que el agua (densidad relativa 0.4). Es apenas soluble en agua, pero muy soluble en líquidos orgánicos, como gasolina, éter y alcohol, además de presentar un punto de ebullición a -161.5ºC, por esta misma razón es gaseoso a temperatura ambiente. El metano es un producto final de la putrefacción de los organismos como plantas y animales, es decir, de la descomposición de ciertas moléculas más complejas. Como tal, es el principal constituyente del gas natural hasta un 97%. Por sus propiedades químicas y físicas, el metano típicamente sólo reacciona con sustancias muy reactivas o en condiciones muy vigorosas. Dentro de las principales reacciones que se pueden llevar a cabo con el metano se encuentra la oxidación (combustión), la cual se puede llevar a cabo en presencia de oxígeno, halógenos e, incluso agua, [15]. Dentro de la combustión del metano se da como resultado dióxido de carbono y agua, lo cual es algo muy característico de los compuestos orgánicos. La combustión del metano es muy exotérmica, siendo este hecho de gran importancia ya que lo convierte en una importante fuente de energía. Dentro de este tipo de reacciones cabe señalar que el producto importante no es el dióxido de carbono y agua, sino el calor. La combustión de hidrocarburos sólo se efectúa a temperaturas elevadas, como las que proporcionan una llama o una chispa. Sin embargo, una vez iniciada la reacción desprende calor, que a menudo es suficiente para mantener la alta temperatura y permitir que la combustión continúe. La cantidad de calor que se genera al quemar un mol de un hidrocarburo a dióxido de carbono y agua se llama calor de combustión; para el metano es 213 Kcal. 22 El metano también es un gas de efecto invernadero ya que al entrar en la atmósfera junto con otros gases impide la salida de la radiación infrarroja provocando un sobrecalentamiento de la superficie terrestre, sin embargo la destrucción de este gas se lleva a cabo de manera natural por los radicales OH presentes en el aire y por el oxígeno (O2). La reacción con este último se resume así: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. Esta destrucción es relativamente rápida, de tal manera que la vida media del metano atmosférico es de tan sólo unos 12 años. La evolución de la concentración atmosférica de metano depende por eso no sólo de las fuentes, sino también de la mayor o menor presencia de estos radicales en el aire. El metano se encuentra distribuido aunque en diferentes concentraciones por toda la atmósfera de nuestro planeta.

Objective

To Build a biodigester able of collecting gas methane from rotting organic waste.

Justification

Today pollution is a very serious problem that affects all the population directly in their daily life. Pollution occurs due to excess production of waste or organic and inorganic waste, which when rotting generate methane gas, which pollutes the atmosphere, and it produces an unpleasant smell for the inhabitants. The metropolitan area has several systems to avoid pollution; These are: recycling, waste separation (organic and inorganic), begins with the use of renewable energies. There are different recycling centers, which promise to help the environment, however, these only work with pet, while the remaining garbage does not have adequate follow-up, so it generates a lot of pollution to the environment, through the gas that the organic waste generates with its rot. Methane gas has certain disadvantages, which are; If it is released to the environment, it generates a high level of pollution directly to the atmosphere, although the damage is not as much as when another type of gas is released; When methane gas is mixed with other chemical gases, especially sulfuric acid and nitrogen becomes very volatile and toxic to humans. In contrast, some advantages of this gas are the generation of energy, also can be used in the kitchen to light the stove, to heat the water of the shower, and also that when using the methane gas in activities of daily life reduces the level of pollution considerably.

Hypothesis

If we build a biodigester that is able to collect the methane gas from organic waste, so we can avoid contamination of this rot and generate 100% clean energy.

Method (materials and procedure)

Materials.

  •         Acrylic container 60 × 35 cm
  •         1 m of hose
  •         Stopcock
  •         Organic waste
  •         Hermetic lid
  •         Hot Silicone
  •         lighter
  •         Bunsen burner
  •         1 L of water

Procedure.

  1. Fill the biodigestor until ¾ of its capacity with organic mixture and water.
  2. After filling, no more mixture will be added until methane production has started well and then maintained for several days (20 days).
  3. After it occurs, the load calculated for the specific biodigestor (¾ capacity) will be added daily.

Results

At the end of assembling the biodigestor we could see that within a few hours of introducing the waste, methane gas was generated in small quantities. The amount of gas obtained will vary depending on the amount of waste deposited and the time left to rest.  With the gas collected we were able to ignite the flame of a stove on a small scale, so we could verify its usefulness.

Discussion

What was not considered at the beginning of the project was the difficulty in placing the stopcock and the hose, so it had to be sent to make a hole in the lid for the retention and extraction of methane gas.  Unfortunately generating methane gas take long time to do it due to the type of waste that is put, generating that the procedure is minimally retarded, however, it will have the same efficiency.

Conclusions

At the end of this project we could see that the use of this gas in low-income communities can be cheaper and cleaner alternative compared to other services or products such as L.P. gas or even natural gas.  It could be given the initially established use, which was to be able to ignite a stove, which in contrast to natural gas or L.P. this is 100% organic, and also in the field this generation is endless for the production of cattle waste.

Bibliography

  • BioDigestor, Blogger, disponible en: http://infodigestor.blogspot.com/2014/06/historia-de-los-biodigestores.html, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Reciclaje de materia orgánica para la producción de biogas en comunidades de bajos recursos, British Counsil, disponible en: https://www.britishcouncil.org.mx/sites/default/files/segundo_lugar.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Biogás, Red mexicana de bioenergía, disponible en: http://rembio.org.mx/areas-tematicas/biogas/, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Uso de biogas en el sector agropecuario de México y opciones de financiamiento, Secretaría de agricultura, ganadería, desarrollo rural, pesca y alimentación, disponible en: https://www.globalmethane.org/documents/events_ag_20080423_rodrigo_diez_de_sollano.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Biogás, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Disponible en: https://repository.uaeh.edu.mx/bitstream/bitstream/handle/123456789/10722biodigestore.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Características del biogás, capítulo 2, disponible en: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20922/capitulo2.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.
  • Fundamentos para el diseño de biodigestores ,Módulo para la asignatura de construcciones agrícolas, disponible en: http://www.bdigital.unal.edu.co/7967/4/luisoctaviogonzalezsalcedo.20121.pdf, consultado el 12 de enero de 2019.