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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Facultad de Ingeniería

Sistemas de mejoramiento ambiental Proyecto Final “Producción de biogás a partir de los residuos de la tuna”

GRUPO: 1

Integrantes: ● ● Watkins Vázquez del Mercado Juan Carlos

Fecha de entrega: 23/05/2019 “Producción de biogás a partir de los residuos de la tuna” Objetivo

Determinar la factibilidad técnica y financiera de la producción de biogás a partir de la tuna, tomado en cuenta sus características y sus limitantes como producto estacional. Introducción Hoy en día, tanto la crisis energética y el cambio climático son temas clave en todo el mundo. Varios factores han llevado a la búsqueda de fuentes alternativas de energía procedente de fuentes renovables. Estos incluyen el eliminar el consumo de combustibles fósiles no renovables así como los aspectos perjudiciales ecológicos de utilizar directamente el estiércol y la madera como combustible. Los cactus, debido a su fácil establecimiento por propagación vegetativa, resultan adecuados para la recuperación de suelos que no podrían ser mejorados a través de los métodos agrícolas convencionales debido a factores como la elevación de la pendiente, la pedregosidad, la escasa profundidad, la falta de estructura, los bajos contenidos de materia orgánica, que están por debajo del 1%, y presencia de fuertes procesos erosivos, entre otros. La plantación de arbustos y especialmente de cactus, es la forma más rápida y segura y también la más económica para recuperar áreas degradadas. En México, el nopal y la tuna se cultivan en 29 entidades federativas; se benefician de esta actividad económica más de 50 mil familias que se encuentran en zonas con escasez de agua, como zonas desérticas y semidesérticas. México cuenta con 20 mil productores de la tuna, quienes cosechan 48 mil hectáreas y obtienen alrededor de 352 mil toneladas anuales. El mayor volumen de producción se concentra en los estados de México, Zacatecas, Puebla e Hidalgo. La cosecha se realiza en los meses que van de julio a septiembre, principalmente. La mayor parte de las áreas con tuna son silvestres, sólo el 6.62% son cultivadas. Del total, el 96.64% es tuna amarilla, el 1.91% morada y el 1.45% blanca. El valor de la producción del nopal y tuna es de 2 mil 810 millones de pesos y se generan 3 millones 822 mil 500 jornales. El volumen de producción de la tuna ocupa el lugar. La mayoría de los países basan la producción de nopal tuna casi totalmente en una sola variedad; en cambio, México cuenta con una gran riqueza que le permite ofrecer al mercado tunas blancas, amarillas, anaranjadas y rojas, lo que muestra una gran ventaja de México para liderar los mercados internacionales de este producto.

Qué es el biogás y cómo se produce? El biogás es una mezcla de gases que se generan naturalmente o artificialmente por la digestión o degradación de materia orgánica mediante la acción de microorganismos (bacterias metanogénicas), en un proceso anaeróbico, es decir, en ausencia de oxígeno molecular. Está compuesto, fundamentalmente, por metano (CH4), que varía

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aproximadamente entre 50% y 70%, y dióxido de carbono (CO2), que varía entre 30% y 45%, a lo que se agrega la presencia de otros gases con porcentaje inferiores a 1% (H 2, N2, H2S). La mayor o menor proporción de estos elementos dependerá del tipo de materia orgánica y de cómo se genera. La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación. La energía contenida en los enlaces químicos se libera y se almacena principalmente en el metano (CH4), que, junto con el dióxido de carbono (CO 2) es el principal componente del biogás. Las otras sustancias, presentes en porcentajes más bajos, son monóxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno.

El metano, principal componente del biogás, le confiere sus características combustibles. El valor energético del biogás está determinado por la concentración de metano y se ubica alrededor de 20 a 25 MJ/m3, comparado con 33 a 38 MJ/m3 para el gas natural (Werner et al., 1989). Su poder calórico es de aproximadamente entre 4,000 y 5,500 kcal/Nm3. La forma artificial de capturar esta energía es a través de la utilización de biodigestores o biorreactores, que, en síntesis, son aparatos o construcciones que procesan materia orgánica para producir el biogás. La forma, tamaño y características técnicas dependerá de las necesidades, las características de la biomasa, las condiciones ambientales y la periodicidad y cantidad con que pueden ser abastecidos de materia orgánica. Según estas características, los biodigestores pueden ser de carga continua (diaria o semanal) o estacionarios (se cargan para cada proceso de fermentación).

Usos Las aplicaciones a las cuales puede acceder el biogás son múltiples, pudiéndose destacar en los siguientes ámbitos: ●

Autoconsumo: Una de las formas más difundidas en países subdesarrollados y en vías de desarrollo, es el establecimiento de biodigestores a pequeña o mediana 2

escala, para producir biogás que será utilizado, en la mayoría de los casos, para cocinar en combustión directa. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, para calefacción y como reemplazo de combustible (diésel) en motores de combustión interna. ●

Cogeneración: El biogás puede ser utilizado como combustible para motores diésel y a gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diésel, el biogás puede reemplazar hasta el 80% del combustible fósil (su baja capacidad de ignición no permitiría su reemplazo total en este tipo de motores, que carecen de bujía para la combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogás puede reemplazar la totalidad de la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se ha dado preferencia a los motores diésel, considerando que se trata de un motor más resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural. Esta sustitución permite generar simultáneamente energía térmica útil (vapor, agua caliente, hielo, aire frío, por ejemplo), lo que es una ventaja desde el punto de vista de la eficiencia energética.

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Red pública de gas natural (GN) y calefacción: la introducción de biogás a la red pública de gas natural, así como la explotación de éste como combustible, requieren de un procesamiento para obtener la calidad de gas natural. Generalmente, estos poblados cuentan con equipamiento para lograr la máxima eficiencia energética: producir electricidad, generar vapor para calefacción y transformación del biogás en GN.

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Elaboración de hidrógeno: Si bien el hidrógeno es uno de los elementos de mayor presencia en la naturaleza, no se encuentra en forma libre. Actualmente, el 99% del hidrógeno se produce a partir de combustibles fósiles, lo que constituye desafíos de innovación e investigación biotecnológica para nuevas alternativas para el biogás. Estudios realizados sobre la digestión y fermentación bacteriológica de las materias orgánicas han demostrado que la producción de hidrógeno a partir de la biomasa (bioH2) podría ser económicamente viable. La inversión y desarrollo (I&D) en este campo está orientada no sólo a la eficiencia económica de producción, sino también a reducir y eliminar la generación de CO2 y, en un grado importante, al diseño de sistemas de almacenamiento para su utilización.

Problemática de emisiones en la generación de biogás En cuanto a emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, el metano es el segundo gas en orden de importancia, tras el dióxido de carbono (CO2), y sus principales fuentes de emisión son: la agricultura (digestión del ganado), los residuos (vertido) y la energía (producción de carbón y distribución de gas natural) Cuando el metano escapa a la atmósfera, este es causante potencial de calentamiento global, y se estima que sus efectos son 23 veces mayores que los producidos por el mismo volumen de dióxido de carbono. Sin embargo es posible que una parte del metano

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generado en los diferentes procesos sea capturado y usado como recurso de energía renovable.

Características favorables de las tunas Las características generales de la tuna, junto con algunos parámetros químicos, físicos y biológicos que tienen incidencia en la producción de biogás. La especie Opuntia ficus-indica, es decir, la tuna, se caracteriza por ser plantas de crecimiento arborescente, arbustivas, bien ramificadas, pudiendo alcanzar alturas de 3 a 5 metros. Por otra parte, las condiciones de penetración en el suelo que tiene los nopales que son la planta de la tuna, alcanzan profundidades de 30 centímetros bajo tierra, esta profundidad varía según el manejo cultural que se le otorgue y de las condiciones hídricas del lugar de plantación, específicamente de riego y la fertilización. Además, las raíces de los nopales cuentan con tres formas diferentes para contribuir a la tolerancia de las sequías: En primer lugar restringen la superficie radical y reduce su permeabilidad al agua; segundo, absorben rápidamente las pequeñas cantidades de agua aportadas por lluvias ligeras y tercero, son capaces de disminuir la transpiración producto al alto potencial negativo 10 radicular. Los nopales y por ende las tunas son especies que se adaptan fácilmente a distintos ambientes, tales como zonas áridas y semiáridas, alturas, zonas templadas hasta zonas muy frías con temperaturas de -40°C, lo cual los hace poseer una gran diversidad ecológica. Es por esta razón que esta planta ha realizado varias modificaciones para lograr adaptarse a diferentes condiciones ambientales, específicamente a zonas áridas y semiáridas. Distribución de la Tuna

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La distribución de esta planta depende de factores como la latitud y altitud, sobre todo en aquellos lugares donde las temperaturas son muy bajas en los meses de invierno. En el hemisferio norte se desarrolla hasta los 40° de latitud, y en el hemisferio sur hasta los 36° de latitud. Este tipo de plantas se les encuentra a lo largo del continente americano, desde el nivel del mar hasta altitudes cercanas a cuatro mil metros y dominan en comunidades vegetales que llamamos nopaleras silvestres. En México, la Tuna tiene una amplia distribución a lo largo de nuestro país. Las regiones con mayor riqueza de especies son el centro y norte del Altiplano, el noroeste, el Bajío y el valle de Tehuacán-Cuicatlán. En las regiones tropicales secas y los desiertos del norte hay menor riqueza pero suelen encontrarse especies endémicas de gran importancia pero no en gran cantidad como en el altiplano.

Características para la plantación La Opuntia ficus-indica es una planta que se desarrolla fácilmente en zonas áridas y semiáridas, lugares que destacan por su baja precipitación anual y por su temperatura.

Las características esenciales para su correcto crecimiento son:

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Características

Descripción (óptimo)

Precipitación anual

80-800 mm ( 300mm)

Suelo

Liviano, arenoso, pedregosos, arcillosos

Profundidad suelo

20-40 cm

pH suelo

5 - 7.5

Temperatura

20 - 30° C

Humedad

60 - 80%

Viento (limitante)

vientos constantes, violentos, salinos

Altitud

0-2500 m (800-2000 m)

Latitud

Desde 40°N hasta 36°S

Importancia del Nopal en México

En México existen 4 tipos de productos con valor comercial derivados del nopal; los más relevantes para esta ocasión son el nopal verdura y la tuna. El Nopal tiene una superficie sembrada en nuestro país de 84 mil hectáreas. De estas hectáreas sembradas, el 19.2% corresponde a nopal verdura, el 73.6% corresponde a la tuna y el 7.1% al nopal forrajero.

El valor de la producción de estos productos en el año 2010 fue de $2,463,000 de pesos, correspondiendo en un 58% al nopal verdura, 41% a la tuna y el resto al nopal forrajero. Los precios de venta por tonelada se registraron por $1925/ton de nopal verdura, $2877/ton de tuna y $ 339/ton de nopal forrajero. Todos los anteriores de interés para la producción de

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biogás, ya que los desechos de todos estos así como los de la tuna pueden ser utilizados para la fabricación de biogás. Los precios del Nopal actualizados por el distribuidor contactado son los siguientes. En una temporada regular de la producción donde se planta el nopal 3 veces por semana en época de calor y una vez por semana en época de frío, los precios por la tonelada de nopal varían desde $1920/tonelada en temporada de alta producción, hasta $6400/tonelada en temporada de baja producción; con un precio intermedio de $3000/tonelada. Los precios presentados son enfocados al nopal tuna que es la especie de interés en el proyecto.

Potencial energético del Nopal Tuna Para estimar el potencial energético del nopal tuna, se consideró el potencial de generación de biogás publicado por la Gerencia de energías renovables del instituto de investigaciones eléctricas (IIE), encontrando que se puede generar como máximo 11m3 de biogás por metro cúbico de digestor o reactor por día. De estudios realizados a nopales muestreados en mercados de la ciudad, se ha determinado valores que indican que cada tonelada de nopal contiene en promedio 60 kg/Sv de nopal, esto anterior solo indica el porcentaje de metano que contiene el biogás a base de nopal. Con los porcentajes que se tienen del nopal, se puede calcular lo siguiente. Si se considera un rendimiento de 600 (ha/año) y 40m3 de biogás/tonelada de nopal, se estarían produciendo en teoría 24,000 m3 de (biogás/ha/año) que serían equivalentes a 40 (MWh/ha/año). En estados donde la producción de nopal es abundante en extremo, se han documentado rendimientos de nopal de 800 (t/ha/año). con el rendimiento anterior el potencial energético del nopal sería de 56 (MWh/ha/año). Con base a los datos anteriores y con los datos recopilados por el contacto de la plantación de nopal podemos establecer las siguientes suposiciones y fórmulas al respecto:

Equivalencia m3 biogás - kWh

1 m3 biog á s=5.67 kW h Estimación producción biogás a partir de los residuos de la tuna

Fórmula

sp x rp x k x pb= pc Donde: sp → superficie promedio (ha) rp → rendimiento de producción (ton/ha) k → proporción de residuo de la tuna (35%)

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pb → potencial de generación de biogás (40 m 3/ ton) pc → generación de biogás (m3 )

Esta fórmula es para obtener cuanto biogás se puede producir por hectáreas de terreno promedio, que se calcula entre 10 y 15 hectáreas por terreno de plantación. En esta ocasión se van a tomar un promedio de 12 hectáreas de plantación para realizar el cálculo de nuestra producción.

12(h a) x 15(ton/h a)x 0.35 x 40(m 3 /ton)=2520 m3 biog á s

2520 m3 biog á s=14.29 MW h

Considerando la superficie terreno de plantación promedio, existe un potencial de generación de biogás equivalente a 14.29 MWh. De acuerdo con el Banco Mundial, el consumo de electricidad per cápita es de 2.09 kWh. Y el consumo anual promedio por vivienda, en México, es de 1350 kWh.

Consumo de energía eléctrica en México (kWh per cápita) De acuerdo a estos datos, la producción de biogás estimada cubriría la demanda anual de electricidad para 10.59 viviendas.

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14290 kW h =10. 6 familias 1350 kW h/ familia

Actividad Complementaria Para aprovechar al máximo la materia prima se propone la producción de vino de tuna como actividad complementaria. En la producción de biogás únicamente se está aprovechando la cáscara, lo que nos permite utilizar la fruta para la producción de vino. La producción de vino a partir de la tuna es muy similar a la de producción de vino blanco. Las etapas necesarias son las siguientes:

1. Retiro cáscara. El primer paso consiste en retirar la cáscara de la fruta. 2. Prensado. La fruta ya sin cáscara es llevada a la prensa, donde poco a poco se irá prensando. El primer mosto obtenido es de mejor calidad, y se recomienda separarlo del último que siempre será de menos calidad. Este mosto se sulfita (añadir azufre para evitar oxidaciones y desarrollo de microorganismos no deseados). 3. Desfangado. Se llama así al hecho de eliminar las impurezas que enturbian el mosto. Consiste en dejar en reposo el mosto durante 24 horas para que estas impurezas se depositen en el fondo por gravedad, y poder extraer éste completamente limpio. 4. Fermentación alcohólica. Una vez desfangado llega el paso de la fermentación, que en el caso para la elaboración de vino de tuna se realizan en depósitos de acero inoxidable. Se tienen sistemas de refrigeración controlada, para poder fermentar a baja temperatura (1518º) y así poder mantener mejor el aroma. 5. Clarificación. Una vez acabada la fermentación sigue el proceso de clarificación que consiste en liberar las impurezas presentes en el vino, para este objetivo se añaden agente clarificantes y luego se realiza una filtración. Este proceso es muy discutido ya que con las impurezas se pueden perder compuestos aromáticos que influyen en un sabor más redondo y completo. 6. Embotellado. Es la última fase del proceso de elaboración del vino antes de salir al mercado.

Características físicas de la tuna Característica

Peso en g

Proporción promedio

Peso total

50-190

100%

Peso cáscara

14-100

35%

Peso pulpa

45-130

65%

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Con el ejercicio realizado, se considera una producción de 180 ton de tuna, y tomando en cuenta que la fruta representa un 65% del peso total, se estiman 117 ton de fruta de tuna limpia. De acuerdo a las características de la tuna y a su contenido de agua, con 117 ton de fruta pelada, se pueden producir cerca de 40,000 litros de vino, lo que equivale a una producción anual de 50 mil botellas.

180 ton tuna cosec h ada⇒ 50,000 botellas de licor de tuna

Costos Elaboración biogás Para la elaboración del biogás a partir de nuestros residuos de tuna, se debe de contemplar la planta donde se instalarán los biodigestores, así como una turbina que sea la encargada de convertir nuestro biogás en energía eléctrica. En este caso, se puede buscar que la CFE haga un apoyo para adquirir dicha turbina; de nos ser posible se debe de considerar un costo de $4000 a $6000 dólares por el precio de la turbina y un costo de $1800 dólares aproximado de la fabricación de nuestro biodigestor. Este equipo sería suficiente para producir nuestra meta de 14.29 MW h y aún así no se

estaría utilizando a su máxima capacidad.

Inversión estimada (1 biodigestor y 1 turbina): $400,000 pesos

Elaboración licor Para la producción de licor a partir de la tuna, es necesario contar con una bodega que cuente con equipo, maquinaria e instalaciones especializadas, los cuales complementados con una necesidad de producción anual de 50 mil botellas, generan una inversión entre

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250,000 USD y 1,000,000 USD. La cual contempla la obra civil para llevar a cabo dicho proyecto, además de la adquisición de todo el equipo y maquinaria necesaria.

Inversión estimada: 1,000,000 USD

Ingresos Producción biogás La producción anual de biogás sería:

2520 m3 biog á s=14.29 MW h Considerando el precio promedio por kWh que ofrece la Comisión Federal de Electricidad (CFE), el cual es de $3.5/kWh se obtiene lo siguiente:

14290 kW h( $ 3.5 /kW h)=$ 50,015

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Producción licor De acuerdo a las características del producto, el cual se puede considerar un tipo de vino jóven, el precio por botella recomendado sería de $90 (precio de venta para empresas b2c). Teniendo en cuenta dicho precio y una producción de 50 mil botellas anuales, se estiman ingresos de:

50,000 botellas($ 90/botella)=$ 4.5 M

Conclusiones La producción de biogás como actividad primaria a partir de la tuna no es redituable, sin embargo como actividad secundaria para la producción de licor de tuna lo sería. Como se pudo apreciar en nuestro cálculo de inversión inicial y recuperación de ventas, solo la producción del licor de tuna puede recuperar la inversión a corto plazo, mientras que la producción de biogás toma un tiempo mucho más amplio en la recuperación de la inversión. La tuna al ser un fruto estacional y de baja producción comparado con el del nopal compromete su uso para la generación de biogás. La propuesta general obtenida es la producción de biogás a partir de los residuos de nopal y tuna, para un mayor rendimiento y la producción del licor con fines económicos. De acuerdo a la capacidad de producción de biogás, siendo relativamente baja, propuesta es únicamente viable para zonas rurales y de autoconsumo.

la

Tomando en cuenta que el principal motivo de la producción de biogás a partir del nopal fue para que los agricultores tuvieran una fuente más de ingresos, el hacer el uso únicamente de la tuna no cumpliría con este objetivo ya que solo les sería posible tener un consumo propio de electricidad. Para que la producción de biogás sea efectiva para los agricultores se tiene que tener en cuenta que un biodigestor no solo va a producir biogás a partir del nopal, se debe tener en cuenta que cualquier residuo orgánico así como desechos de comida, heces fecales de animales así como una gran cantidad de bebidas, pueden ser sometidas a un proceso de descomposición anaerobio que resulta en la producción de biogás.

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El principal motivo por el cual se utiliza el nopal es que su descomposición le toma 16 horas hasta que ya se encuentra descompuesto en metano, por otro lado los desechos de comida orgánica pueden tomar hasta 6 meses en descomponerse, sin embargo esto no es un impedimento para la constante producción de biogás o la alimentación que le damos a nuestro biodigestor ya que el depósito de residuos orgánicos al biodigestor sería constante todos los días por lo que siempre tendríamos materia orgánica en descomposición y por lo tanto producción de biogás. Gracias a que esta es una fuente sustentable de conseguir energía se pueden encontrar distintos incentivos por parte de gobiernos para empezar a operar así como recompensas o descuentos, tales como los que tiene la empresa Cruz Azul gracias al acuerdo con la planta de biogás de Calvillo Aguascalientes. A lo largo de todo el trabajo se evaluó la posibilidad de poder mantener una planta de biogás por medio de los residuos de tuna lo cual resultó no ser redituable y no nos permitiría recuperar una inversión tan grande. Por otra lado pudimos apreciar que si el uso de nuestra materia prima es más amplio, se le puede dar una mayor producción a nuestro producto final que es el biogás aunque sería un proceso más tardado, pero se vería reflejada nuestra inversión de una manera más rápida y efectiva. Finalmente podemos afirmar que la producción de biogás es una forma de energía renovable efectiva para consumo propio si solo se quiere tomar el residuo de tuna. Se puede ver como una oportunidad de negocio, solo si tomamos en cuenta todo el residuo del nopal para que haya una mayor producción de biogás y nuestro sistema de procesamiento este utilizado a su máxima capacidad. En cuanto a la producción de licor de tuna, desde la primera proyección de venta podemos ver nuestra inversión devuelta, por lo que está dos plantas en conjunto y únicamente en conjunto, podrían resultar redituables como negocio.

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