Biogas as fuel/es

El biogás es una mezcla de aproximadamente un 50-75 % de metano, un 25-50 % de CO₂ _, un 0-10 % de nitrógeno y un 0-1 % de hidrógeno. Este gas se genera a partir de materia orgánica en descomposición anaeróbica, como estiércol y material vegetal . ^{[ 1 ]} Al ser artificial, se diferencia del gas natural , que se forma a gran profundidad bajo la superficie terrestre y está compuesto principalmente de metano.

Composición

El gas está compuesto de

• metano: 54 – 70%
• dióxido de carbono: 27 – 45%
• nitrógeno: 0,5 – 3%
• hidrógeno: 1 – 10%
• monóxido de carbono: 0,1%
• oxígeno: 0,1%
• sulfuro de hidrógeno: trazas ^{[ 2 ]}

Producción

El biogás se produce mediante un proceso conocido como digestión anaeróbica , en el que la materia orgánica se descompone mediante la actividad microbiológica. Como su nombre indica, se trata de un proceso que tiene lugar en ausencia de aire. Es un fenómeno que ocurre de forma natural en el fondo de estanques y marismas y da lugar al gas de marisma o metano , un gas combustible.

Existen dos tecnologías comunes creadas por el hombre para obtener biogás: la primera (la más extendida) consiste en la fermentación de desechos humanos y/o animales en digestores especialmente diseñados. La segunda es una tecnología desarrollada más recientemente para capturar metano de los vertederos municipales. La escala de las plantas de biogás sencillas puede variar desde un pequeño sistema doméstico hasta grandes plantas comerciales de varios miles de metros cúbicos. Los biodigestores comerciales de gran tamaño (es decir, alimentados con heces animales de granjas ganaderas ) suelen ser mucho más eficientes que los domésticos, ya que el estiércol de vacas (y animales similares) contiene muchos más sólidos volátiles que el de los humanos. Además, existe el problema de la pequeña cantidad de heces y materia vegetal disponible en los sistemas domésticos, lo que significa que se produce mucho menos gas, lo que lo convierte en un método menos obvio para ciertos fines, como la producción de electricidad.

Los materiales de origen para la producción de biogás

Aunque, en teoría, es posible utilizar únicamente vegetación, la mayoría de los biodigestores funcionan con una mezcla de estiércol y vegetación. Iniciar la digestión de la vegetación es mucho más difícil que con el estiércol, que se digiere fácilmente. Esto se debe a que, al incluir estiércol, se produce un aporte continuo de microorganismos necesarios para el funcionamiento del biodigestor. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, los microorganismos utilizados en la mayoría de los biodigestores son los mismos que se encuentran en el estiércol. Además de material vegetal, por ejemplo, de huertos, a veces se añaden cereales y tortas desaceitadas (por ejemplo, Jatropha, Pongamia, etc.).

El tipo de estiércol utilizado también es fundamental. Especialmente el estiércol con una gran cantidad de sólidos volátiles (SV) (material digerible para las bacterias y disponible para la producción de gas una vez recolectado), en relación con la cantidad total de estiércol, (SV) producirá biogás. El estiércol de vaca es muy rico en sólidos volátiles, al igual que el de caballo, cerdo, humano y pollo. La cantidad exacta de estiércol producido por día es:

• Vaca: Emite un promedio de 23 kg de heces al día, de las cuales aproximadamente 4.5 kg son sólidos y el resto agua. De estos 4.5 kg de sólidos, el 80 % (3.6 kg) son volátiles y pueden convertirse en gas.
• Caballo: produce un promedio de 36 libras de heces al día, de las cuales 5,5 libras son sólidos volátiles.
• cerdo: produce 7,5 libras por día, de las cuales 0,4 libras son sólidos volátiles.
• humano: produce 0,5 libras de heces al día, de las cuales 0,13 libras son sólidos volátiles.
• Los pollos producen 0,3 libras al día, de las cuales 0,06 libras son un sólido volátil.

Los residuos domésticos de cocina tienen el potencial de producir suficiente biogás para cocinar tres comidas al día para una familia de cuatro personas y aún sobrar para calentar agua para fregar. (Consulte el enlace a ARTI a continuación).

Mezcla de los materiales de origen

Con el proceso de digestión húmeda , al combinar los materiales de partida, es fundamental lograr una proporción adecuada de carbono/nitrógeno (C/N) (similar al compostaje convencional). El proceso requiere una parte de nitrógeno por cada 30 partes de carbono. El estiércol es rico en nitrógeno, con un promedio de unas 15 partes de carbono por cada parte de nitrógeno, por lo que todos los estudios demuestran que la producción de gas aumenta considerablemente al incluir material carbonado junto con el estiércol. La proporción de nitrógeno puede ser incluso mayor en los desechos animales si se incluye orina junto con las heces. Por lo tanto, es recomendable separar la orina de las heces y utilizar únicamente estas últimas.

Por ejemplo, el estiércol de pollo puro produce solo cinco pies cúbicos de gas por cada libra de estiércol, pero el estiércol de pollo mezclado con pulpa de papel produce ocho pies cúbicos de gas por cada libra de estiércol utilizado. El estiércol de vaca produce solo 1.5 pies cúbicos de gas por libra, pero el estiércol de vaca mezclado con recortes de césped produce 4.5 pies cúbicos de gas por libra de estiércol.

Existe otro método llamado digestión seca . Este proceso no utiliza estiércol en absoluto y, por lo tanto, es más adecuado para ciertas aplicaciones donde no es necesario procesarlo. Véase digestión anaeróbica .

Refinando el gas

El gas puede refinarse aún más para su uso en grupos electrógenos. El metano del gas también puede separarse para aumentar su potencia.

Separación del dióxido de carbono

El dióxido de carbono (CO₂ ₎ está presente en el biogás. Esto reduce su rendimiento como combustible. La gravedad específica del metano es de aproximadamente 0,55 con respecto al peso del aire, por lo que asciende, al igual que el hidrógeno. El dióxido de carbono, en cambio, pesa el doble que el aire. Dentro de un depósito de gas vertical, si se deja que los gases se asienten, se separarán de forma natural y los gases inflamables ascenderán a la superficie. Este hecho sugiere que un buen diseño debería incluir una llave de purga en la parte inferior del depósito de gas vertical. Úsela para purgar el dióxido de carbono acumulado.

Eliminando el dióxido de carbono

El dióxido de carbono también se puede eliminar. ^{[ 4 ]}

Las formas de hacerlo son:

• Acepte el menor rendimiento: seguirá funcionando y se ahorrará muchos problemas. Esta podría ser la mejor opción para aplicaciones muy pequeñas.
• Depurar el CO2 _con azufre (por ejemplo, ver el proyecto de depuración de CO2 de biogás)
• En el futuro, podrían estar disponibles tecnologías de separación como una esponja molecular de plástico. ^{[ 5 ]}

Eliminación de sulfuro de hidrógeno

El sulfuro de hidrógeno ^W (H₂S _, también llamado "gas de huevo podrido") es un producto común de la digestión anaeróbica. Provoca un olor desagradable y, en concentraciones suficientemente altas, puede ser altamente tóxico. (Tenga en cuenta que adormece el sentido del olfato mucho antes de ser mortal; por lo tanto, si puede olerlo, aún no es mortal).

El sulfuro de hidrógeno es corrosivo y vuelve quebradizos algunos aceros. Por lo tanto, si hay una cantidad significativa, es importante eliminarlo antes de que el gas pase a través de cualquier equipo, especialmente de hierro o acero. (¿Qué ocurre con otros materiales? Es solo muy débilmente ácido, por lo que no parece ser la acidez la causa del problema con el acero).

Producción mediante biodigestores

Se han desarrollado dos diseños populares y sencillos de digestores: el biodigestor de cúpula fija (digestor chino de cúpula fija) y el biodigestor de tambor flotante (digestor indio de biogás con tapa flotante). Los ejemplos mencionados se muestran en las figuras 1 y 2. El proceso de digestión es el mismo en ambos digestores, pero el método de recolección de gas difiere. En el de tapa flotante, la tapa sellada con agua del digestor puede ascender a medida que se produce gas y actúa como cámara de almacenamiento, mientras que el de cúpula fija tiene menor capacidad de almacenamiento de gas y requiere un buen sellado para evitar fugas. Ambos están diseñados para su uso con desechos animales o estiércol.

Los residuos se introducen en el digestor a través de la tubería de entrada y se digieren en la cámara de digestión. El resultado del proceso es una combinación de metano y dióxido de carbono, generalmente en una proporción de 6:4. El tiempo de digestión varía de un par de semanas a un par de meses, dependiendo de la materia prima y la temperatura de digestión. El lodo residual se retira a la salida y puede utilizarse como fertilizante .

Aislamiento

La temperatura del proceso de producción de biogás es crucial. Las bacterias productoras de metano operan con mayor eficiencia a temperaturas entre 95 °F y 100 °F (o aproximadamente 35 °C). En climas más fríos, puede ser necesario añadir calor a la cámara para que las bacterias realicen su función. En lugares donde la temperatura desciende por debajo de los 5 °C (40 °F) en invierno, aproximadamente el 20 % del gas generado se necesitará para calentar el digestor y mantener el material en digestión. Por lo tanto, se requiere un aislamiento adecuado.

El aislamiento debe aplicarse completamente alrededor del tanque, así como debajo de él (entre el tanque y el suelo). Esto se debe a que la temperatura del suelo, a varios pies por debajo de la superficie, se mantiene relativamente constante entre 10 °C y 13 °C, actuando así como un disipador de calor que extrae el calor del tanque. Es posible excavar el tanque en el suelo (para reducir el enfriamiento por el viento), pero es mejor dejar un espacio libre entre la tierra y el tanque.

Usos

La digestión de desechos animales y humanos para obtener biogás tiene varios usos:

• la producción de biogás o metano puro para su uso como combustible para cocinar.
• Los residuos se reducen a purines con un alto contenido de nutrientes, lo que los convierte en un fertilizante ideal. En algunos casos, este fertilizante es el producto principal del digestor y el biogás es simplemente un subproducto. Se le conoce como Biol.
• Durante el proceso de digestión se eliminan las bacterias del estiércol, lo que supone un gran beneficio para la salud ambiental.

El biogás es un combustible bien establecido para cocinar e iluminar en varios países, mientras que un importante factor motivador en el desarrollo de biocombustibles líquidos ha sido el impulso a reemplazar los combustibles derivados del petróleo.

Los biodigestores a pequeña escala suelen proporcionar combustible para la iluminación y la cocina doméstica. Son unidades pequeñas que generan solo unos pocos metros cúbicos de biogás al día, lo que proporciona suficiente gas para cocinar para toda una familia. Cuando se utilizan biodigestores que generan más de unos pocos m³ de biogás, resulta económicamente interesante adquirir un grupo electrógeno para generar electricidad, aunque su uso no es tan eficiente como el de combustible para cocinar.

También puede utilizarse como combustible para motores térmicos; sin embargo, es mucho menos potente que gases comparables (como el metano puro ) y, por lo general, solo se utiliza en motores térmicos estacionarios. ^{[ 6 ]} Los motores de vehículos suelen utilizar mejor el metano (comprimido) u otro tipo de combustible . El biogás puede utilizarse en motores diésel introduciéndolo en el aire que se inyecta al motor para su combustión, lo que permite un menor consumo de gasóleo.

Uso en motores de combustión interna para producir electricidad

La mayoría de los hogares utilizan grupos electrógenos portátiles (que son motores de combustión interna combinados con un alternador o dinamo) en el rango de 400 vatios a 5000 vatios (1,4 a 8 HP). Los grupos electrógenos utilizados para funcionar con biogás son los mismos que los utilizados para funcionar con gas propano o gas natural. ^{[ 7 ]} Son motores simples de gasolina (no diésel). Para determinar el tamaño del grupo electrógeno que necesita, primero debe examinar sus facturas de electricidad actuales. Averigüe el consumo energético diario. Si consume 20 kWh al día, entonces necesita un grupo electrógeno de 5 kW que funcione durante 4 horas o un grupo electrógeno de 2 kW que funcione durante 10 horas. Los grupos electrógenos consumen alrededor de 0,5-0,9 m³ de biogás para generar cada kWh. Por lo tanto, si tiene un grupo electrógeno de 2 kW, consumirá alrededor de 1,2 m³ de biogás cada hora. Por lo tanto, si lo hace funcionar durante 10 horas, necesitará 12 m³ de biogás, la cantidad de gas generada por el estiércol fresco de unas 20 vacas. La mayoría de los sistemas utilizan una batería para almacenar la energía generada por el grupo electrógeno. Es posible prescindir de la batería, pero requeriría un dimensionamiento preciso del grupo electrógeno (HP) y podría generar problemas (por ejemplo, subproducción o sobreproducción, dependiendo de los electrodomésticos que se utilicen simultáneamente en el hogar).

El grupo electrógeno portátil siempre debe arrancarse con gasolina y luego funcionar durante un minuto con gasolina antes de cambiar a biogás. Una vez caliente, el motor funcionará completamente con biogás. El consumo de gas de los motores de gasolina es aproximadamente el 60 % del de los motores diésel de doble combustible, por lo que se obtiene mayor potencia del biogás con motores de gasolina. El grupo electrógeno debe cambiarse a modo gasolina al apagarse, ya que esto ayuda a purgar el motor de biogás.

Ventajas y desventajas

Ventajas ^{[ se necesita verificación ]}

• Reduce la contaminación del aire interior y la deforestación.
• Se dedica menos tiempo a recoger leña y a cocinar si se utiliza gas para cocinar.
• Requiere muy poca operación y mantenimiento
• Reduce las emisiones que contribuyen al cambio climático

Desventajas ^{[ se necesita verificación ]}

• Puede que no produzca suficiente energía
• Sólo puede sustituir al gas, no a otros tipos de energía.
• Puede ser difícil de almacenar
• Es difícil obtener buenos resultados en climas más fríos.

Costos

Las plantas de biogás cuestan entre $150 y $200/m³, dependiendo de su tamaño y material de construcción. En la mayoría de los lugares, existen subvenciones y préstamos gubernamentales para la construcción. El grupo electrógeno cuesta entre $700 y $1500. Otros componentes necesarios son equipos de monitoreo, como un medidor de gas, un medidor de presión, un medidor de caudal, un medidor de kWh, un medidor de corriente y un medidor de voltaje. También se requieren un medidor de pH y un termómetro para monitorear la digestión en la planta de biogás.

Adopción en países en desarrollo

Algunos países han iniciado programas de biogás a gran escala, como Tanzania. El modelo tanzano se basa en la recuperación integrada de recursos a partir de residuos municipales e industriales para la producción de electricidad y fertilizantes a través de la red.

La producción de biogás a pequeña escala en zonas rurales es ahora una tecnología consolidada, especialmente en países como China e India. A finales de 1993, aproximadamente cinco millones y cuarto de hogares agrícolas contaban con digestores de biogás, con una producción anual de aproximadamente 1.200 millones de metros cúbicos de metano, así como una planta eléctrica alimentada con biogás de 3.500 kW de capacidad instalada . En India, el desarrollo y la difusión de la tecnología de gasificación se han generalizado y se utiliza para satisfacer diversas necesidades energéticas rurales, por ejemplo, el bombeo para riego y la electrificación de pueblos.

Kenia depende del petróleo importado para cubrir el 75% de sus necesidades energéticas comerciales. En 1980, para reducir esta alta dependencia de una fuente de combustible controlada externamente, el gobierno keniano creó el Programa Especial de Energía (PEE). Un aspecto del programa fue la introducción y difusión de la tecnología de plantas de biogás. Tras un comienzo poco satisfactorio con instituciones educativas, el programa se dirigió a artesanos locales y comercios del sector privado. Se impartió formación práctica a albañiles y fontaneros, y se animó a comerciantes privados a fabricar y abastecer electrodomésticos como cocinas y lámparas. Para 1995, se estimaba que el número de plantas instaladas en Kenia era de 880.

Notas

La gasificación de biomasa es un proceso completamente distinto. Véase Gasificación de biomasa . El biodiésel también es un proceso completamente distinto.

Véase también

• Diseños de biodigestores
• Hidrólisis térmica: proceso alternativo que se utiliza para la producción de biogás en grandes plantas, es decir, plantas de tratamiento de aguas residuales ; algunos proyectos de ejemplo son rwzi Apeldoorn, Waterschap Aa en Maas ^{[ 8 ].}
• digestión anaeróbica

Referencias

Bibliografía

• Anónimo (Oficina del Grupo Líder para la Propagación de Gas de Marismas), Un Manual de Biogás Chino , 1981. Un trabajo clásico sobre la producción de biogás en China, que muestra la construcción de digestores subterráneos a pequeña escala.
• Gunnerson CG y Stuckey DC, Digestión anaeróbica: principios y prácticas para sistemas de biogás . Documento técnico n.° 49 del Banco Mundial, 1986. Una buena visión general.
• Gitonga, Stephen, Promoción del biogás en Kenia. Tecnología Intermedia Kenia, 1997.
• Fulford, David, " Dirección de un programa de biogás: Manual" , Practical Action Publications, 1988 (en proceso de actualización). Ofrece información útil sobre la gestión de programas de biogás regionales o nacionales, así como información técnica relevante sobre el diseño de quemadores para biogás.
• House, David, The Complete Biogas Handbook , revisado en 2007. Una obra muy extensa. Hay varios capítulos disponibles para descargar.
• Ravindranath, NH y Hall, DO, Biomasa, energía y medio ambiente: Una perspectiva desde la India para países en desarrollo. Oxford University Press, 1995.
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• Johansen, TB et al., Fuentes de energía renovable para combustibles y electricidad. Island Press, Washington D. C., 1993.
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• Stassen, HE, Gasificadores de biomasa a pequeña escala para calefacción y electricidad: una revisión global. Documento técnico n.° 296 del Banco Mundial, Energy Series, 1995.
• Quaak, P., Knoef, H. y Stassen, HE, Energía a partir de biomasa: una revisión de las tecnologías de combustión y gasificación. Documento técnico n.° 422 del Banco Mundial, Energy Series, 1999.
• Anderson, T., Doig, A., Rees, D. y Khennas, S., Servicios de energía rural: Manual para el desarrollo energético sostenible. ITDG Publishing, 1999.

Enlaces externos

• Wikipedia:Biogás
• http://www.rebelwolf.com/essn/ESSN-Oct2005.pdf
• Manual del biodigestor de Al Rutan
• Biogashelpline, dirigida por Hemant Thite, vende algunos libros sobre el tema
• BuildItSolar; biogás
• Video: Instalación de biodigestores de bajo costo en el Altiplano, Bolivia
• Vídeo: Planta industrial de biogás de dos etapas. Alemania
• Letrinas biológicas en barrios marginales de Kenia .
• Biblioteca de biocombustibles
• Preguntas frecuentes sobre biogás
• Breve descripción de los proyectos de biogás, principalmente en India, China, Nepal y África
• Tierra del Pueblo: Energía: Biogás
• ARTI: Biogás a partir de residuos alimentarios
• Foros de biogás en Permies.com

Datos de la página

Palabras clave	biogás , combustible , energía
Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS)
Autores	Chris Watkins , KVDP , Matt Byrne
Licencia	CC-BY-SA-3.0
Portado desde	https://practicalaction.org ( original )
Idioma	Inglés (en)
Traducciones	francés , alemán
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Creado	2 de abril de 2007 por Chris Watkins
Última edición	18 de abril de 2024 por Kathy Nativi
Citar como	Chris Watkins , KVDP , Matt Byrne (2007–2024). «Biogás como combustible» . Appropedia . Consultado el 19 de agosto de 2025 .
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