Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Curso de Formación Especializada En Biogás para Profesion
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Curso de Formación Especializada En Biogás para Profesionales
MÓDULO 2 Diseño de Plantas Pequeñas Presentado por: EBP Autor: Pablo Bahamonde Burgos ([email protected])
Control de calidad y contenidos: Cristián de la Cerda (EBP) Andrea Moraga (Asesor EBP) Karin von Osten (SEC) Ignacio Sánchez (Ministerio de Energía) Website: www.biogasenergia.cl
Módulo 2
2
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Contenido 2.
Diseño de Plantas Pequeñas ............................................................................................... 5 2.1.
Introducción Plantas Pequeñas ........................................................................................... 5
2.1.1.
2.2.
Tipos de Digestores Pequeños ....................................................................................................... 5
Componentes de una planta pequeña .............................................................................. 10
2.2.1.
Canalización de purines y aguas .................................................................................... 10
2.2.2.
Separación de sólidos .................................................................................................... 11
2.2.3.
Biodigestor..................................................................................................................... 11
2.2.4.
Acumulación o almacenamiento del digestato ........................................................................... 12
2.2.5.
Conducción de biogás a equipos de consumo ............................................................................ 12
2.3.
Estimación de RILes ........................................................................................................... 15
2.3.1.
Estimación de Purines (teórico) ................................................................................................... 16
2.3.1.1.
Fuente de Purines (Tipos de purines) .......................................................................................... 16
2.3.1.2.
Co-digestión (2 o más tipos de biomasa) ..................................................................................... 16
2.3.1.3.
Cálculo de Purines Mediante Ecuación ........................................................................................ 17
2.3.2.
Estimación aguas de aporte ......................................................................................................... 18
2.3.2.1.
Aguas Sucias .................................................................................................................................. 19
2.3.2.2.
Aguas Lluvia ................................................................................................................................... 20
2.3.2.3.
Aguas de Lavado............................................................................................................................ 21
2.3.2.4.
Ejemplo de estimación de aguas .................................................................................................. 22
2.3.3.
Estimación de Sustrato ................................................................................................................. 23
2.4.
Estimación del Potencial de Producción de Digestato ....................................................... 24
2.5.
Estimación del potencial de producción de Biogás............................................................ 25
2.5.1.
Estimación por Método N°1, Teórico ........................................................................................... 25
2.5.2.
Estimación por Método N°2, Práctico .......................................................................................... 28
2.5.3.
Estimación por Método N°3, Práctico .......................................................................................... 29
2.6.
Dimensionamiento de Unidades Principales de una Planta de Biogás .............................. 31
2.6.1.
Sistemas de Digestión (tipos de biodigestores) ........................................................................... 31
2.6.1.1.
Tipo o Sistema por Laguna Cubierta ........................................................................................ 31
2.6.1.2.
Tipo o Sistema por Mezcla Completa ...................................................................................... 32
2.6.1.3.
Selección del biodigestor ......................................................................................................... 33
2.6.2.
Tipos de Unidades Básicas o Principales según Sistema de Digestión ....................................... 34
2.6.2.1
Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta ............................................................................ 34
2.6.2.2
Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa .......................................................................... 36
2.6.3.
Módulo 2
Dimensionamiento de cada Unidad por TRH .............................................................................. 38
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales 2.7.
Estimación de Generación de Energía ............................................................................... 40
2.7.1.
Cálculo de Energía Total Contenida y Potencia Nominal ............................................................ 41
2.7.2.
Generación de Energía .................................................................................................................. 42
2.7.3.
Determinación de Potencia Instalada .......................................................................................... 44
Figuras Figura 1-1: Sistema de Digestión Tipo Domo Flotante Hindú o Modelo Indiano ............................... 6 Figura 1-2: Sistema de Digestión Tipo Domo Fijo Chino o Modelo Chino .......................................... 7 Figura 1-3: Sistema de Digestión Tipo Estructura Rígida y Gasómetro Externo ................................. 8 Figura 1-4: Sistema de Digestión Tipo Batch o Discontinuo ............................................................... 9 Figura 2-1: Planta general de un Sistema Predial de Biodigestión.................................................... 13 Figura 3-1: Muestreo de Orina en Litros Diarios (Valdivia, Sandoval Castro) ................................... 16 Figura 5-1: Esquema de Ecuaciones Balance de Equilibrio de Masas ............................................... 26 Figura 5-2: Gráfico Eficiencia Bacteriológica o Actividad Relativa (Ar) ............................................. 27 Figura 5-3: Testeo de Muestras en Biodigestor Experimental (Laboratorio Biotecsur). .................. 30 Figura 6-1: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta.................................................................... 31 Figura 6-2: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa .................................................................. 32 Figura 6-3: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Sin Generación Eléctrica............................ 36 Figura 6-4: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Con Generación Eléctrica .......................... 36 Figura 6-5: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa .................................................................. 38 Figura 6-6: Biodigestor circunferencial ............................................................................................. 40
Tablas Tabla 3-1: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de Purines ............................................... 18 Tabla 3-2: Agua Utilizada para Lavado de Pisos y Equipos en Lecherías .......................................... 18 Tabla 3-3: Datos Utilizados para la Estimación de Aguas.................................................................. 22 Tabla 3-4: Resultados de la Estimación de Aguas Presente en Purín................................................ 23 Tabla 3-5: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de RILES .................................................. 24 Tabla 4-1: Cálculos de Volumen del Digestato .................................................................................. 25 Tabla 5-1: Resultados Aplicación de Método N°1, Teórico ............................................................... 27 Tabla 5-2: Resultados Aplicación de Método N°2, Práctico .............................................................. 28 Tabla 5-3: Resultados Aplicación de Método N°3, Práctico .............................................................. 30 Tabla 6-1: Datos y Parámetros para Selección del Tipo de Biodigestor............................................ 33 Tabla 6-2: Evaluación para Selección del Tipo de Biodigestor .......................................................... 34 Tabla 6-3: Ejemplo Cálculo de Distribución de Volumen de Biogás.................................................. 35 Tabla 6-4: Ejemplo cálculo de volúmenes de Biodigestores para cada predio ................................. 39 Tabla 6-5: Esquema Concepto de Talud ............................................................................................ 39 Tabla 7-1: Ejemplo cálculo de Energía Total Contenida .................................................................... 41 Tabla 7-2: Ejemplo Cálculos de Potencia Nominal ............................................................................ 42 Tabla 7-3: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Eléctrica............................................................. 43 Tabla 7-4: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Térmica ............................................................. 44
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2.
Diseño de Plantas Pequeñas 2.1.
Introducción Plantas Pequeñas
Para entender y asimilar lo que involucra la instalación de una Planta Pequeña, primero se debe tener clara la definición de ciertos conceptos básicos y claves. A continuación se definen y aclaran los siguientes conceptos según D.S. 119/2017: Planta de Biogás: Entiéndase por toda instalación de producción, almacenamiento y suministro de biogás, para uso y consumo del mismo, incluyendo todo equipamiento, edificios e instalaciones complementarias que permiten la operación de dichas instalaciones. Instalaciones Pequeñas: Se define como, toda instalación de producción y suministro de Biogás cuya Potencia Nominal es menor o igual 180kW. Tipos de biodigestores más comunes y presentes en una Planta de Biogás Pequeña:
2.1.1. Tipos de Digestores Pequeños A continuación se presentan los más comunes modelos de digestores a baja escala. Tipo Domo Flotante Hindú1 o Modelo Indiano2: Se define como un estanque o piscina enterrada y vertical, semejando a un pozo. Se cargan por gravedad una vez al día, con un volumen de mezcla que depende del tiempo de fermentación o retención y producen una cantidad diaria más o menos constante de biogás si se mantienen las condiciones de operación.
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Manual
de
Biogás
(MINENERGIA
/
PNUD
/
FAO
/
GEF),
Proyecto
CHI/00/G32,
2011.
Biogás de residuos agropecuarios en la Región de los Ríos (INDAP y GORE Los Ríos), 2017.
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Figura 2-1: Sistema de Digestión Tipo Domo Flotante Hindú o Modelo Indiano Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
El gasómetro está integrado al sistema, o sea que, en la parte superior del pozo flota una campana donde se almacena el gas. De esta forma, la presión del gas sobre la superficie de la mezcla es muy baja, de alrededor de 30 cm de columna de agua. Con esta campana se logra, además, una presión constante, lo que permite una operación eficiente de los equipos a los que alimenta. La campana también ayuda al rompimiento de la espuma que se forma en muchos biodigestores. La entrada de la carga diaria por gravedad hasta el fondo del pozo, además de producir agitación, provoca la salida de un volumen equivalente de lodos digeridos, desde la superficie o desde el fondo, según el diseño del sistema, los que se hacen fluir hasta una pileta para su aplicación a los cultivos. Para aumentar la retención de la materia prima, posee un tabique central. En este caso, los materiales usados son preferentemente excretas, las que deben estar bien diluidas y mezcladas homogéneamente. Este tipo de digestor presenta una buena eficiencia de producción de biogás, generándose entre 0.5 y 1,0 volumen de gas por volumen de digestor por día. Tipo Domo Fijo Chino3 o Modelo Chino4: Se define como un estanque o piscina cilíndrica con el techo y el piso en forma de domo y se construyen totalmente enterrados.
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Manual de Biogás (MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF), Proyecto CHI/00/G32, 2011.
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Biogás de residuos agropecuarios en la Región de los Ríos (INDAP y GORE Los Ríos), 2017.
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Figura 2-2: Sistema de Digestión Tipo Domo Fijo Chino o Modelo Chino Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
Al iniciar el proceso, el digestor se llena con residuos agrícolas compostados mezclados con lodos activos de otro digestor, a través de la cubierta superior, que es removible. Una vez cargado así, es alimentado diariamente con los residuos que se encuentren disponibles, provenientes de la letrina y de los animales domésticos, a través del tubo de carga el cual llega a la parte media del digestor. En este tipo de digestores no existe gasómetro, almacenándose el biogás dentro del sistema. A medida que aumenta el volumen del gas almacenado en el domo del digestor, aumenta su presión forzando al líquido, en los tubos de entrada y salida a subir y llegándose a alcanzar presiones de hasta 100 cm de columna de agua. Se generan entre 0.15 y 0.20 volúmenes de gas por volumen de digestor/día. Como consecuencia de la variación de presión, la que aumenta al generarse el gas y disminuye al consumirse éste, se reduce la eficiencia en los equipos consumidores. Periódicamente se extrae una parte del líquido en fermentación a través del tubo de salida, mediante una cubeta y una o dos veces al año el digestor se vacía completamente aplicando el residuo (sólido) a los campos de cultivo. A pesar que el digestor chino es poco eficiente para generar biogás, es excelente en la producción de bioabono, ya que los tiempos de retención son en general largos y además se tiene gran cantidad de este material cuando se necesita para mezclar con el suelo antes de la siembra. Los tiempos de retención de operación para los biodigestores tipo chino son de 30 a 60 días, requiriéndose para alcanzar la misma eficiencia (máximo 50% de reducción de la materia orgánica) de 1/2 a 1/3 de este tiempo de retención en los biodigestores tipo hindú. Tipo Estructura Rígida y Gasómetro Externo5: Se define como un estanque o piscina sin forma predominante (es decir, puede ser vertical, cilíndrica, rectangular u horizontal), pero todas con cubierta rígida, lo que implica una capacidad de acumulación de biogás reducida. Es por ello la
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Biogás de residuos agropecuarios en la Región de los Ríos (INDAP y GORE Los Ríos), 2017.
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales necesidad de contar con un equipo exclusivamente dedicado al almacenamiento de grandes producciones de biogás en relación al consumo requerido por la misma planta o plantel donde es instalado. Es interesante destacar que este tipo de biodigestores por lo general corresponden a otros tipos de biodigestores de estructura rígida que son complementados con un gasómetro por diversos motivos operacionales, como es el caso del Biodigestor Tipo Batch o Discontinuo. Si bies este tipo de biodigestor es discontinuo en su carga de sustrato, es continuo en su producción de biogás, cuya producción muchas veces supera el espacio disponible al interior del estanque reactor ya que está diseñado para satisfacer un suministro constante para un consumo inmediato, cosa que no siempre se cumple a cabalidad, debido a diversas causas operacionales, ya sean contempladas o no contempladas. En resumen, los sistemas de estaques digestores rígidos no poseen una buena reacción frente a una sobreproducción de biogás, sea cual sea la circunstancia. Es por esto que surge de manera natural la implementación de una unidad de almacenamiento externa a un sistema rígido.
Figura 2-3: Sistema de Digestión Tipo Estructura Rígida y Gasómetro Externo Fuente: Adaptado de Biogás de residuos agropecuarios en la Región de Los Ríos, INDAP-Gobierno Regional Región de Los Ríos- 2017.
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Tipo Batch o Discontinuo6: Se define como un estanque rígido sobre terreno o semi-enterrado.
Figura 2-4: Sistema de Digestión Tipo Batch o Discontinuo Fuente: Manual Biogás MINENERGIA – PNUD - FAO - GEF, Proyecto CHI/00/G32, 2011.
Este tipo también suele construirse en una batería de estanques o depósitos herméticos (digestores) con una salida de gas conectada con un gasómetro, donde se almacena el biogás. El objetivo de disponer de más un digestor es tener siempre uno de ellos en carga o en descarga, mientras el resto se encuentra en producción de biogás. La alimentación o carga del digestor con la materia prima, sólida, seca, se realiza por lotes (discontinuamente) y la descarga de los residuos estabilizados se efectúa una vez que ha finalizado la producción de biogás. Este sistema discontinuo es aplicable en situaciones particulares, como sería la de materias primas que presentan problemas de manejo en un sistema semi-continuo y continuo, o materiales difíciles de digerir metanogénicamente o cuando las materias primas a procesar, están disponibles en forma intermitente, como es el caso de los rastrojos de cosecha. Está destinado a pequeñas y grandes explotaciones agropecuarias, su uso a escala doméstica es poco práctico. El volumen de digestor es pequeño en relación al volumen de biogás producido, debido a la alta concentración de materia seca en el sustrato (40 – 60%), además de ocupar 60 – 80% menos de agua que los digestores continuos y semi-continuo, junto con la escasa formación costra, lo que no hace prescindible agitación diaria.
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Manual
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de
Biogás
(MINENERGIA
/
PNUD
/
FAO
/
GEF),
Proyecto
CHI/00/G32,
2011.
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Este sistema no sufre cambios de temperaturas violentos y la mayor parte del bioabono o biofertilizante se obtiene en forma sólida, y la menor parte en forma líquida. Tipo Laguna Cubierta: Se define como un estanque o piscina enterrada y/o de superficie con Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) superior a 40 días y que se encuentre cubierta con algún elemento que genere un sellado hermético parcial o total, y por lo general flexible. Este tipo de biodigestores generalmente operan con sustrato en fase líquida con escasa materia sólida orgánica. Además, puede o no presentar sistema de agitación o sistema de calefacción y algunos casos ambos. Tipo Mezcla Completa: Se define como, un estanque o piscina enterrada y/o de superficie con Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) inferior o igual a 40 días y que se encentre cubierta con algún elemento que genere un sellado hermético total o parcial. Este tipo de biodigestores generalmente operan con sustrato en fase líquida con toda la materia sólida orgánica disponible. Además, debe presentar sistema de agitación y sistema de calefacción. Estos últimos dos tipos de digestores, laguna cubierta y mezcla completa, serán abordados en profundidad más adelante en el desarrollo del presente módulo.
2.2.
Componentes de una planta pequeña
En general estos sistemas comprenden 5 etapas de desarrollo para la producción de biogás, generación de energía y disminución del impacto medioambiental, las que se detallan a continuación.
2.2.1. Canalización de purines y aguas Canalización de purines (patio de espera, ordeña y alimentación) y aguas (lavado de la sala de ordeña y patios, aguas lluvias) mediante canaletas abiertas para facilitar su limpieza normalmente construidas de hormigón armado o tuberías de PVC.
Canalización con tubería 300mm.
Canalización con hormigón tipo canal abierta.
Fuente: Biotecsur
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2.2.2. Separación de sólidos Realizada de forma mecánica o por gravedad, cuya función es atrapar materia no biodigerible. Corresponden a arena, piedras, restos de fibra de alimentos, plásticos, maderas, entre otros, que son arrastradas por los purines. Los dispositivos más comúnmente usados en plantas pequeñas y medianas son los siguientes: Decantador: Separación por efecto de la gravedad. Presenta menor inversión inicial y gasto operacional, pero a mayores tiempos de retención hidráulica (TRH) y menores eficiencias de operación. Prensa electromecánica: El purín es sometido a presión y forzado a pasar por tamices que permiten el paso únicamente de la fase liquida, reteniendo las partículas sólidas o gruesas (obtenidas con bajo contenido de humedad). Requiere un mayor número de equipos, potencias de trabajo altas (generalmente 6 a 10 kW), además de una bomba para suministrar la mezcla hacia el separador, haciendo este sistema considerablemente más costoso, tanto en inversión como operación, pero con alta eficiencia.
Decantadores para 100 vacas.
Fuente: Biotecsur
2.2.3. Biodigestor Generalmente son construidos con geomembranas interiores ancladas a un muro perimetral en estanques tipo laguna. Una vez instalada se genera un sello hermético con la geomembrana superior. Como se utiliza la fase líquida, estos biodigestores pueden prescindir de sistemas de agitación permanente y se pueden instalar sistemas de tubería para realizar agitación de forma esporádica.
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Instalación de Geomembrana inferior.
Instalación de Geomembrana superior.
Fuente: Biotecsur
2.2.4. Acumulación o almacenamiento del digestato Corresponde al acopio de los purines digeridos (digestato), desde donde se retira para ser usado como fertilizante en las praderas o cultivos. Estos estanques pueden ser construidos con geomembranas, hormigón o cualquier otro material resistente a la corrosión. El tamaño de este acopio depende de las necesidades del propietario, es decir, si se utiliza el digestato para riego de praderas, y el propietario riega cada tres meses, el diseño se hará en función de este tiempo.
Estanque de Acopio con Geomembrana PVC.
Fuente: Biotecsur
2.2.5. Conducción de biogás a equipos de consumo Conducción, mediante tuberías, del biogás producido a los equipos de generación energética, ya sean calderas (energía térmica), grupo electrógeno (energía eléctrica) o cogeneración (energía térmica y eléctrica combinada). Estas tuberías deben ser resistentes a la corrosión generada por el ácido sulfhídrico (H2S) y agua. Además, deben respetar una pendiente mínima que considere el punto de recolección de agua condensada dentro de las mismas. Se recomienda pintar las tuberías de color amarillo representando la conducción de gas e incluir señalética apropiada (letreros de Módulo 2
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales advertencia, cinta de peligro, etc.) en caso de estar enterradas, previniendo la rotura de estas una vez instaladas.
Ejemplo de tubería PVC para transportar biogás. Fuente: Biotecsur
El tratamiento con biodigestores es una alternativa eficiente para disminuir la Demanda Biológica de Oxigeno (DBO5) de los residuos orgánicos o, en otras palabras, reducir su contenido de materia orgánica.
Figura 2-5: Planta general de un Sistema Predial de Biodigestión Fuente: Biotecsur
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales En general para diseñar y llevar a cabo la construcción y puesta en marcha de una planta de biogás se requiere: Estudio Preliminar: Indispensable para el éxito del proyecto. Corresponde a la fase de recolección de datos tales como la cantidad de vacas, peso promedio, alimento suministrado, tiempo de estabulación, área disponible para el diseño del biodigestor, tipo de suelo, existencias de napas subterráneas, demanda de energía térmica y eléctrica, entre otras. El estudio determina el sustrato producido y cantidad de agua añadida al sistema, ya sea asociado al lavado de los patios y equipos o por lluvia. Además, determina el potencial de generación de biogás y se evalúan los diferentes factores que pueden intervenir en la fase de diseño. Diseño e ingeniería: Corresponde al dimensionamiento de los elementos principales de una planta de biogás, tales como el volumen del biodigestor, decantadores, estanque de acopio, entre otros. Además, se determina el espacio necesario para la construcción de la Planta, definiendo la ubicación y posterior diseño de red de tuberías, cámaras de registro y ubicación de los decantadores. Finalmente, se recalcula y/o testea la cantidad de biogás a producir con el fin de evaluar su utilización y beneficios económicos del proyecto. Algunos de los productos esperados de esta etapa son:
Planos de detalles constructivos Especificaciones técnicas Lista de materiales Memorias de cálculo Planos As-Built de la planta Ministerio del Medio Ambiente
Una vez realizado lo anterior y construida la planta se debe ingresar la carpeta de inscripción de proyecto a la Superintendencia de Electricidad y Combustibles.
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2.3.
Estimación de RILes
RILes: Corresponden a un Residuo Industrial Líquido (RIL) RISes: Corresponden a un Residuo Industrial Sólido (RIS) En el caso particular de este módulo, usaremos la definición anterior para referirnos a la materia orgánica mezclada con agua, las que pueden provenir de los procesos propios e intrínsecos de cada plantel, industria o sala de proceso y sus instalaciones. RILES = (Materia Orgánica) + (Agua) Resulta importante mencionar que los RILes se diferencian de los RISes por la cantidad de agua que contenga su composición. Los RISES, no necesariamente son materia orgánica en ausencia de agua, pese a que uno pudiese pensar lo contrario debido a su definición formal (Residuos Industriales Solidos). La forma más sencilla de detectar si estamos en presencia de un RIS es cuando los desechos industriales no pueden ser bombeados y requieren de equipamiento especializado y/o específico para ser movilizados. De lo anteriormente expuesto se sub-entiende que la única forma de que un RIS ingrese a un biodigestor es en forma sólida y no líquida, excepto si se produjera una trituración y posterior mezcla con un líquido (con otro RIL, por ejemplo y/o directamente con agua) para transformarlo en un RIL, proceso que se conoce como licuefacción. Materia Orgánica (MO): Se define como la materia compuesta de productos orgánicos que provienen de restos de organismos que alguna vez estuvieron vivos, tales como plantas y animales. En el rubro del biogás, se suele hablar de que los RILes y RISes contienen materia orgánica con más o menos agua según corresponda obviando el hecho de que, en gran parte de las ocasiones, estos contienen una cantidad considerable de materia mineral que, por supuesto, no es digerible y que no aporta en la producción de biogás. Es ahí el motivo de muchas veces ni siquiera se nombre. Agua: Por definición, los RILES y RISES son MO + Agua, sin embargo esta agua no siempre es simplemente agua (H2O), también puede ser agua de algún proceso en particular o una mezcla de aguas provenientes de varios y diversos procesos y, por consecuencia, no es agua pura (H2O), arrastrando con ella materia solida diluida o no diluida. Además, dicha materia sólida puede ser orgánica, mineral o una combinación de ambas. Por tanto, el concepto de agua debe ser utilizado únicamente para advertir la concentración de materia orgánica y mineral. Finalmente, en particular para plantas de pequeña escala, su aplicación se encuentra acotada principalmente a la agro-industria lechera, de crianza porcina y, en menor proporción, en el sector industrial avícola. Bajo este contexto, el RIL corresponde a las excretas de dichos animales, conocido como purín. RILES = (Materia Orgánica) + (Agua)
RILES = (Purín) + (Agua) En concordancia a esta expresión es que se hace indispensable la estimación de estas dos variables y así abrir paso al diseño de una planta productora de biogás pequeña.
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2.3.1. Estimación de Purines (teórico) La estimación se realiza de forma teórica, ya de forma empírica resulta impracticable en términos técnicos y económicos. La forma empírica contempla instalar un artefacto de recolección de residuos para su posterior medición, como se ilustra en la siguiente imagen.
Figura 2-6: Muestreo de Orina en Litros Diarios (Valdivia, Sandoval Castro)
2.3.1.1. Fuente de Purines (Tipos de purines) En la agro-industria, los purines provienen de distintas fuentes, desde cultivos varios y ganado bovino en el caso de los planteles lecheros, ganado porcino para el caso de los planteles de crianza y engorde de cerdos, y desde una masa de aves y grano para el caso de planteles avícolas. Para la recolección de estas fuentes es indispensable contar con un periodo diario de estabulación e instalaciones que lo permitan. Este corresponde al tiempo en el cual los animales se encuentran confinados dentro de un establecimiento cerrado, posibilitando la recolección de los purines. Las principales fuentes de purines corresponden a: Cultivos: Hojas y frutos derivados de plantaciones para alimentación humana y animal (ganado) presente en predios donde se encuentran inmerso los planteles. Ganado: Corresponde, en su mayoría aunque no exclusivamente, a planteles bovinos y porcinos. Requiere contar con un periodo de estabulación que permita la recolección de la materia orgánica. Grano: Remanente de la alimentación que se le brinda a la masa animal. Esta fuente representa una mayor fracción en sistemas de estabulación prolongada debido al uso de comederos para la alimentación animal.
2.3.1.2. Co-digestión (2 o más tipos de biomasa) Se denomina “co-digestión” al tratamiento conjunto de dos o más residuos. Esta alternativa presenta un futuro prometedor por las grandes ventajas que presenta tanto en la afectación en forma inmediata al proceso, como en el largo plazo como una búsqueda de mejorar el proceso.
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Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Ventaja en el ámbito de la afectación inmediata al proceso: La digestión anaerobia permite obtener una forma de energía renovable (biogás) y, además, reciclar residuos agroindustriales para su uso como fertilizantes de uso agrícola. La codigestión anaerobia permite aprovechar la complementariedad de la composición de los residuos para hacer procesos más eficientes. Además, unifica su gestión al compartir instalaciones de tratamiento, reduciendo costos de inversión y operación. Ventajas en el ámbito de la afectación al proceso, en el largo plazo: Desarrollo de nuevos pre-tratamientos del tipo mecánico, térmico, enzimático, microbiológico, entre otros, con el fin de reducir el tamaño de partícula y/o incrementar la biodegradabilidad de los residuos menos atacables por los microorganismos durante la digestión. Valoración de nuevos sustratos de elevado potencial de biogás como la glicerina y otros subproductos de la producción de biocombustibles líquidos, destríos de la producción citrícola y hortofrutícola, cultivos energéticos específicos para producción de biogás, microalgas, etc. A modo de aclaración, la co-digestión no sólo es la mezcla entre varios tipos de purines, sino que también su mezcla con otros RILES o RISES, en un porcentaje considerable de aporte de todos los sustratos involucrados en la mezcla, por ejemplo purín de vaca con suero de leche en un 75 y 25%, respectivamente.
2.3.1.3. Cálculo de Purines Mediante Ecuación Para este módulo se basa en el manejo del sector agro-industrial lechero, debido a que es el más común, complejo y replicable para otros planteles del mismo sector. A continuación se ilustra la expresión utilizada para la estimación de purines generados:
𝑃𝑢𝑟𝑖𝑛𝑒𝑠 [
𝑘𝑔 𝑇𝑝 ] = 𝑃𝑣 ∙ 10% ∙ 𝑁𝑣 ∙ 𝑑í𝑎 24
Dónde: 𝑃𝑣: Peso promedio de las vacas en (Kg). Se considera que el 10% del peso vivo es estiércol y orina generada durante las 24 horas del día (kg/día). 𝑁𝑣: Número de vacas (unidad) 𝑇𝑝: Tiempo de permanencia en patios por día (hrs/día). Corresponde al porcentaje de estabulación.
Un ejemplo de cálculo se muestra en la siguiente tabla:
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Datos y Cálculos Aportados
3,935
0
16.142
0,001
1.562
2.266
4.399
2,050
3,050
0
6.545
0,001
710
875
1.200
2.785
4,051
5,051
0
3.473
0,001
1.870
592
888
1.428
2.907
1,555
2,555
0
4.777
0,001
858
496
904
1.030
2.431
2,832
3,832
0
3.289
0,001
453
1.151
2.160
3.764
1,045
2,045
2.050
9.414
0,001
Nv
Tp
1
550 358
5,0
4.102
1.143
3.021
3
500 206
5,0
2.146
572
7
550 150
2,0
688
8
550 204
4,0
12
500 103
4,0
14
600
90
16,0 3.600
3
Peso Prom. Vacas (Kg) N° Vacas en Ordeña Tiempo en Patios (hr) Fecas y Orines Según (Tp) Aguas Sucias en (Kg/día) Aguas Lluvia en (Kg/día) Aguas de Lav. Pisos y Ubres
Pv
Total de Aguas
Dp/1000 m
2.3.2. Estimación aguas de aporte El aporte de aguas en la producción de purines por lo general proviene de tres orígenes: Aguas sucias (del lavado de equipos de leche como: equipos de ordeña y estaque de frio) Aguas lluvia (de techos sin canalizar, construcciones sin techar y superficie de pozos purinero) Aguas de lavado (agua lavado de pisos y patios, y agua de lavado de ubres en el caso del sector lechero) Los valores de estos dependen del sistema de producción y pueden ser modificados haciendo mejoras en el predio, como por ejemplo en el manejo de aguas limpias de lavado y las aguas lluvia. Al disminuir estas la dilución es menor y se obtiene una mayor concentración de materia orgánica, y viceversa. Algunos datos utilizados en las ecuaciones a describir más adelante provienen desde el “Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería”, capítulo 1, Cuadro 1.1 y se ilustran a continuación. El dato usado para estimar la cantidad de agua de lavado de ubres se destaca en color rojo, y color azul se destaca datos que corroboran el rango de utilización de aguas para lavado de pisos. Tabla 2-2: Agua Utilizada para Lavado de Pisos y Equipos en Lecherías
Media
ORIGEN
Máximo
(Litros/vaca/día)
Agua Lavado Equipos Ordeña
3,5
1,5
11,1
Agua LavadoTK-Frío o Leche
1,1
0,5
2,3
Agua Lavado de Pisos
31,2
2,0
169,4
Agua Lavado de Ubres
5,0
s/inf.
s/inf.
40,8
5,8
172,9
Total =
Módulo 2
Mínimo
(m /Kg)
Total Cantidad Purines Generados en (Kg/día)
7.876 12.040 2,935
Cantidad de Agua que Posee la Mezcla de Sustrato en (Kg/día)
Densidad del Purín
Ag
Total Kg/día
Predio
Dato
Otros Residuos Aporte de "Suero" en (Kg/día)
Datos y Cálculos Aportados
Relación de Agua en Funcón de las Fecas y Orines Según (Tp) Factor Según Relación Aguas y Fecas con Orines
Datos
Tabla 2-1: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de Purines
Es te cua dro 1.1. Se des prende de l i bro ti tul a do: "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería"
EDITOR: Francisco Salazar Ingeniero Agronomo. INIA REMEHUE.
CONSORCIO LECHERO La Cadena Lactra de Chile
18
1
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, Cuadro 1.1, página 14
2.3.2.1. Aguas Sucias Corresponde al lavado de equipos de leche, como lo son los equipos de ordeña y estaque de frío o leche. Aguas de lavado de equipos de ordeña: Corresponde a una mezcla de agua además de detergente y desinfectantes en baja concentración utilizados para el lavado y desinfección del equipo de ordeña. Esta agua, dependiendo del manejo, puede ser canalizada a un pozo purinero u a otro especialmente habilitado para ello, no debiendo ser evacuadas a cursos de agua sin tratamiento previo de depuración. El volumen de agua limpia utilizada para lavado de equipos está estandarizado para los distintos tipos de sala de ordeña, dependiendo también de las distintas rutinas manuales o automáticas que son entregadas por el proveedor de los equipos e insumos de ordeña. Para calcular el agua a utilizar se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝑙
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑜𝑟𝑑𝑒ñ𝑎 [𝑑í𝑎] = 27,75 ∙ 𝑈𝐸𝑂 + 134,4 7
Donde 𝑈𝐸𝑂 corresponde a las unidades de equipos de ordeña Aguas de lavado de estanque de frío o leche: Corresponde a una mezcla de agua limpia y de detergentes utilizados para el lavado y desinfección del estanque de frío. En general, las empresas recomiendan utilizar una cantidad de agua de lavado equivalente al 1% de la capacidad total del estanque, las cuales deben ser ponderadas por las fases de lavado de acuerdo a la rutina recomendada. Para calcular el agua a utilizar se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝑙
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑓𝑟í𝑜 [𝑑í𝑎] = 0,0403 ∙ 𝐶𝑒 + 11,153 8
Donde 𝐶𝑒 corresponde a la capacidad del estanque en litros
7
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, página 10 8
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, página 11
Módulo 2
19
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
2.3.2.2. Aguas Lluvia Aguas lluvia de techos sin canalizar: Corresponde a aguas lluvia que reciben los techos de las distintas construcciones de la sala de ordeña, patios de alimentación, confinamiento u otros. En un gran porcentaje, estos techos se encuentran sin canaletas y sistemas de conducción de aguas en forma independiente y son descargadas a los pisos, siendo contaminados con las fecas y/u orina, formando parte de los purines. El volumen de agua colectado dependerá directamente de la superficie de techos sin canalizar y la pluviometría del emplazamiento. Para calcular el agua a recibir se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝑙
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 𝑠𝑖𝑛 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑟 [𝑑í𝑎] =
𝑆𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜𝑠 ∙𝑃 9 365
Donde, 𝑆𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜𝑠 ∙corresponde a la superficie de los techos en [m2] 𝑃 corresponde a la pluviometría en mmagua/año equivalente a litros/(m2·año)
Aguas lluvia de construcciones sin techar: Corresponde a aguas lluvia que reciben los patios y pisos de las distintas construcciones de los patios de espera, patios de alimentación y pisos de las instalaciones que están descubiertos y que normalmente son superficies cementadas. Al contaminarse con las fecas y/u orina, forman parte de los purines y deben ser conducidos al pozo purinero para ser almacenados. El volumen de agua colectado dependerá directamente de las superficies cementadas y la pluviometría del emplazamiento. Para calcular el agua a recibir se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝑙 ] 𝑑í𝑎
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎𝑠 𝑠𝑖𝑛 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑎𝑟 [
=
𝑆𝑝𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 ∙𝑃 10 365
Donde, 𝑆𝑝𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 corresponde a la superficie de los patios sin techar en [m2] 𝑃 corresponde a la pluviometría en mmagua/año equivalente a litros/(m2·año)
Aguas lluvia en el pozo purinero: Corresponde a aguas lluvia que recibe directamente el pozo purinero, por lo tanto el volumen de agua colectado dependerá directamente de la superficie
9
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, página 12 10
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, página 13
Módulo 2
20
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales expuesta del pozo y la pluviometría del emplazamiento. Para calcular el agua a recibir se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝑙
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑝𝑜𝑧𝑜 [𝑑í𝑎] =
𝑆𝑝𝑜𝑧𝑜 ∙𝑃11 365
Donde, 𝑆𝑝𝑜𝑧𝑜 corresponde a la superficie expuesta del pozo en [m2] 𝑃 corresponde a la pluviometría en mmagua/año equivalente a litros/(m2·año)
2.3.2.3. Aguas de Lavado Aguas de lavado de pisos y patios: Corresponde a agua utilizada para la limpieza de pisos, patios y/o construcciones en general, tanto en sala de ordeña, como en instalaciones anexas como patios de estabulación espera o alimentación. El uso de agua limpia tiene una gran variación entre predios y dentro del mismo predio, dependiendo de la época del año. El factor humano es relevante dado que es el operador quien decide la cantidad de agua a utilizar. Para calcular el agua a usada se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑠𝑜𝑠 𝑦 𝑝𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 [
𝑙 ] 𝑑í𝑎
= 𝑁𝑣 ∙ 31,212
Donde 𝑁𝑣 corresponde al número promedio de vacas en ordeña. El valor 31,2 corresponde a la estimación de litros de agua utilizada para limpieza por vaca al día.
Aguas de lavado de ubres: Corresponde a agua limpia utilizada para la limpieza de la ubre de las vacas a ordeñar y el piso de sala de ordeña de forma focalizada. El factor humano es relevante dado que es el operador quien decide la cantidad de agua a utilizar. Para calcular el agua a usada se puede utilizar la siguiente ecuación: 𝑙
𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 𝑢𝑏𝑟𝑒𝑠 [𝑑í𝑎] = 𝑁𝑣 ∙ 513 Donde 𝑁𝑣 corresponde al número promedio de vacas en ordeña. El valor 5 corresponde a la estimación de litros de agua utilizada para limpieza de las ubres por vaca al día.
11
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15 12
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15 13
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15
Módulo 2
21
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
2.3.2.4. Ejemplo de estimación de aguas
Extracto Tabla N°4: (Tabulación Datos Específicos 1) Canalizado de aguas Lluvias Si/No
1
Si
Si
No
1.500
70
Abiertos
Si
1.500
665
3
No
No
No
1.500
0
Abierto
Si
1.500
380
7
No
No
No
1.500
75
Techado
Si
1.500
138
8
No
No
No
1.500
0
Abierto
Si
1.500
216
12
No
No
Si
1.500
0
Abierto
Si
1.500
220
0
Alimen. Techado
Si
1.500
280
14
Si
No
Si
1.500
Patios Lavado Abiertos de o patios techados Si/No
Datos Adicionales
(Litros agua lluvía. /m2) al año. Área Patios Levantamie nto Terreno
Caidas agua en dirección a patios Si/No
(Litros agua lluvía. /m2) al año. Área Techo Levantamie nto Terreno
Utiliza las aguas Lluvias Si/No
Predio
Datos Adicionales
Extrac. Cua.1.1 Dato Dato Adicio. Adicio.
Extracto Tabla N°5: Tipo de Sist. de Recoleción de los Purines a Pozo Purinero
Lavado y canalizado Raspado y lavado Raspado y lavado Raspado y lavado Raspado, lavado y canalizado Raspado y lavado
Levantamiento Visitas Terreno Datos Adicionales Encuesta y Visitas
Lav. Pisos (Lts./vaca/ día) Lav. Ubres (Lts./vaca/ día) Unidades Equipo de Ordeña Capacidad TK-Frío en (Lts.)
Datos
Tabla 2-3: Datos Utilizados para la Estimación de Aguas
17,0
5,0
20
10.987
6,0
5,0
11
3.000
3,0
5,0
15
3.675
2,0
5,0
11
3.500
5,0
5,0
8
3.200
19,0
5,0
6
3.500
Una vez agrupados los datos e identificadas las ecuaciones, se da curso a los cálculos respectivos que son expresados a través de una tabla junto a los resultados obtenidos en el proceso como lo son la cantidad de aguas sucias, aguas lluvia, aguas para lavado de pisos y ubres y, en particular, el parámetro o variable relacionada a la cantidad total de aguas en sus distintas unidades ya sean estas (kg/día); (Lts/día); (Lts/año) y (m3/día). Expresión atingente al total de aguas de aporte se ilustra a continuación. 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑠𝑢𝑐𝑖𝑎 + 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 + 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜 14
14
Fuente: F. Salazar, INIA REMEHUE, "Manual de Manejo y Utilización de Purines de Lechería", Capítulo 1, Cuadro 1.2, página 15
Módulo 2
22
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Extracto Tabla N°4:
Datos y Cálculos Aportados
N° Vacas en Ordeña
Aporte Total Anual de Aguas
Tiempo en Patios (hrs)
Datos
Tabla 2-4: Resultados de la Estimación de Aguas Presente en Purín
Tp
Nv
1
5,0
358
689
454
1.143
2.733
288
0,0
3.021
6.086
1.790 7.876 12.040 4.394.519
4.395
3
5,0
206
440
132
572
1.562
0
0,0
1.562
1.236
1.030 2.266
7
2,0
150
551
159
710
567
308
0,0
875
450
8
4,0
204
440
152
592
888
0
0,0
888
408
12
4,0
103
356
140
496
904
0
0,0
904
515
515
14
16,0
90
301
152
453
1.151
0
0,0
1.151
1.710
450
Predio
Cantidad de Agua que Posee la Mezcla de Sustrato en (Kg/día) Aguas Sucias en (Kg/día) Aguas Lluvia en (Kg/día) o (Lts/día) o (Lts/día) Lav. eq. Lav. TK- ∑ de Patio Sin Techo Sin En Pozo ∑ de Ordeña Frio Aguas Techar Canalizar Purinero Aguas
Aguas Lavado de Pisos y Total de Ubres en (kg o Lts/día) Aguas Lavado Lavado ∑ de (kg/día) Pisos Ubres Aguas (Lts/día)
(Lts/año)
3
(m /año)
4.399
1.605.725
1.606
1.200
2.785
1.016.579
1.017
1.020 1.428
2.907
1.061.210
1.061
1.030
2.431
887.141
887
2.160
3.764
1.373.746
1.374
750
2.3.3. Estimación de Sustrato A partir de lo anterior, es posible estimar la cantidad de RILES generados por cada predio en estudio, que finalmente será la el sustrato (lo que ingresa al sistema). A continuación se ilustra la expresión utilizada para el cálculo de la cantidad de RILES generados:
𝑅𝐼𝐿𝐸𝑆 [
𝑚3 𝑑í𝑎
𝑇𝑝
]=
(𝑃𝑣∙10%∙𝑁𝑣∙𝐴𝑔∙ 24 ) (Dp)
15
Dónde: 𝑃𝑣: Peso promedio de las vacas en (Kg). Se considera que el 10% del peso vivo es estiércol y orina generada durante las 24 horas del día. 𝑁𝑣: Número de vacas (unidad) 𝑇𝑝: Tiempo de permanencia en patios en (hrs/día) 𝐴𝑔: Factor Ag = 1 + [Total de Aguas / Cantidad Fecas y Orines] 𝐷𝑝: Densidad del Purín (kg/m3) = 1000 (kg/m3)
15
Fuente de la fórmula o expresión matemática proviene de la empresa consultora Biotecsur.
Módulo 2
23
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales El desarrollo de estos cálculos se expresan a continuación:
1.562
2.266
4.399
2,050
3,050
0
6.545
0,001
6,55
196,35 2.356
710
875
1.200
2.785
4,051
5,051
0
3.473
0,001
3,47
104,18 1.250
1.870
592
888
1.428
2.907
1,555
2,555
0
4.777
0,001
4,78
143,32 1.720
858
496
904
1.030
2.431
2,832
3,832
0
3.289
0,001
3,29
98,666 1.184
453
1.151
2.160
3.764
1,045
2,045
2.050
9.414
0,001
9,41
282,41 3.389
5,0
4.102
1.143
3.021
3
500 206
5,0
2.146
572
7
550 150
2,0
688
8
550 204
4,0
12
500 103
4,0
14
600
90
2.4.
16,0 3.600
3
Generación Anual
0,001
550 358
Generación Mensual
16.142
1
Generación Diaria
0
Tp
(m /Kg)
3,935
Nv
Total de Aguas
Densidad del Purín
7.876 12.040 2,935
Cantidad de Agua que Posee la Mezcla de Sustrato en (Kg/día)
Peso Prom. Vacas (Kg) N° Vacas en Ordeña Tiempo en Patios (hr) Fecas y Orines Según (Tp) Aguas Sucias en (Kg/día) Aguas Lluvia en (Kg/día) Aguas de Lav. Pisos y Ubres Pv
Total Purines Generados
Ag
Total Kg/día
Predio
Dato
Total Cantidad Purines Generados en (Kg/día)
Datos y Cálculos Aportados
Otros Residuos Aporte de "Suero" en (Kg/día)
Datos y Cálculos Aportados
Relación de Agua en Funcón de las Fecas y Orines Según (Tp) Factor Según Relación Aguas y Fecas con Orines
Datos
Tabla 2-5: Resultados de Cálculos de Potencial Cantidad de RILES
Dp/1000 m3/día m3/mes m3/año
16,14 484,26 5.811
Estimación del Potencial de Producción de Digestato
La estimación del Digestato se realiza a partir de la estimación de sustrato que ingresará al Biodigestor. Se considera la masa del afluente igual a la masa del efluente, por lo menos en primera instancia y considerando que su densidad es igual a 1 [kg/l]: 𝑆𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 [𝑚3 ] = 𝐷𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜[𝑚3 ] = 𝐴𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒[𝑚3 ] = 𝐸𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒[𝑚3 ] De acuerdo al tipo de Biodigestor (laguna cubierta o mezcla completa), se determina si el caudal de entrada (𝑄𝑒 ) es igual al caudal de salida (𝑄𝑠 ) ya que, en ambos sistemas, se retira la fibra gruesa y elementos pesados no biodigeribles que representan entre un 3% a 5% del sustrato. 𝑄0 representa el caudal de entrada efectivo luego de eliminar los elementos no biodigeribles. En el caso de los digestores tipo laguna, se estipula un 1% de retención y estratificación superficial de la fibra más corta, además de la decantación de partículas sólidas más pesadas al interior del digestor16. Para el caso particular de los digestores de mezcla completa, la retención de elementos al interior del mismo no existe debido a la presencia de agitación, evitando la estratificación superficial y decantación de material particulado. En definitiva el cálculo del digestato para estos dos sistemas se determina por las siguientes expresiones: Para 𝑸𝒆 ≠ 𝑸𝒔 𝑸𝒆 = 𝑸𝒔
16
Donde 𝑄𝑒 = 𝑄0 · 97% 𝑄𝑒 = 𝑄0 · 97%
Se tiene 𝑄𝑠 = (𝑄0 ∙ 97%) ∙ 99% 𝑄𝑠 = (𝑄0 ∙ 97%)
En base a la experiencia de Biotecsur con digestores construidos
Módulo 2
24
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Predio
2.5.
PPD D
PPD A
3
3
Qs=Qe
(m / año)
Qs≠Qe
Producción de Digestato en
Qe
(m / día)
Q0
Producción de Digestato en
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Mezcla Completa
Caudal de Salida del Biodigestor con 1% Menos Tipo Laguna Cubierta Caudal de Salida del Biodigestor Mezcla Completa
Tipo de Biodigestor
Caudal Entrada Caudal Salida (Digestato) (Sustrato) (m3/día) (m3/día) (m 3/día) (m3/año) Caudal de Entrada a Biodigestor con 3% Menos
OBSERVACIONES
Caudal Afluente de Entrada a Decantador
Datos
Tabla 2-6: Cálculos de Volumen del Digestato
1
Laguna Cubierta
16,14
15,66
15,50
_
15,50
5.658
3
Mezcla Completa
6,55
6,35
_
6,35
6,35
2.317
7
Laguna Cubierta
3,47
3,37
3,33
_
3,33
1.217
8
Mezcla Completa
4,78
4,63
_
4,63
4,63
1.691
12
Laguna Cubierta
3,29
3,19
3,16
_
3,16
1.153
14
Mezcla Completa
9,41
9,13
_
9,13
9,13
3.333
Estimación del potencial de producción de Biogás
El potencial de producción de biogás se puede realizar mediante una diversidad de métodos teóricos descritos en la literatura relacionada a estudios de Biogás, sin dejar de lado unos cuantos más del orden de los métodos prácticos entre los que destacan ensayos de la laboratorio y plantas piloto construidas. En este módulo se explicaran solo tres métodos, uno teórico y otros 2 prácticos, a fin de poder dar una resolución en base a sus diferencias de parámetros y datos que cada uno considera para su desarrollo.
2.5.1. Estimación por Método N°1, Teórico Potencial de producción de biogás en base a los purines generados y la Demanda Química de Oxígeno (DQO) en el mismo. Se basa en un balance de masas entre la materia orgánica que entra al digestor y la que sale de él. En la estimación, se consideran diversos parámetros, que son ilustrados en la siguiente figura
Módulo 2
25
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Figura 2-7: Esquema de Ecuaciones Balance de Equilibrio de Masas
Entrada (𝑄0 - Sustrato): Materia efectiva saliente del proceso de decantación y entrante al proceso de digestión. Los parámetros DQO y 𝑄0 son conocidos y definen la 𝐶𝐷0 (carga diaria de entrada), la cual sufre cambios en el digestor. Digestión: Proceso en el cual se produce la remoción de la DQO en base al rendimiento (70 %)17. Como subproductos de la digestión, se obtienen una fase líquida conocida como digestato y una gaseosa, conocida como biogás. Salida (Digestato): Materia resultante en fase líquida del proceso de digestión e independiente de la eficiencia del proceso. En general no presenta mayores cambios en términos de volumen y masa (propiedades físicas), aunque sí variaciones en su aspecto (color, olor y propiedades químicas como concentraciones de DQO, ST y SV, entre otras). En definitiva, solo afecta aspectos en torno a su calidad. Salida (Biogás): Materia resultante en fase gaseosa del proceso de digestión, la cual es altamente dependiente de la eficiencia del proceso. Dejando fuera factores constructivos asociados al diseño del digestor, el factor temperatura es uno de los más influyentes y es quien determina la eficiencia bacteriológica o actividad relativa (Ar), directamente relacionada al rendimiento de remoción (Y).
Factor (Ar): Actividad bacteriológica (mesofílica) encargada de la producción de metano. Refleja la relatividad de la producción en base a la temperatura del medio en que se desenvuelve. El Factor Ar se puede entender como la eficiencia bacteriológica (%EB) de producción de metano, donde 100% corresponde a la eficiencia a 35°C. La figura N°02 muestra la pérdida de rendimiento en la actividad metanogénica fuera del rango de 32°C a 40°C. Un ejemplo de cálculo mediante este método se muestra en la tabla N°07.
17
En base al rendimiento estándar de los biodigestores construidos por Biotecsur en la Región de Los Lagos
Módulo 2
26
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Figura 2-8: Gráfico Eficiencia Bacteriológica o Actividad Relativa (Ar)
Fuente: (Adaptado de Henze, Harremoes, 1983).
Estimaciones en Biodigestor
Estimaciones de Salida (Biogás)
552,7
0,35
193,4
60,98
317,2
13,0
20,0
63,45 Laguna Cubierta
3
3
Temperatura Promedio de Operación (%) Porcentaje Efeciencia Bacteriana Producción de Biogás Ajustada al (%EB) o (Ar)
70,0
Producción de Biogás
789,6
Porcentaje de Metano Presente en el Biogás
Rdt
Producción de Metano (CH4)
CD0*Y
(Nm CH 4/Kg DQO)
Rendimiento Producción Metano
Y (%)
(Kg DQO/m ) Carga Orgánica Diaria en (Kg DQO/día) Rendimiento de Remoción porcentual CD0
3
Predio
Q0
Q0
S0
OBSERVACIONES
Cálculo Remoción de (DQO)
Estimaciones de Entrada (Sustrato) Caudal Afluente de Entrada a Decantador Caudal de Entrada a Biodigestor con 3% Menos Concentración del Sustrato en
Datos
Tabla 2-7: Resultados Aplicación de Método N°1, Teórico
Nm CH 4 % CH4 Nm3/día °T (°C) /día
Tipo de Biodigestor
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Mezcla (%Ar) Nm3/día Completa
1
16,14
3
6,55
6,35
75,244
477,7
70,0
463,4
0,35
162,2
60,98
266,0
35,0
100
266,0 Mezcla Completa
7
3,47
3,37
25,604
86,2
70,0
83,7
0,35
29,3
60,98
48,0
13,0
20,0
9,60
8
4,78
4,63
95,512
442,6
70,0
429,3
0,35
150,3
60,98
246,4
35,0
100
246,4 Mezcla Completa
12
3,29
3,19
30,500
97,3
70,0
94,4
0,35
33,0
60,98
54,2
13,0
20,0
10,83 Laguna Cubierta
14
9,41
9,13
20,529
187,5
70,0
181,8
0,35
63,6
60,98
104,4
35,0
100
104,4 Mezcla Completa
Módulo 2
15,66 50,428
Laguna Cubierta
27
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
2.5.2. Estimación por Método N°2, Práctico Potencial de producción de biogás a partir de un proyecto de referencia existente18, consistente en un biodigestor del tipo laguna cubierta. Los datos recogidos de dicho proyecto se resumen a continuación. 𝑚3
Factor de producción real - 𝐹𝑝𝑟 = 7,3 [𝑚3𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 ]
Tiempo de retención hidráulica - TRH=100 días.
𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜
En la estimación se consideraron los siguientes parámetros: Temperatura (T): El biodigestor de referencia presenta una temperatura de operación aproximada en primavera de 13°C. Se establece un rango aplicable según la temperatura de operación entre: (11 < T°C < 17). Número de Vacas: Purines generados por un promedio anual de 100 vacas en ordeña y de los procesos de higienización del lavado de equipos y sala de ordeña. Solidos Totales (ST): En base a la toma de muestras. Sólidos totales - ST=17.320,0mg/L.=1,732%. Se establece un rango aplicable según la concentración de sólidos entre: (5.000 < ST (mg/L) < 45.000) o (0,5 < ST (%) < 4,5). Este método no aplica a sustratos mezclados y co-digeridos con otros residuos como es el caso de predios con aporte de Suero y tampoco a sustratos con altas concentraciones de sólidos (ST), como lo son los candidatos a digestores de tipo mezcla completa, ya que los valores resultan poco representativos. Los resultados obtenidos con este método se a continuación.
No
3,64
Aplica
13,0
Aplica
114,3
Laguna Cubierta
46,3
No
10,27
No Aplica
35,0
No Aplica
_
Mezcla Completa
7,3
24,6
No
1,42
Aplica
13,0
Aplica
24,6
Laguna Cubierta
4,63
7,3
33,8
No
15,35
No Aplica
35,0
No Aplica
_
Mezcla Completa
3,29
3,19
7,3
23,3
No
4,24
Aplica
13,0
Aplica
23,3
Laguna Cubierta
9,41
9,13
7,3
66,7
Sí
2,26
No Aplica
35,0
No Aplica
_
Mezcla Completa
3 (m /día) SUERO
3
Q0
FpR
1
16,14
15,66
7,3
114,3
3
6,55
6,35
7,3
7
3,47
3,37
8
4,78
12 14
APLICAN Rango de Temperatura de Operación en Porcentaje
RESULTADOS Producción de Biogás al Día.
3
3
Producción de Biogás al día
T (°C)
/m Sustrato)
[0,5 < ST(%) < 4,5]
en (m Biogás
ST(%)
(m Sustrato/día) Caudal de Entrada a Biodigestor con 3% Menos Factor Producción
Concentración de Sólidos Totales en (mg/L)
OBSERVACIONES
Rango de concentración de sólidos totales en Porcentaje
Q0
Predio
Análisis Comparativo y Aplicabilidad del Método Aporte a la Mezcla de Otros Residuos
Caudal Afluente de Decantador
Estimaciones Producción de Biogás
Temperatura Promedio de Operación
Datos
Tabla 2-8: Resultados Aplicación de Método N°2, Práctico
[11,0 < T(°C) < 17,0] (m3/día)
Tipo de Biodigestor Tipo Laguna Cubierta o Tipo Mezcla Completa
18
Este método considera una condición potencial de producción de biogás basada en un factor resultante de una toma de mediciones en la estación primaveral de la Región de Los Lagos.
Módulo 2
28
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
2.5.3. Estimación por Método N°3, Práctico Potencial de producción de biogás a partir de la cantidad de purines pre-definida por una mezcla constituida por (% de fecas y orines más un % agua) y la aplicación de un factor de producción de testeo experimental de un biodigestor de laboratorio tipo batch de mezcla completa. 3 𝑚𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠
Factor de producción real - 𝐹𝑝𝑟 = 15 − 30 [𝑚3
Tiempo de retención hidráulica - TRH=40 días.
𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜
]
Es de mencionar que este método en particular considera un potencial de producción de biogás basado en un factor resultante de una toma de mediciones en dos digestores experimentales, uno para simular biodigestores con mezcla de materia orgánica fecal más agua, y otro para simular uno con mezcla de materia fecal co-digerida con suero más agua. Con ello, se logra representar un año promedio, al ponderar por la producción estimada de fecas y orines en una mezcla igual o similar a la antes descrita. En la estimación se consideraron los siguientes parámetros: Temperatura (T°C): 35°C. Se establece un rango aplicable según la temperatura de operación entre: (33,0 < T°C 2000m Suero Quesos
0
Cumple
16,1419
1.452,8
Cumple
0
Cumple
6,5451
589,1
Cumple
0
Cumple
3,4726
312,5
Cumple
0
Cumple
4,7774
430,0
Cumple
Cumple
0
Cumple
3,2889
296,0
Cumple
Cumple
2.050
9,4137
847,2
Cumple
Cumple Cumple Cumple
Cumple
Evaluación: El cumplimiento de tan solo un parámetro para un biodigestor del tipo laguna cubierta conlleva a la clasificación para mezcla completa. Cabe destacar que la evaluación de cada caso involucra la puntuación de cada concordancia (cumple) con un valor numérico =1 y la inconcordancia =0 (no cumple). La evaluación tras este análisis queda de manifiesto a continuación.
20
“Fortalecimiento del marco regulatorio, capacidades técnicas y cartera de proyectos para el desarrollo de una industria local de biogás en el sector lechero”. Informe de Avance – Noviembre 2016. Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA).
Módulo 2
33
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Parametro Restrictivo (Lag. Mezc. C.) Tip. Lagun. Mezcla C. Predio < 4,5% > 4,5%
1
Cumple
3 7
Cumple
8 12
Cumple
14
Cumple
Aporte de Otros Residuos (SUERO)
Evaluación de los Sististemas
Alta o Baja Capacidad Volumétrica
Parametro Restrictivo Parametro Restrictivo (Lag. =No ; Sí= Mezc. C.) (Lag. Mezc. C.) Tip. Laguna Mezcla C. Tipo Laguna Mezcla C. (No aporta) (Sí aporta) < 2000m3 > 2000m3
Tipo Laguna
de Parametros
Conclusión
Alta o Baja Concentración (ST)
Tipo Mezcla Completa
∑
de Parametros
Alto o Bajo (ST) Aporte de (SUERO) Alta o Baja Capacidad
Resumen Selección de Sist. Tipo: (Laguna o Mezcla Compl.)
Alto o Bajo (ST) Aporte de (SUERO) Alta o Baja Capacidad
Datos
Tabla 2-11: Evaluación para Selección del Tipo de Biodigestor
∑
Cumple
Cumple
1
1
1
3
0
0
0
0
Laguna
Cumple Cumple
Cumple
0
1
1
2
1
0
0
1
Mezcla C.
Cumple
Cumple
1
1
1
3
0
0
0
0
Laguna
Cumple Cumple
Cumple
0
1
1
2
1
0
0
1
Mezcla C.
Cumple
Cumple
1
1
1
3
0
0
0
0
Laguna
Cumple
1
0
1
2
0
1
0
1
Mezcla C.
Cumple
2.6.2. Tipos de Unidades Básicas o Principales según Sistema de Digestión 2.6.2.1 Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Se describe como un sistema de 4 etapas: separación, digestión, almacenamiento y aprovechamiento. 1. Separación: Método físico por decantación en el cual se realiza una retención hidráulica de RILES por un determinado periodo con el fin de separar las fases y eliminar los elementos no deseados para la biodigestión. Como resultado del proceso se obtienen 3 fases, dos sólidas (superior e inferior) y una líquida (intermedia). Proceso realizado en un estanque decantador. 2. Digestión: Proceso de metanización mediante bacterias psicrófilas a temperaturas de operación entre 10°C a 25°C, dependiendo de las condiciones climáticas particulares de la zona y estación del año. Se realiza al interior de un biodigestor anaerobio sellado herméticamente considerando Tiempos de Retención Hidráulica (TRH) extensos (>50 días). 3. Almacenamiento: Para cada uno de los productos resultantes. a. Sustrato (subproducto): Se almacena en un estanque de acopio contiguo al biodigestor con un volumen dado por un TRH de entre 30 a 60 días. Una vez alcanzada la capacidad máxima, debe ser vaciado y regado en praderas para dar paso a una nueva producción. b. Biogás (producto): Acumulado en el mismo biodigestor mediante su cubierta flexible que opera como gasómetro. Su capacidad es limitada, posibilitando el almacenamiento de 2 a 3 días de producción. 4. Aprovechamiento: Consumo de los productos de la digestión. a. Sustrato: Utilizado como bio-fertilizante. Módulo 2
34
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales b. Biogás: Aprovechamiento para generación térmica, eléctrica o ambas en simultáneo (co-generación) dependiendo del potencial de generación de biogás para cada predio en particular. Criterio de utilización de biogás Aprovechamiento térmico: Uso del biogás en una caldera para reemplazar de forma total o parcial los consumos de agua caliente principalmente para higienización de salas y equipos. Aprovechamiento eléctrico: Utilización de equipos de generación de eléctrica para autoabastecer los consumos existentes y, en caso de presentar excedentes, inyectar a la red. Producción de biogás ≤ 25 [m3/día]
Utilización del biogás Térmico Potencial para generación eléctrica. Evaluación caso a caso dependiendo de los consumos existentes y el nivel de inversión requerido.
> 25 [m3/día]
Predio
(Lts)
3
3
DATOS
a Usar en (m /día) Biogás Destinado Generación de Energía (m3/día) (%) Porcentaje de Producción que se Usa en Generación
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Mezcla Completa PPPBD %PPPBD Kg/día Kcal/Kg Kcal/m3 BGLP
a Usar en (m /día) Caldera Agua Caliente Número de Veces en Uso Biogas para calentar 1 Lt. Agua a 80°C Cantidad de Biogás
Producción de
DATOS
3
DATOS
Tipo de Biodigestor
Estimaciones Biogás para Estimaciones Biogás Estimaciones Biogás Biogás para Reemplazo GLP para Reemplazo LEÑA Reemplazo Eléctrico Generador Eléc. a Usar en (m /día) Caldera Vapor o Agua Cal. Número de Veces en Uso Biogas para calentar 1 Lt. Agua a 80°C Cantidad de Biogás
Producción Promedio
3
OBS.
Biogás (m /día) (%) Porcentaje de Producción de Biogás Consumo GLP Generación Agua Caliente Energía que Entrega un 1Kg GLP Energía que Entrega un 1m3 Biogás Cantidad de Biogás
Datos
Tabla 2-12: Ejemplo Cálculo de Distribución de Volumen de Biogás
N° N° 3 3 B (Lts) B /día (m /Lt) LEÑA /día (m /Lt) ELÉc.
BGE
BGE /PPPBD
1
Laguna C.
100%
_
12.000
5600
_
_
_
0,03
_
_
_
0,03
_
88,9
100%
3
Mezcla C. 158,7 100%
_
12.000
5600
_
250
2
0,03
15,0
_
_
0,03
_
143,7
90,5%
7
Laguna C.
100%
_
12.000
5600
_
_
_
0,03
_
200
1
0,03
6,0
11,1
65%
8
Mezcla C. 145,6 100%
_
12.000
5600
_
_
_
0,03
_
_
_
0,03
_
145,6
100%
12
Laguna C.
3,000 12.000
5600
6,4
_
_
0,03
_
_
_
0,03
_
10,6
62,3%
14
Mezcla C. 136,9 100%
5600
_
200
4
0,03
24,0
_
_
0,03
_
112,9
82,5%
88,9
17,1
17,1
100%
_
12.000
Equipos principales sistema de Laguna Cubierta Nombre equipo Estanque Decantador Biodigestor Cámara de Registro Estanque de Acopio Caldera a biogás Recuperador de calor (intercambiador) Módulo 2
Cantidad Observaciones 2 1 4a5 1 1 1 Solo para generación eléctrica
35
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Generador de Energía Eléctrica Estación de Filtrado Sala de Máquinas Sala Tableros de Fuerza
1 1 1 1
Solo para generación eléctrica Solo para generación eléctrica Solo para generación eléctrica Solo para generación eléctrica
Figura 2-12: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Sin Generación Eléctrica Fuente: Biotecsur
Figura 2-13: Sistema de Digestión Tipo Laguna Cubierta Con Generación Eléctrica Fuente: Adaptado de http://www.farmersjoint.com
2.6.2.2 Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa Se describe como un sistema de 5 etapas, recepción, digestión, almacenamiento, filtrado, y aprovechamiento.
Módulo 2
36
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales 1. Recepción: Se realiza en un estanque que contempla agitación periódica y suave, permitiendo solo una leve separación de 3 fases, resultando una fase superior e inferior sólidas y una intermedia líquida. A diferencia del proceso de separación por decantación, en la recepción se busca solo la separación de la materia solida más gruesa y producir un mezclado de la materia sólida diluible u homogenizable en la fase líquida a fin de que sea ingresada en el biodigestor como sustrato. 2. Digestión: Proceso de metanización mediante bacterias mesófilas a temperaturas de operación entre los 25°C a 45°C. Se realiza en el interior de un digestor anaerobio herméticamente sellado con Tiempos de Retención Hidráulica de entre 20 a 40 días, razón por la cual su volumen es menor que los de laguna cubierta, pero requiere una estructura de soporte debido a que contempla agitación. 3. Almacenamiento: Para cada uno de los productos resultantes. a. Sustrato (subproducto): Se almacena en un estanque de acopio contiguo al biodigestor con un volumen dado por un TRH de entre 30 a 60 días. Una vez alcanzada la capacidad máxima, debe ser vaciado y regado en praderas para dar paso a una nueva producción. b. Biogás (producto): Acumulado en el mismo biodigestor mediante su cubierta flexible que opera como gasómetro. Su capacidad es limitada, posibilitando el almacenamiento de 2 a 3 días de producción. 4. Filtrado: Proceso en el cual se retienen las trazas de gases no deseados en el biogás con el propósito de: a. Eliminar ciertas trazas que son corrosivas para el equipo de generación eléctrica (grupo electrógeno). b. Aumentar la concentración de metano al eliminar gases inertes o no deseados, aumentando el poder calorífico del biogás y, por ende, su calidad. 5. Aprovechamiento: Consumo de los productos de la digestión. a. Sustrato: Utilizado como bio-fertilizante. b. Biogás: Aprovechamiento para generación eléctrica o co-generación. Dependiendo de los consumos particulares de cada caso, puede considerar adicionalmente la generación de energía térmica. Equipos principales sistema de Mezcla Completa
Módulo 2
37
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Nombre equipo Estanque de Recepción Biodigestor Cámara de Registro Estanque de Acopio Recuperador de calor (intercambiador) Generador de Energía Eléctrica Estación de Filtrado Sala de Máquinas Sala Tableros de Fuerza Sistema de agitación Sistema de calefacción por loza radiante Caldera a biogás
Cantidad 1 1 4a5 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Observaciones
Dependiendo de los consumos térmicos Dependiendo de los consumos térmicos
Figura 2-14: Sistema de Digestión Tipo Mezcla Completa Fuente: Biotecsur
2.6.3. Dimensionamiento de cada Unidad por TRH Una vez seleccionado el sistema a utilizar, se puede estimar el volumen del biodigestor en función del TRH.
Módulo 2
38
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Tipo de Sistema Laguna Cubierta Mezcla Completa
Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) 100 días 40 días 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟 𝑉 𝑇𝑅𝐻 = ( )=( ) 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑄𝑒
(L x A)S (m)
(L x A)I (m)
22,8
(52x10)
(55x13)
(49x7)
Diámetro Inferior Biodigestor
Diámetro Superior Biodigestor
(L x A)M (m)
2 A : (m ) ф M : (m) ф S : (m) ф I : (m)
Qe
TRH
V : (m )
h : (m)
15,66
100
1.566
3,0
522
25,8
28,8
Biodigestor RECTANGULAR
Largo y Ancho Inferior Biodigestor
3
Biodigestor REDONDO
Largo y Ancho Superior Biodigestor
Q0
DATO
Largo y Ancho Medio Biodigestor
Predio
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Mezcla Completa
Dimensiones de los (Biodigestores)
Diámetro Medio Biodigestor
Tipo de Biodigestor
Caudal Entrada Volumen (Sustrato) (Biodigestor) Profundidad Estandar Biodigestor Área Media Superficie en (m2) Biodigestores
OBS.
Caudal Afluente de Entrada a Decantador Caudal de Entrada a Biodigestor con 3% Menos Tiemo en (días) de retención Hidráulica Capacidad Volumétrica de los BIodigestores
Datos
Tabla 2-13: Ejemplo cálculo de volúmenes de Biodigestores para cada predio
1
Laguna Cub. 16,14
3
Mezcla Com.
6,55
6,35
40
254
3,0
85
10,4
13,4
7,4
(10x8,5) (13x11,5) (7x5,5)
7
Laguna Cub.
3,47
3,37
100
337
3,0
112
12,0
15,0
9,0
(11x10)
(14x13)
(8x17)
8
Mezcla Com.
4,78
4,63
40
185
3,0
62
8,9
11,9
5,9
(10x6)
(13x9)
(7x3)
12 Laguna Cub.
3,29
3,19
100
319
3,0
106
11,6
14,6
8,6
(11x10)
(14x13)
(8x7)
14 Mezcla Com.
9,41
9,13
40
365
3,0
122
12,5
15,5
9,5
(12x10)
(15x13)
(9x7)
En este manual se ejemplifican las dimensiones del biodigestor para dos casos: piscinas o estanques enterrados de forma circunferencial y rectangular. Para ello, es necesario conocer previamente el concepto de Talud. Talud: Se define matemáticamente como la relación entre la altura y la basa de una pendiente 𝑻𝒂𝒍𝒖𝒅 = 𝑻 =
𝑩𝒂𝒔𝒆 𝒃 = = 𝒃: 𝒉 𝑨𝒍𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒉
Tabla 2-14: Esquema Concepto de Talud
Módulo 2
39
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
Forma rectangular El cálculo puede ser realizado por la siguiente expresión: 𝑉=
ℎ · [(𝐿 · 𝐴) + 〈𝐿 − (2 · ℎ · 𝑇)〉 · 〈𝐴 − (2 · ℎ · 𝑇)〉] + √(𝐿 · 𝐴) · 〈𝐿 − (2 · ℎ · 𝑇)〉 · 〈𝐴 − (2 · ℎ · 𝑇〉 3
Forma circunferencial 2 2 (𝑉∅𝑆 − 𝑉∅𝐼 ) · ℎ) − (𝜋 · 𝑟∅𝐼 · ℎ) (𝜋 · 𝑟∅𝑆 2 𝑉 = 𝑉∅𝑆 − ( ] ) = 𝜋 · 𝑟∅𝑆 · ℎ − [ 2 2
Donde, 𝑉∅𝑆 : Volumen del cilindro según diámetro superior sin talud 𝑉∅𝐼 : Volumen del cilindro según diámetro inferior sin talud Talud = 1:1
Figura 2-15: Biodigestor circunferencial
Para el cálculo o dimensionamiento de los estanques de acopio se debe realizar el mismo procedimiento.
2.7.
Estimación de Generación de Energía
Esta Guía contempla el cálculo o la estimación de variables como la energía total contenida, potencia nominal, generación eléctrica y generación térmica, dichas variables serán individualizadas a continuación.
Módulo 2
40
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
2.7.1. Cálculo de Energía Total Contenida y Potencia Nominal Se debe entender por Energía Total Contenida (𝐸𝑇𝐶 ) como la energía total disponible con la que cuenta un combustible antes de ser combustionado. Dicha energía es la máxima teórica, la cual será aprovechada parcialmente dependiendo de la eficiencia del equipo. Por lo tanto, para 1m3 biogás con 61% de metano (CH4) tendremos el desarrollo de la siguiente expresión Expresión para la Energía Total Contenida en el Biogás, ilustrada a continuación: 𝑘𝑊ℎ 𝑚3 𝑘𝑊ℎ 𝐸𝑇𝐶 [ ] = 𝑄𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 [ ] · 𝑚[%𝐶𝐻4 ] · 𝑃𝐶𝐼 [ ] 𝑑í𝑎 𝑑í𝑎 𝑁𝑚3 𝐶𝐻4 Donde, 𝐸𝑇𝐶 : Energía Total Contenida en el biogás 𝑄𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 : Caudal diario de producción de biogás 𝑚: Porcentaje de metano contenido en el biogás 𝑃𝐶𝐼: Poder calorífico inferior del metano
Biodigestor
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Predio Mezcla
Estimaciones de Generación Eléctrica
Estimaciones de Generac Térmica
DATOS
DATOS
DATOS
3
Tipo de
Biogás Destinado Generación
Energía (m /día) Metano Presente en la Producción de Biogás Diaria (PCI) Poder Calorífico Inferior (CH 4) Energía Total Contenida Biogás en (KWh/día) Rango de Producción Eléctrica (%)Porcentaje Producción Efectiva Generación Eléctrica en (Kwhe/día) (%) Porcentaje en Relación a Energía Total Contenida (%)Porcentaje Generación Térmica (%)Porcentaje Producción Efectiva Generación Térmica en (Kwht/día) (%) Porcentaje en
OBS.
Biogás Destinado Generación de
Datos
Tabla 2-15: Ejemplo cálculo de Energía Total Contenida
BGE
Con %CH 4 KWh/N (60,98%) m3CH 4
ETC
KWh/m
3
(%)PE
GE
% % (%)PE (GE/ETC) (GT/ETC)
GT
1
Laguna C.
88,9
54,19
9,96
539,8
1,8
90%
144,0
26,7%
55%
90%
267,2
49
3
Mezcla C.
143,7
87,65
9,96
873,0
1,8
90%
232,8
26,7%
55%
90%
432,1
49
7
Laguna C.
11,1
6,77
9,96
67,4
1,8
90%
18,0
26,7%
55%
90%
33,4
49
8
Mezcla C.
145,6
88,82
9,96
884,6
1,8
90%
236,0
26,7%
55%
90%
437,9
49
12
Laguna C.
10,6
6,48
9,96
64,6
1,8
90%
17,2
26,7%
55%
90%
32,0
49
14
Mezcla C.
112,9
68,87
9,96
685,9
1,8
90%
182,9
26,7%
55%
90%
339,5
49
A partir de la Energía Total Contenida es posible calcular la Potencia Nominal Teórica de la instalación: 𝑚3 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝐸𝑇𝐶 [ ] 𝑄𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 [𝑑í𝑎] · 𝑚[%𝐶𝐻4 ] · 𝑃𝐶𝐼 [𝑁𝑚3 𝐶𝐻 ] 𝑑í𝑎 = 4 𝑃𝑛𝑜𝑚 [𝑘𝑊] = ℎ𝑟𝑠 ℎ𝑟𝑠 24 [ ] 24 [ ] 𝑑í𝑎 𝑑í𝑎 Módulo 2
(GT
41
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Donde, 𝑃𝑛𝑜𝑚 : Potencia nominal
OBS. Tipo de Biodigestor
Predio
Laguna Cubierta o Mezcla Completa
Biogás Destinado Generación
Estimaciones de Generación Eléctrica
Estimaciones de Potencia Eléctrica para Autoconsum
Biogás Destinado Generación de Energía (m3/día) Biogás Destinado Generación de Energía (m3/hr.) Metano Presente en la Producción de Biogás Diaria (PCI) Poder Calorífico Inferior (CH 4) Potencia Nominal Contenida Biogás en (KWh/hr) Rango de Producción Eléctrica (%)Porcentaje Producción Efectiva Generación Eléctrica (Kwhe/hr) (%) Porcentaje en Relación a Potenc. Nominal Contenida Agitación en Decantador y Biodigestor Bomba en sistema de calefacción Soplador de Biogás Total Potencia en Autoconsumo KW
Datos
Tabla 2-16: Ejemplo Cálculos de Potencia Nominal
DATOS
DATOS
BGE
BGE %CH 4 KWh/N por hora (60,98%) m3CH 4
Pnom.
KWh /m3
DATOS (Potencias)
(%)PE
GEH
% GEH/PNC
KW
KW
KW
PEA
%( /G
0
0
1
Laguna C.
88,9
3,7
2,26
9,96
22,5
1,8
90%
6,0
26,7%
0
0
0
3
Mezcla C. 143,7
6,0
3,65
9,96
36,4
1,8
90%
9,7
26,7%
6,0
0,4
0,5
7
Laguna C.
11,1
0,5
0,28
9,96
2,8
1,8
90%
0,7
26,7%
0
0
0
8
Mezcla C. 145,6
6,1
3,70
9,96
36,9
1,8
90%
9,8
26,7%
6,0
0,4
0,5
12 Laguna C. 10,6
0,4
0,27
9,96
2,7
1,8
90%
0,7
26,7%
0
0
0
0
14
4,7
2,87
9,96
28,6
1,8
90%
7,6
26,7%
5,0
0,4
0,5
5,9
Mezcla C. 112,9
6,9 71 0
6,9 70
2.7.2. Generación de Energía Para calcular la energía teórica total generada, ya sea eléctrica o térmica, se debe incorporar el concepto de eficiencia de los equipos. En generación eléctrica, la eficiencia de generación corresponde a aproximadamente un 30%, mientras que para la térmica, corresponde a cerca de un 85%. En el caso de cogeneración, la eficiencia global del sistema es cercana al 85%, donde la eléctrica representa un 30%, mientras que la térmica un 45% adicional. Resulta importante mencionar que dicha eficiencia depende exclusivamente de los equipos utilizados y es entregada por el fabricante en las especificaciones técnicas. 𝐸𝑒 [
𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ ] = 𝐸𝑇𝐶 [ ] · 𝜂𝑒 [%] 𝑑í𝑎 𝑑í𝑎
𝐸𝑡 [
𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ ] = 𝐸𝑇𝐶 [ ] · 𝜂𝑡 [%] 𝑑í𝑎 𝑑í𝑎
Donde, 𝐸𝑒 : Energía eléctrica teórica generada 𝐸𝑡 : Energía térmica teórica generada 𝜂𝑒 : Eficiencia equipo de generación eléctrica 𝜂𝑡 : Eficiencia equipo de generación térmica
Módulo 2
0
42
0
7
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Luego, tanto la potencia eléctrica y térmica se pueden expresar mediante las siguientes expresiones: 𝐸𝑇𝐶 [
𝑃𝑒 [𝑘𝑊] =
𝑃𝑡 [𝑘𝑊] =
𝑘𝑊ℎ ] · 𝜂𝑒 [%] 𝑑í𝑎 ℎ𝑟𝑠 24 [ ] 𝑑í𝑎
𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ ] · 𝜂𝑡 [%] 𝑑í𝑎 ℎ𝑟𝑠 24 [ ] 𝑑í𝑎
Donde, 𝑃𝑒 : Potencia eléctrica del equipo de generación
Módulo 2
BGE
Con %CH 4 KWh/N (60,98%) m3CH 4
DATOS
ETC
hrs/día
(%)Ne
Ee
Pe
% (%)PE (GT/ETC)
GT
PROYECTOS QUE APLICAN PARA GENERACIÓN ELÉC.
DATOS
Horas del Día
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Predio Mezcla
3
Biodigestor
DATOS
Energía (m /día) Metano Presente en la Producción de Biogás Diaria (PCI) Poder Calorífico Inferior (CH 4) Energía Total Contenida Biogás en (KWh/día)
Tipo de
Estimaciones de Generación Térmica
(%)Porcentaje de Eficiencia Eléctrica Generación de Energía Eléctrica en (Kwhe/día) Estimación de Potencia Eléctrica en (Kw) (%)Porcentaje Generación Térmica (%)Porcentaje Producción Efectiva Generación Térmica en (Kwht/día) (%) Porcentaje en Relación a Energía Total Contenida
Tabla 2-17: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Eléctrica Estimaciones de Generación OBS. Biogás Destinado Generación Eléctrica Biogás Destinado Generación de
Datos
𝑃𝑡 : Potencia térmica del equipo de generación
% Sí o No (GT/ETC)
1
Laguna C.
88,9
54,19
9,96
539,8
24,0
30%
161,9
6,7
55%
90%
267,2
49,5%
Sí
3
Mezcla C.
143,7
87,65
9,96
873,0
24,0
30%
261,9
10,9
55%
90%
432,1
49,5%
Sí
7
Laguna C.
11,1
6,77
9,96
67,4
24,0
30%
20,2
0,8
55%
90%
33,4
49,5%
No
8
Mezcla C.
145,6
88,82
9,96
884,6
24,0
30%
265,4
11,1
55%
90%
437,9
49,5%
Sí
12
Laguna C.
10,6
6,48
9,96
64,6
24,0
30%
19,4
0,8
55%
90%
32,0
49,5%
No
14
Mezcla C.
112,9
68,87
9,96
685,9
24,0
30%
205,8
8,6
55%
90%
339,5
49,5%
Sí
43
Con %CH 4 KWh/N (60,98%) m3CH 4
DATOS
ETC
hrs/día
(%)Nt
Et
Pt
% (%)PE (GT/ETC)
GT
PROYECTOS QUE APLICAN PARA GENERACIÓN ELÉC.
3
BGE
DATOS
Horas del Día
Tipo Laguna Cubierta o Tipo Predio Mezcla
DATOS
Energía (m /día) Metano Presente en la Producción de Biogás Diaria (PCI) Poder Calorífico Inferior (CH 4) Energía Total Contenida Biogás en (KWh/día)
Tipo de Biodigestor
Estimaciones de Generación Térmica
(%)Porcentaje de Eficiencia Térmica Generación de Energía Térmica en (Kwht/día) Estimación de Potencia Térmica en (Kw) (%)Porcentaje Generación Térmica (%)Porcentaje Producción Efectiva Generación Térmica en (Kwht/día) (%) Porcentaje en Relación a Energía Total Contenida
Tabla 2-18: Ejemplo cálculos de Energía y Potencia Térmica Estimaciones de Generación OBS. Biogás Destinado Generación Térmica Biogás Destinado Generación de
Datos
Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales
% Sí o No (GT/ETC)
1
Laguna C.
88,9
54,19
9,96
539,8
24,0
45%
242,9
10,1
55%
90%
267,2
49,5%
Sí
3
Mezcla C.
143,7
87,65
9,96
873,0
24,0
45%
392,8
16,4
55%
90%
432,1
49,5%
Sí
7
Laguna C.
11,1
6,77
9,96
67,4
24,0
45%
30,3
1,3
55%
90%
33,4
49,5%
No
8
Mezcla C.
145,6
88,82
9,96
884,6
24,0
45%
398,1
16,6
55%
90%
437,9
49,5%
Sí
12
Laguna C.
10,6
6,48
9,96
64,6
24,0
45%
29,1
1,2
55%
90%
32,0
49,5%
No
14
Mezcla C.
112,9
68,87
9,96
685,9
24,0
45%
308,7
12,9
55%
90%
339,5
49,5%
Sí
2.7.3. Determinación de Potencia Instalada Para determinar la potencia instalada, se debe considerar el tiempo de operación de los equipos. Ello viene dado por diversos factores, entre los que se encuentra la demanda total de energía, periodos punta que se busca reducir, sistemas de almacenamiento de energía (térmica principalmente), entre otros. 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 [𝑘𝑊] =
𝐸𝑇𝐶 [
𝑘𝑊ℎ ] · 𝜂𝑡 [%] 𝑑í𝑎 ℎ𝑟𝑠 𝑇𝑓 [ ] 𝑑í𝑎
Donde, 𝑇𝑓 : Tiempo de funcionamiento diario.
Módulo 2
44