Generación de potencia eléctrica con biogas

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(1)GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA CON BIOGAS. IVAN ALEJANDRO MOLANO DIAZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTA D.C. 2002.

(2) GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA CON BIOGAS. AUTOR: IVAN ALEJANDRO MOLANO DIAZ CODIGO: 199722854. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTA D.C. 2002 II.

(3) GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA CON BIOGAS. AUTOR: IVAN ALEJANDRO MOLANO DIAZ CODIGO: 199722854. PROFESOR ASESOR: JOSE IGNACIO HUERTAS CARDOZO, ME, MSc, DSc. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTA D.C. 2002 III.

(4) Bogotá D.C., Enero 30 de 2003. Doctor ALVARO ENRIQUE PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Ciudad. Apreciado Doctor:. Someto a su consideración el proyecto de grado titulado GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA CON BIOGAS, que tiene como objetivo evaluar el funcionamiento de una planta eléctrica usando biogás y la factibilidad económica de usarlo como combustible para la cogeneración de energía eléctrica en la agroindustria. Considero que este proyecto cumple con sus objetivos y lo presento como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico.. Cordialmente,. IVAN ALEJANDRO MOLANO DIAZ Código 199722854. III.

(5) Bogotá D.C., Enero 30 de 2003. Doctor ALVARO ENRIQUE PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Ciudad. Apreciado Doctor:. Someto a su consideración el proyecto de grado titulado GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA CON BIOGAS, que tiene como objetivo evaluar el funcionamiento de una planta eléctrica usando biogás y la factibilidad económica de usarlo como combustible para la cogeneración de energía eléctrica en la agroindustria. Certifico como asesor que el proyecto de Grado cumple con los objetivos propuestos y que por lo tanto califica como requisito para optar el título de Ingeniero Mecánico.. Cordialmente,. JOSE IGNACIO HUERTAS CARDOZO, ME, MSc, DSc Profesor asesor. IV.

(6) AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos a:. JOSE IGNACIO HUERTAS, profesor asociado de la Universidad de los Andes y asesor del proyecto.. JUAN FAJARDO, ingeniero mecánico y estudiante de maestría cuyo proyecto de grado sirvió de base indispensable para la realización del presente proyecto.. PERSONAL DE MECANICA DEL CENTRO DE INNOVACION Y TECNOLOGIA DE LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES (CITEC).. A todas aquellas personas que en una u otra forma colaboraron en la realización del presente proyecto.. V.

(7) A mis padres, Por su apoyo y comprensión en los momentos importantes.. A mi hermano, por su incondicional colaboración.. VI.

(8) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCION.................................................................................................. 12 2. BIOGAS................................................................................................................ 15 2.1 CARACTERIZACION DEL BIOGAS............................................................ 18 2.2 BIOGAS COMO COMBUSTIBLE................................................................. 20 2.3 TRATAMIENTOS DE PURIFICACION DEL BIOGAS................................. 22 2.3.1 ABSORCION CON AGUA O CON SELEXOL.................................... 22 2.3.2 REACCION MEDIANTE OXIDACION................................................ 25 3. DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LA COMPOSICION DEL BIOGAS..... 28 3.1 COMPOSICION DEL BIOGAS..................................................................... 30 3.2 EXPERIMENTO PARA DETERMINAR LA COMPOSICION DEL BIOGAS USANDO ORSAT......................................................................................... 31 3.3 FACTOR DE COMPRESIBILIDAD USANDO LA CORRELACION DE. 34. STANDING & KATZ...................................................................................... 4. COMPRESION DEL BIOGAS.............................................................................. 37 4.1 PRUEBA DE COMPRESION....................................................................... 38 4.2 COSTO ECONOMICO DE COMPRIMIR BIOGAS...................................... 42 5. GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA A PARTIR BIOGAS........................ 44 5.1 OPERACIÓN DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA USANDO BIOGAS........................................................................................................ 46. 7.

(9) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 5.2 PRUEBA DE EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA USANDO BIOGAS....................................... 46 5.3 ANALISIS ENERGETICO ECONOMICO DE LA GENERACION ELECTRICA CON BIOGAS.......................................................................... 49. 6. CONCLUSIONES. 56. 7. BIBLIOGRAFIA......................................................................................... 59. 8. ANEXOS.................................................................................................. 61. 8.

(10) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. LISTA DE FIGURAS. Figura 1.. Ciclo de producción de biocombustibles..................................... 9. Figura 2.. Producción de gas con estiércol fresco de cerdo.......................... 13. Figura 3.. Temperatura de llama para CH4 con diferentes excesos de aire.. 17. Figura 4.. Solubilidad de CH4, CO2 y H2S en agua........................................ 20. Figura 5.. Esquema de absorción en solución de CO2 y H2S........................ 21. Figura 6.. Esquema de desulfurizacion......................................................... 25. Figura 7.. Curva real de potencia del compresor........................................... 34. Figura 8.. Curva de potencia al 75 % de eficiencia....................................... 35. Figura 9.. Costo económico de comprimir biogás......................................... 35. Figura 10. Esquema de generación eléctrica................................................. 40. Figura 11. Curva de potencia de un motor de combustión interna usando biogás y gasolina........................................................................... 43. Figura 12. Energía total generada con biogás................................................ 45. Figura 13. Energía utilizada comprimiendo biogás. 46. Figura 14. Energía neta generada usando biogás. 47. Figura 15. Utilidad económica al generar potencia eléctrica con biogás. 48. 9.

(11) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. LISTA DE TABLAS. Tabla 1.. Composición del biogás................................................................ Tabla 2.. Cuadro comparativo de las características del biogás y el gas 15. 14. natural........................................................................................... Tabla 3.. Contenido de CO2, CO y O2 del biogás antes y después de la 21 combustión.................................................................................... Tabla 4.. Composición del biogás de la granja “El vegel” con ORSTA........ 29. Tabla 5.. Composición del biogás de la granja “El vegel” con cromatografía de 30 gases................................................................. Tabla 6.. Comportamiento del biogás basado en la regla de Kay................ 10. 31.

(12) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. LISTA DE ANEXOS. Anexo 1.. Solubilidad de CH4, CO2 y H2S en agua.. 63. Anexo 2.. Carta de correlación de standing y katz. 66. Anexo 3.. Resultado del análisis de biogás usando la regla de Kay.. 67. Anexo 4.. Tarifas de la energía eléctrica residencial año 2001. 68. Anexo 5.. Precio de bolsa de la energía eléctrica año 2001. 69. Anexo 6.. Precio de bolsa de la energía eléctrica año 2002. 70. 11.

(13) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. LISTA DE SIMBOLOS. kW. 1 x 103 watios. MW. 1 x 106 watios. ppm. Partes por millon. ºC. Grados centígrados. ºR. Grados rankine. kJ. 1 x 103 joules. MJ. 1 x 106 joules. kmol. 1 x 103 moles. m3. Metros cúbicos. m. Metros. s. Segundos. kg. 1 x 103 kilogramos. M. Molaridad. kWh. Kilo-Watio-Hora. 12.

(14) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 1. INTRODUCCION. Biogás es el término utilizado para designar los gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica por acción bacteriana en condiciones anaerobias (sin presencia de aire), su componente principal es el metano que lo convierte en un combustible con propiedades energéticas similares a las del gas natural. Entre las diversas aplicaciones que tiene este gas se encuentra la posibilidad de generar potencia eléctrica, que bajo ciertas condiciones de producción puede resultar económicamente mas rentable que utilizar la energía suministrada por los distribuidores del área.. Las maquinas de combustión interna que usan biogas. constituyen en otros países una ya antigua y muy confiable tecnología. En el mundo, se han implementado cientos de maquinas de este tipo que usan el biogas resultante del tratamiento de aguas residuales, estiércol animal y basuras. La producción a partir del estiércol animal es muy viable en granjas dedicadas a la actividad agropecuaria debido a las grandes cantidades que deben tratar, para lo cual, se utiliza un dispositivo llamado biodigestor cuya función es crear el ambiente propicio para que la bacteria anaerobia encargada de la descomposición pueda existir. De acuerdo con el informe 24 de la agencia internacional de energía (IEA) de diciembre del 2000 [1], los rangos de generación eléctrica conocidos en el mundo van desde 45 kW en pequeñas granjas hasta casi los 10 MW en grandes plantas de tratamiento de desechos. Evaluar la capacidad de generación eléctrica con biogas requiere conocer su calidad, la cual a su vez esta determinada por el tipo de desecho orgánico en descomposición.. 13.

(15) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. El biogás puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a gasolina. Sin embargo, para aplicaciones de generación por encima de los 60 kW es mas eficiente utilizar motores diesel bien sea remanufacturados (convertidos en motores de gas con ignición de chispa) cuya eficiencia es cercana al 29 % o motores duales (usan biogás con una porción de diesel de entre un 8 y 10 % necesario para la ignición) cuya eficiencia esta alrededor del 31 %. Para motores con alta capacidad de generación se han alcanzado eficiencias hasta del 38 %. Desde el punto de vista de las emisiones contaminantes, se han logrado niveles de NOx y CO por debajo de 500 ppm en combustión con 50 % de exceso de aire.. En biodigestores alimentados con estiércol de cerdo fresco se obtienen las mejores producciones de biogás. El estiércol de cerdo retenido por tiempo suficiente (mas de 90 días) y a una temperatura de 33 ºC puede llegar a producir 120 litros diarios de biogás por cada kilogramo de estiércol seco que se le alimente. Esta es la razón por la cual el sistema es mas explotado en regiones tropicales. Nace entonces la motivación de analizar cual es la capacidad de generación eléctrica de una granja porcicola y cuales son las condiciones de operación para lograr que el biogás pueda ser usado para la generación de energía eléctrica con beneficios económicos en el largo plazo.. El objetivo de este proyecto es evaluar el funcionamiento de una planta eléctrica usando biogas. Para tal efecto, se tomaron varias muestras del biogás producido por la descomposición del estiércol generado en la granja “El vergel” de Silvania-Cundinamarca dedicada a la cría y engorde de cerdos, determinando analíticamente las condiciones de operación optimas y la infraestructura requerida para disponer de él en cantidades suficientes. Se realizaron pruebas experimentales que permitieron hacer un seguimiento. 14.

(16) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. estadístico y elaborar una evaluación económica sobre la factibilidad de usar biogás como fuente de energía sustituta.. En principio, se describen las características del biogas mas relevantes para la generación de potencia eléctrica; con base en esto y como resultado de un análisis preliminar, se argumenta la necesidad de comprimir el biogas debido a los grandes volúmenes que ocupa a condiciones normales teniendo en cuenta el gasto en energía que implica dicha compresión; y finalmente, se establece un rango posible de generación eléctrica en función de la cantidad de animales teniendo en cuenta la menor eficiencia alcanzada en las pruebas realizadas durante el proyecto y la mayor eficiencia reportada por la literatura en la generación de potencia eléctrica con biogas. A partir de estos rangos de generación y con base en datos estadísticos suministrados por las entidades gubernamentales1 encargadas del control y planeación del tema energético en Colombia, se elabora una proyección del ahorro en dinero que significa implementar un sistema que permita generar y usar la energía eléctrica que en la mayoría de casos se desperdicia.. 15.

(17) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 2. BIOGAS. El biogas es un combustible obtenido a partir de la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaerobias. Una bacteria es la responsable de descomponer la materia carbo hidratada e iniciar el proceso, pero para que esta pueda existir es necesario evitar la entrada de oxigeno del aire exterior. Durante el proceso de digestión el carbono reacciona y se reparte entre CO2 completamente oxidado y CH4 completamente reducido. Por otro lado, se forman nutrientes solubles que son excelentes fertilizantes. Aunque la energía disponible de la combustión del biogás es entre un 60 y un 90 % del calor de combustión del estiércol seco, hay que tener en cuenta que por lo general este solo constituye un 5% del material de alimentación y el resto es agua; además de esto, no todos lo parásitos y patógenos son destruidos durante la combustión por lo que la eficiencia de conversión disminuye notoriamente. La ecuación general de la digestión anaerobia es:. C x H y O z + ( x − y / 4 − z / 2) H 2 O → ( x / 2 − y / 8 − z / 4)CO2 + ( x / 2 − y / 8 − z / 4)CH 4. que para el caso de la celulosa C6H10O5, compuesto presente en grandes cantidades en la materia orgánica en descomposición y bajo condiciones de humedad del 95% es:. C 6 H 10 O5 + 0.95 H 2 O → 2.85CO2 + 2.85CH 4 + 250kJ. 1. UPME (Unidad de planeación minero energética ), CREG (Comisión de regulación de energía y gas). 16.

(18) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. La producción de gas es una función del tiempo de retención y de la temperatura de fermentación. La digestión ocurre con mayor rapidez a altas temperaturas según la siguiente función lineal:. 2 *T 5 donde : G : Litros diarios de biogas por cada kg de estiercol puro T : Temperatura de fermentacion G=. Los biodigestores se clasifican según su temperatura de fermentación en:. •. Termofilicos: Rangos de digestión de 45 a 60 ºC con resultados óptimos a temperaturas cercanas a los 55 ºC en condiciones de laboratorio.. •. Mesofilicos: Temperatura de operación entre 30 y 45 º C.. •. Operados a temperatura ambiente: Como su nombre lo indica funcionan a temperaturas que varían con el clima, por lo cual pueden ser muy inestables en regiones con clima estacionario pero adecuado en regiones tropicales.. •. Psicrofilico: Gracias a la presencia de un microbio es posible hacer la digestión anaerobia a muy bajas temperaturas, actualmente se encuentran en estudio.. 17.

(19) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. La figura 1.2, construida experimentalmente por Sasse [2] permite hacer una estimación de. Biogas producido diario (L/kg). la producción de gas bajo distintas condiciones de operación.. 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100 110 120. Tiempo de retención (días). antibiotica. 25ºC. 26º-28ºC. 33ºC. Figura 2: Producción de gas con estiércol fresco de cerdo en función del tiempo de retención y de la temperatura del digestor. El proceso bioquímico de digestión ocurre en tres etapas:. 1) Descomposición de materiales insolubles biodegradables: En esta etapa, compuestos tales como celulosa, sacarosa y grasas se descomponen en carbohidratos en solución y en ácidos.. 2) Formación de bacteria ácida: Principalmente se produce ácido acético y propionico.. 18.

(20) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 3) Descomposición en metano: Después de cierta cantidad de tiempo el biogás que se forma se compone principalmente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Sin embargo, pueden aparecer algunas trazas de hidrogeno y ácido sulfhídrico (H2S). Las proporciones comunes de la composición del biogás se muestran en la siguiente tabla:. Tabla 1.1: Composición del biogás COMPUESTO. PROPORCION VOLUMETRICA. Metano (CH4). 50-60 %. Dióxido de carbono (CO2). 38-48 %. •. Hidrogeno (H2). •. Acido sulfhídrico (H2S). •. Hidrocarburos. 1-3 %. orgánicos. no. metálicos (HONM) •. Hidrocarburos halógenos. Para la formación del metano se debe garantizar que la solución sea medianamente ácida (p.h. entre 6 y 7), y la presencia de nitrógeno y fósforo en cantidades equivalentes al 10% y 2% respectivamente de la masa seca alimentada.. 2.1 CARACTERIZACION DEL BIOGAS. Los combustibles a base de carbono, como el metano, tienen una energía disponible de 450 kJ por cada mol de carbono según su nivel de reducción (R) de acuerdo con la siguiente función:. 19.

(21) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. E = 450 * R donde : E : Energia disponible en kJ por mole R : Nivel de reduccion. Para el caso particular del metano (CH4) que tiene un nivel de reducción 2 que indica que es completamente reducido, la energía disponible seria de 900 kJ por Kmol de metano o 56 kJ por cada gramo de metano. Sin embargo, la presencia de mezclas tiene consigo perdidas significativas en la disponibilidad real debido a que la evaporación de agua requiere 2.3 MJ por cada kg de agua, como resultado de esto, la eficiencia de conversión es de solo el 50 % lo que genera entre 4 y 8 MJ por cada kilogramo de estiércol seco. Para hacerse una idea de que cantidad de volumen se requiere para disponer de energía suficiente, se dice que por cada m3 de carbón mineral se requieren entre 3 y 4 m3 de material biológico para proveer la misma cantidad de energía.. Las características energéticas del biogás son un poco inferiores que las del gas natural. Como parámetro general se sabe que dicho contenido energético esta determinado por la concentración de metano, según la siguiente relación:. EC = 0.1 * M donde :. (. EC : Energia contenida en el biogas kWH. m3. ). M : Porcentaje de metano en base sec a. El siguiente cuadro establece comparativamente las diferencias entre estos dos combustibles. 20.

(22) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Tabla 1.2: Cuadro comparativo de las características del biogás y el gas natural. Parámetro. Biogás. Gas natural. (60% CH4, 38% CO2, 2 % otros) Poder calorífico inferior (MJ/m3). 21.46. 36.14. 1.21. 0.82. Indice de Wobbe inferior (MJ/m ). 19.5. 39.9. Máxima velocidad de ignición (m/s). 0.25. 0.39. Cantidad de aire teórico requerido (m3. 5.71. 9.53. 17.8. 11.9. 60-160. 59. 3. Densidad (Kg/m ) 3. aire/m3 gas) Máxima concertación de CO2 en los gases de escape (% volumetrico) Punto de rocío (ºC). 2.2 BIOGAS COMO COMBUSTIBLE. La reacción básica que desprende la mayor cantidad de energía dentro del biogás es la combustión del metano:. CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2 O. La entalpía de combustión es –50010 kJ/Kg con agua condensada en los productos y 55496 kJ/Kg con agua liquida en los productos. Sin embargo la reacción real del biogás es mas complicada debido a la presencia de CO2 de tal modo que la reacción. Una expresión. 21.

(23) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. mas adecuada para la reacción del biogas, una vez eliminadas trazas indeseables como el H2S es:. 644GAS 744 8 644AIRE 7448 aCH 4 + bCO2 + x(O2 + 3.76 N 2 ) → cCO2 + dCO + eH 2 O + fN 2 + gO2. Existen unos parámetros ideales, establecidos experimentalmente, que determinan la cantidad de metano contenido en el biogás con la temperatura de llama y el exceso de aire. Estos resultados están consignados en la siguiente gráfica obtenida del informe 24 de la agencia internacional de energía [1] en su articulo “Llamas de biogás”:. Figura 3: Temperatura de llama para CH4 con diferentes excesos de aire. 22.

(24) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 2.3 TRATAMIENTOS DE PURIFICACION DEL BIOGAS. La calidad que debe tener el biogás depende de los requerimientos de la aplicación. Lo que se desea generalmente es enriquecer su contenido de metano como único elemento combustible y eliminar H2S, H2O, CO2 y los compuestos halogenados que pueda contener. La desulfurizacion evita la corrosión y los escapes tóxicos de H2S por encima de 5 ppm. Remover el agua del gas evita las perdidas de energía por condensación o congelación de la misma cuando el biogás es almacenado a altas presiones, y reducir los niveles de CO2 presentes en el biogás permite alcanzar los requerimientos de calidad de otros combustibles como el gas natural.. Los métodos de eliminación que envuelven procesos físicos eliminan simultáneamente CO2, H2S, e incluso algunos de ellos disminuyen los niveles H2O presentes en el biogás. Entre este tipo de métodos se encuentran: absorción con agua o con selexol (glicol de polietileno), tamizado de moléculas de carbono y. separación por membranas. Los métodos con. reacciones químicas generalmente son aplicados para eliminar el contenido de H2S directamente, entre estos se encuentra desulfurizacion biológica que consiste en alimentar el biodigestor con cierto tipo de microorganismos que tiene la característica de oxidar los sulfatos. Existen también otros métodos que consisten en filtrar el biogás a la salida del biodigestor haciéndolo reaccionar con agentes oxidantes como el oxido de hierro.. 2.3.1 ABSORCIÓN CON AGUA O SELEXOL. El CO2 y el H2S tienen la ventaja de ser más solubles que el CH4, lo que permite hacer pasar el biogás en una solución acuosa o de selexol y recuperarlo después con sus niveles de 23.

(25) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. metano enriquecidos. La solubilidad de los gases depende del solvente, de la naturaleza del gas, de la presión parcial y de la temperatura. Esta solubilidad indica cuantos moles de soluto, en este caso de CO2 y H2S se deben disolver por cada litro de solución; se expresa como la molaridad (M) de la solución y responde a la ley de Henry que esta definida por la siguiente relación:. M = H * Ps donde :. (. M : So lub ilidad moles. ). litro H : Constante de la ley de Henry Pg : Pr esion parcial de la sustancia. La constante de la ley de Henry depende del tipo de soluto-solventé y de la temperatura de la solución. Como se observa en la ecucacion 8, la presión juega un papel fundamental en la solubilidad del gas, cuanto mas alta sea la presión del gas mas alta será la presión parcial de determinada sustancia. Según el modelo de presiones parciales de Dalton que dice que la presión total del gas es igual la suma de cada una de las presiones de las sustancias que lo componen actuando separadamente al volumen y temperatura de la mezcla. Existe un modelo que permite predecir la solubilidad de los gases mediante la siguiente expresión:. ln x = A +. B + C ln T + DT + ET 2 T. donde x : so lub ilidad A, B, C , D, E : Constantes de cada sustancia a det erminada presion parcial T : Temperatura en K. 24.

(26) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Las curvas del anexo 1 muestran la solubilidad de CH4, CO2 y H2S a diferentes condiciones de operación usando las constantes (A,B,C,D) suministradas por Sandler[4]. El esquema industrialmente conocido para la eliminación de CO2 y H2S mediante solución usa una columna de absorción para la regeneración del agua (ver figura 5), el cual únicamente resulta rentable si se tiene acceso a esta en una forma económica.. Figura 5: Esquema de absorción en solución de CO2 y H2S (esquema extraído del informe 24 de la agencia internacional de energía).. Como se muestra en el esquema, el método requiere un secado posterior por las razones anteriormente expuestas y que el gas entre en la solución a altas presiones para solubilizar la mayor cantidad de CO2 y H2S no deseable, por lo tanto la presión depende de la cantidad de gas que se quiera solubilizar y los resultados son incrementos en los niveles de CH4 en cerca del 90 %.. El CO2 y el H2S son más solubles en xelexol que en agua y es por eso que este es usado con mayor frecuencia como solvente.. 25.

(27) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 2.3.2 REACCIÓN MEDIANTE OXIDACIÓN. Este método es utilizado para eliminar el H2S presente en el biogás. Como se vio en la sección anterior, es posible eliminar este con otros métodos que simultáneamente eliminan otros compuestos no deseables, sin embargo, existe el problema de que el ácido sulfhídrico es altamente corrosivo a temperaturas por encima de 260 ºC y se necesita bajar sus niveles antes de hacerlo pasar por cualquier tipo de elemento mecánico como los que tendría el compresor que como ya se mostró, se necesita para llevar el gas a presiones mas solubles. El ácido sulfhídrico reacciona fácilmente con oxido de hierro oxidándose y formando sulfuro de hierro, la reacción es:. H 2 S + FeO → FeS + H 2 O. (10). Esta reacción es ligeramente endotérmica a temperaturas cercanas a los 12 ºC por lo que requiere que se le suministre la energía necesaria para funcionar óptimamente a temperaturas entre 25 y 50 ºC. Adicionalmente, es necesario evitar la condensación del agua por lo que el material oxidado se aglomeraría reduciendo la superficie reactiva.. El problema que se presenta una vez es eliminado el H2S son los depósitos de FeS que se forman y taponan las líneas de conducción cuando se aglomeran. Como alternativa de solución a este problema se usa el hecho que la reacción antes descrita es reversible a bajas presiones parciales de H2S. y por tanto es posible regenerar el ciclo mediante oxidación. Esta regeneración es exotérmica por lo que libera una buena cantidad de calor que podría ser aprovechada. El sistema por lo general consta de dos cámaras una con FeS. 26.

(28) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. en solución que comercialmente se encuentra como “limadura de hierro2” seguida de una cámara de oxidación con agentes oxidantes como: dióxido de cloro, hipoclorito de sodio, permanganato de potasio y peróxido de hidrogeno. Sin embargo, muchos de estos agentes también pueden causar corrosión y pueden traer aumentos en los niveles de O2 no deseables. Por lo tanto, el esquema mas sencillo de desulfurizacion es una cama de “limadura de hierro” en una corriente ascendente de biogás con retroalimentación periódica de biogás a alta presión que evite la formación de depósitos.. Existe otra alternativa de desulfurizacion mediante oxidación usando cal, bien se viva (CaO) o apagada (CaCO3). La desulfurizacion con cal apagada reacciona mas lentamente debido a que tiene menos poros. sin embargo, el tamaño del sulfuro de calcio (CaS) producido por esta es más grande lo que facilita su remoción de los ductos. Ambas reacciones requieren necesariamente bajas presiones parciales de H2S lo cual es una condición común en el biogás. adicionalmente su velocidad de desulfurizacion es inversamente proporcional a la presión parcial del CO2 debido a que este ultimo acelera la sinterización de CaO reduciendo su área superficial y por tanto su capacidad de reaccionar. Aunque como se describe en su reacción, el proceso de desulfurizacion de ambos tipos de cal esta íntimamente relacionado, es posible conseguirlos comercialmente por separado. La reacción de desulfurizacion de la cal apagada (caliza) es:. CaCO3 + H 2 S → CaS + H 2 O + CO2. 2. La limadura de hierro es el compuesto con el que están hechas las esponjillas de brillo. 27.

(29) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Sin embargo, es posible descomponer esta para conseguir cal viva mediante la siguiente reacción:. CaCO3 → CaO + CO2. La cual a su vez reacciona con el ácido sulfhídrico así:. CaO + H 2 S → CaS + H 2 O. Aunque existen tecnologías a escala industrial que involucran la reacción conjugada de los dos tipos de cal, estas requieren cantidades adicionales de energía que en esta aplicación significaría pérdidas, por lo que lo más conveniente seria aplicar un esquema similar al expuesto al de desulfurizar con “limadura de hierro” así:. Compreso. Cámara de desulfurización. FeS + H2O. FeO Filtro de FeO FeO. Recuperador de FeO. Línea de Biogas. Línea de retroalimentación. Figura 5: Esquema de desulfurización con “limadura de hierro”, “cal viva” o “cal apagada”. 28.

(30) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 3. DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LA COMPOSICION DEL BIOGAS. El primer paso para determinar si el biogás puede sustituir otros combustibles como el gas natural o el GLP es evaluar si este cumple con los mismos requerimientos de calidad. Esto significa determinar plenamente sus características de densidad, poder calorífico real, factor de compresibilidad etc.. En la industria del gas natural, el procedimiento común para. determinar la calidad del gas obtenido es encontrar su composición y haciendo uso de la regla de Kay, explicada por Ikoku [7], caracterizar completamente el gas obtenido. En este proyecto se siguió el mismo procedimiento determinando la composición del biogás producido en la granja El biogás que se esta estudiando es producido en la granja “El vergel”, ubicada en Silvanía Cundinamarca, de 400 cabezas de cerdo. Esta granja, cuenta con un biodigestor de flujo continuo, cilíndrico, de 19 m3 de los cuales cerca del 90 % constituyen la materia orgánica, el 10% restante es el espacio destinado para almacenar el biogás temporalmente dentro del biodigestor. Al biodigestor se le alimentan diariamente cerca de 2 m3 de materia orgánica, dato con el cual se puede obtener el tiempo de retención mediante la siguiente función:. TR =. Vb Va. 29.

(31) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. donde : TR : Tiempo de retención (dias ) Vb : Volumen del biodigestor (m 3 ) 3 Va : Volumen de estiercol alimentado al biodigestor (m. día. ). El contenido de agua esta alrededor del 70% de masa lo que indica que le fueron alimentados aproximadamente 600 kg de estiércol.. Suponiendo una densidad de 1000. kg/m3, que de acuerdo a la figura 2 producen 7,6 m3 diarios.. Dado que el elemento contenido en el biogas responsable de la combustión es el metano, el objetivo fundamental de determinar la composición, es establecer la cantidad de este presente en el biogás puesto que es el elemento combustible, cuanto mas alto sea el porcentaje de metano contenido en el biogás mas alto será su poder calorífico. Al igual que el gas natural, el biogás es una mezcla binaria de hidrocarburos Por tal razón, su comportamiento se puede predecir con correlaciones del factor de compresibilidad (z) como función de la temperatura y la presión reducida. Sin embargo, para poder determinar estos últimos es necesario determinar primero su composición real con el fin de poder aplicar la regla de Kay para mezclas de gases así:. 30.

(32) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Ppc = ∑ YiPci; Tpc = ∑ YiTci; Ma = ∑ YiMi i. i. i. donde : Ppc : Pr esión critica (n) Tpc : Temperatura critica Ma : Peso molecular aparente Yi : Fraccion molar del componente i en estado gaseoso Pci : Pr esión critica del componente i Tci : Temperatura critica del componente i 3.1 COMPOSICION DEL BIOGAS. El problema de determinar la composición volumétrica real del biogás, especialmente la cantidad de metano presente, se puede abordar haciendo uso de la reacción de combustión del biogás, midiendo la concentración de CO2, CO y O2 en la combustión, lo cual se puede realizar fácilmente mediante el uso de analizadores de gases como el Orsat3. El procedimiento consiste en medir la proporción volumétrica de estos elementos antes y después de la combustión antes mencionada, en la siguiente reacción:. 644GAS 744 8 644AIRE 7448 aCH 4 + bCO2 + x(O2 + 3.76 N 2 ) → cCO2 + dCO + eH 2 O + fN 2 + gO2. Encontrando de esta forma los valores de b, c’, d’, g’ y x. Teniendo en cuenta que c’, d’, y g’ representan los valores medidos de CO2, CO y O2 después de la combustión así:. 3. Orsat: Instrumento de medición de CO2, CO y O2 mediante reacción de estos en solución. 31.

(33) IM-2002-II-22. c' =. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. c d g ; d'= ; g'= c+d +g c+d +g c+d +g. 3.2 EXPERIMENTO PARA DETERMINAR LA COMPOSICIÓN DEL BIOGAS USANDO ORSAT. El experimento de combustión se hizo en un quemador de pre-mezclas controlando la entrada tanto de gas como de aire logrando quemar el gas con 6 pies cúbicos por hora de aire y 0.42 pies cúbicos por hora de biogás. Los resultados obtenidos fueron: Tabla 3: Contenido de CO2, CO y O2 del biogás antes y después de la combustión. COMPUESTO CO2 ( c’ ) O2 ( g’ ) CO ( d’ ). % VOL. ANTES DE % VOL. DESPUES DE LA COMBUSTION LA COMBUSTION 31 12.5 1.22 3.1 -----0.8. Como se observa , se encontró una pequeña fracción de O2 en el biogás antes de la combustión. En teoría esta no debería existir porque el biogás se produce en condiciones anaerobias, su presencia seguramente se debe a que el biogás entro en contacto con el aire en el momento de la recolección. De todos modos, podemos ignorar el valor contenido de O2, suponiendo que estará contabilizado en la cantidad de aire(x) que se suministre en la combustión y usar los otros valores en la reacción así:. aCH 4 + 0.228CO2 + x(O2 + 3.76 N 2 ) → cCO2 + dCO + eH 2 O + fN 2 + gO2. 32. (n).

(34) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. En esta reacción se desconocen los valores de a, c, d, e, f, g, x que suman 7 incógnitas que pueden ser despejadas de un sistema lineal de 7 ecuaciones que corresponden a las 3 ecuaciones de base seca (ec....) y las 4 de especies (C,H,O2,N2):. a + 0.228 = c + d ; 4a = 2e; (2)(0.228) + x = 2c + d + e + 2 g ; 3.76 x = f. Los resultados obtenidos fueron:. Incógnita “a”. “c”. “d “. “e”. “f”. “g”. “x”. Valor. 0.81. 0.05. 1.26. 5.4. 0.2. 1.43. 0.63. En estos resultados, “x” representa la relación aire-combustible real. Para determinar el exceso de aire de la combustión, es necesario plantear la siguiente reacción estequiométrica teniendo en cuenta que por cada kmol de CH4 hay 0.36 kmol de CO2. Es decir que un kmol de biogás, para efectos de combustión es:. CH 4 + 0.36CO2 + y (O2 + 3.76 N 2 ) → cCO2 + eH 2 O + fN 2. En esta reacción, “y” representa la relación aire combustible estequiometrica cuyo valor después de balancear la reacción es de 2. Por lo tanto el exceso de aire λ (x/y) será igual 1.14 lo que significa que la combustión se realizo con 14 % de exceso de aire.. Los valores hasta ahora conocidos de la composición del biogás son: metano 63%, dióxido de carbono 22.8% y ácido sulfhídrico y otros compuestos en máximo un 3% para un total de. 33.

(35) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 88, 8 %. El 11.2 % restante se le puede atribuir al aire que se filtro en el momento de la recolección.. La siguiente tabla muestra la composición del biogas medida con el ORSAT. Como se observa, el contenido de metano cercano al 63% indica que a condiciones normales tiene una energía disponible es de 22.68 MJ/m3 lo cual se encuentra entre los rangos de calidad aceptables que debe tener el biogas para ser utilizado para la generación de potencia eléctrica.. Tabla 4: Composición del biogás de la granja “El vegel” con ORSTA COMPUESTO Metano (CH4) Dióxido de carbono (CO2) Oxigeno (O2) Nitrógeno (N2). PROPORCION VOLUMETRICA 62.78 % 31.4 % 1.22 % 4.6 %. Para comprobar la efectividad del método, se adelanto una cromatografía de gases ante el centro de investigaciones en ingeniería ambiental de la Universidad de los Andes (CIIA) y sus resultados fueron:. Tabla 5: Composición del biogás de la granja“El vegel” con cromatografía de gases COMPUESTO Metano (CH4) Dióxido de carbono (CO2) Oxigeno (O2) Nitrógeno (N2). PROPORCION VOLUMETRICA 55 % 31 % 3% 12 %. Comparando los resultados de los 2 métodos, se encontró que el error en la lectura de metano por el método usando ORSAT es del 14%.. 34. Por tanto se puede concluir que el.

(36) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. método de combustión y medición de concentración de los productos de combustión es un método aproximado que puede ser usado cuando se requiera una composición aproximada del biogas. Dado que es método barato y realizable en campo es el método elegido en este proyecto de grado para la determinación de la concentración de metano en el biogas generado en las distintos biodigestores.. 3.3 FACTOR DE COMPRESIBILIDAD USANDO LA CORRELACION DE STANDING Y KATZ. El Anexo 2 presenta la carta de correlación del factor de compresibilidad (z) hecho por Standing y Katz en 1941. Esta correlación es una de las más ampliamente usadas en la industria petrolera, su única restricción es que el contenido de ácido sulfhídrico (H2S) no supere el 3% y el nitrógeno no supere el 5 % o que el total de impurezas contenidas no supere el 7%. Para poder hacer uso de la carta es necesario calcular tanto la temperatura como la presión reducida mediante las siguientes expresiones:. Ppr =. P Ppc. donde T y P : Temperatura y presión asolutas T Tpr = Tpc. Los resultados parciales de la correlación se encuentran relacionados en el anexo 3 . los resultados finales a condiciones normales de presión y temperatura se muestran a continuación: 35.

(37) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Tabla 6: Comportamiento del biogás basado en la regla de Kay Parámetro. Valor. Peso molecular aparente Gravedad especifica Presión critica (psia) Temperatura critica (ºR) Densidad (kg/m3) Coeficiente isentrópico “k” Temperatura reducida Presión reducida Coeficiente de compresibilidad “Z”. 26.76 0.92 780.5 394.14 1.1 1.3 1.36 0.02 0.99. Como se observa el biogás a condiciones normales se comporta como una gas ideal. Sin embargo, existe la complicación de que como se ve en la tabla 6 la densidad tan cercana al aire implica que almacenar grandes cantidades de biogás requeriría tanques herméticos de grandes volúmenes.. Es por esta razón que el biogás no puede ser almacenado a. condiciones normales y debe ser comprimido. Lo anterior significa que para generar energía a partir de biogás se requieren biodigestores con capacidad de generar grandes cantidades de biogás o alternativamente. almacenar el biogás producido para su posterior uso en. plantas generadoras.. Este proyecto de grado se enfoca a biodigestores medianos y pequeños. Por tanto, la segunda posibilidad es la que se va a evaluar. La alternativa de almacenar biogás necesariamente requiere cantidades adicionales de energía, la cual debe ser cuantificada en un ensayo de evaluación de la compresión puesto que esta debe hacerse lo mas eficientemente posible para que los costos energéticos que conlleva la compresión no resulten significativos.. 36.

(38) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 4. COMPRESION DE BIOGAS. Comprimir el biogás conlleva un gasto en energía que es necesario cuantificar. Para ello, es necesario establecer cuales son los parámetros que hacen que comprimir de un modo o de otro resulte mas o menos costoso. De acuerdo con las normas técnicas establecidas para este tipo de ensayos, todo trabajo de compresión debe ser referenciado al proceso ideal. Este es aquel que ocurre en 4 etapas: 2 de expansión una poli trópico y otra isobarico y otras 2 de compresión del mismo modo. Cuando la compresión se realiza de este modo, el trabajo ideal de compresión se define según la norma ASME PTC 9[8], adaptada para Colombia en la norma NTC 2870[9], como:. k  R  w= 1 − k  29 * γ. ((k −1) / k )    P 2    − 1     P1  . donde : w : Trabajo i sen tropico (kJ / kg ) k : Coeficiente i sen tropico γ : Gravedad especifica P 2 : presion final P1 : presion inicial. Sin embargo, como ocurre en todos los procesos de la naturaleza este proceso ideal nunca se alcanza debido a que no es posible lograr que ninguno de los procesos que debería ser isobarico mantenga la presión constante. La razón de esto es la resistencia al flujo que presentan las válvulas de admisión y descarga.. 37.

(39) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Además de la perdida termodinámica también se presentas perdidas mecánicas ocasionadas por causa de la fricción en los anillos, los empaques y los rodamientos del pistón. Todas estas pérdidas afectan la eficiencia del compresor, de acuerdo con Ikoku [7] la mayoría de compresores modernos alcanzan eficiencia de alrededor del 75%, donde la eficiencia de compresión se define como:. η comp =. Wideal Wreal. donde:. Wideal. Trabajo ideal de compresión (ecuación. Wreal. Trabajo real de compresión (medido). ). 4.1 PRUEBA DE COMPRESION. Lo que se hizo en este proyecto fue evaluar el comportamiento de un compresor reciprocante comprimiendo biogás. Esta evaluación se hizo siguiendo los parámetros establecidos por las normas antes descritas. De acuerdo con ellas, el procedimiento es establecer completamente las propiedades del gas que se esta comprimiendo; medir directamente el trabajo real realizado durante la compresión que para el caso de compresores accionados por un motor eléctrico significa medir la potencia eléctrica consumida por el compresor; establecer la máxima relación de compresión alcanzada por el. 38.

(40) IM-2002-II-22. compresor; y. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. finalmente determinar la eficiencia de la compresión de acuerdo con la. ecuación ().. La prueba consistió en conectar la salida de los filtros instalados en el biodigestor para proteger el compresor a la válvula de admisión de este. De acuerdo con la norma los factores externos que pueden afectar la medición son: temperatura de admisión, presión atmosférica y la humedad relativa del gas. En la prueba se procuro que la temperatura de admisión fuese la misma por lo que todas las pruebas fueron realizadas entre las 11:00 A.M y 2:00 P.M a una temperatura promedio de 22 ºC. Sin embargo se observo que la temperatura de admisión tiene un comportamiento estable ya que siempre estuvo cercana a los 24ºC. En cuanto a la presión atmosférica no pudieron presentarse errores de medición ya que todas las pruebas fueron realizadas a la misma altura sobre el nivel del mar. La norma advierte que si bien en casos en los que el gas no esta seco la humedad puede afectar significativamente los resultados de la prueba. Sin embargo, las condiciones de producción del biogás no cambian repetidamente luego todos los valores son medidos a las mismas condiciones de admisión por lo que no se tiene en cuenta la influencia de la humedad.. Existen también muchos factores internos que pueden afectar significativamente la medición. La mayoría de ellos están relacionados con las condiciones mecánicas del compresor especialmente las relacionadas con la transmisión de potencia. Sin embargo la norma establece en uno de sus anexos una prueba simplificada valida para compresores producidos en serie como es el caso del compresor utilizado en este proyecto. Según este anexo, se puede considerar valida la prueba si se controla la desviación en presión entre una prueba y otra por debajo del 5% y las variaciones en el voltaje por debajo del 2%.. 39.

(41) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Figura : Montaje de compresión de biogas. En la prueba se utilizo un compresor de 4.5 CFM y 60 psi para comprimir biogás, llevando 0,95 m3 a 0.19 m3 en 7 minutos, la curva de potencia de las pruebas realizadas según la norma técnica colombiana NTC 2870 (Máxima desviación en voltaje 2% y en presión 5% y 3ºC) se muestra a continuación. Figura 7: Curva de potencia del compresor Trabajo de compresión de biogas 1.6 1.4. Potencia (HP). 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. Tiempo (s). 40. 300. 350. 400. 450.

(42) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Haciendo una integración aproximada por el método trapezoidal se encontró que la energía consumida durante esta compresión fue de 1.2 KWh con una eficiencia de compresión de 25%. Aumentar la eficiencia a 75% significa disminuir el consumo de energía de 1.2 KWh a 0.4 KWh así:. Trabajo de compresión de biogas 1.6 1.4. Potencia (HP). 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. Tiempo (s). Figura 8: Curva de potencia al 75 % de eficiencia. Existen 2 rangos importantes que se deben tener en cuenta para mejorar la eficiencia de compresión y consecuentemente disminuir la cantidad de energía que cuesta dicha compresión. Uno es el rango por debajo del 25%, alcanzado fácilmente cuando se adapta equipo inicialmente construido con otros fines como ocurrió en esta prueba donde el compresor utilizado es un compresor de aire para pintar. Otro es el rango entre el 25% y el 75% el cual esta ligado estrechamente a los factores técnicos del compresor, es por esto que cuanto mas moderno sea el compresor mas cercano estará al 75% de eficiencia. Y finalmente existe un pequeño rango que apenas supera el 75% y es aquel que se alcanza cuando además de utilizar tecnología de punta en la transmisión de potencia se adaptan las. 41.

(43) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. válvulas para disminuir al máximo las perdidas termodinámica que conlleva la admisión y descarga del gas.. 4.2 COSTO ECONOMICO DE COMPRIMIR BIOGAS. Como se vio, la energía ideal de compresión es una función de la sustancia que se esta comprimiendo, de la temperatura de admisión, de la relación de compresión y de la masa. A continuación se muestra una relación entre el costo de comprimir biogás y la presión a la que se comprime dependiendo de la cantidad de biogás involucrada en el proceso. Para construir la gráfica es necesario establecer el precio de la energía. Por lo que se parte de la suposición de que es posible vender la energía que se produce con biogás al mismo precio que se compra en la red o viéndolo desde otro punto de vista que por cada KWh que se genera se ahorra su equivalente en pesos porque ya no es necesario comprárselo a los distribuidores. De ahí se produce un precio tentativo de 166 $/kWh. Usando este costo y una eficiencia alcanzable de 75% durante la compresión.. Figura 9: Costo económico de comprimir biogás. 80. 70. 60 0,5 kg 0.45 m ^3 1kg 0.9 m ^3 1.5 kg 1.36 m ^3 2 kg 1.81 m ^3 2.5 kg 2.27 m ^3. 50. $. 3.5 kg 3.18 m ^3 4 kg 3.64 m ^3 4.5 kg 4.09 m ^3 5 kg 4.55 m ^3 5.5 kg 5 m ^3 6 kg 5.45 m ^3 6.5 kg 5.91 m ^3 7 kg 6.36 m ^3. 40. 30. 20. 10. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. Relación de compresión. 42. 14. 16.

(44) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Se observa que si se esta evaluando una misma sustancia, como es el caso del biogás, a condiciones de entrada estables, la única variable que afecta directamente el proceso es la relación de compresión. También es notorio que independientemente de la masa que se este comprimiendo, la energía que se necesita para comprimir y su costo tienden a estabilizarse para relaciones de compresión por encima de 10. Esto significa que comprimir con relaciones de compresión muy por encima de 10, cuesta casi lo mismo que hacerlo a relaciones cercanas a 10. A diferencia de lo que ocurre cuando se comprime a bajas relaciones donde pasar de una relación a otra cuesta significativamente mas.. La única manera de no desperdiciar energía y por consiguiente dinero si se requiere comprimir biogás es comprimir estrictamente lo que se va a consumir, pero teniendo en cuenta que no es necesario comprimirlo todo y gastarlo todo después. Es posible jugar con la rata de compresión de acuerdo a la rapidez con que se requiere consumir, lo que permite hacer un gasto eficiente de la energía que se requiere para comprimir.. 43.

(45) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 5. GENERACION ELECTRICA A PARTIR DE BIOGAS. Para generar potencia eléctrica usando biogás es necesario usar un mecanismo similar al que usan otros combustible como la gasolina para convertir la energía almacenada en el interior del combustible en energía mecánica y luego esta en energía eléctrica. El dispositivo escogido fue una planta eléctrica que contiene una maquina de combustión interna a gasolina acoplada a un generador cuyo funcionamiento se explica en detalle. El objetivo de este proyecto en esta instancia es determinar cuanta de la energía disponible en el biogás fue realmente utilizada en potencia eléctrica. Se uso un protocolo de pruebas normalizado e implementado por el estudiante de maestría de la Universidad de los Andes Juan Fajardo en el que se emulaban diferentes cargas a la planta eléctrica que permitieron construir su curva de potencia para poder hacer una evaluación de eficiencia.. En principio, con los datos obtenidos de la literatura antes expuesta se puede decir que la capacidad de generación de estos 7.6 m3/día es de 246.2 MJ/día con agua sin condensar y con un contenido de metano relativamente alto. Sin embargo, la evaporación de contenidos estándares de agua del 95 % y las trazas de otros elementos no combustibles como el CO2 lo reducen a 163.1 MJ/día a condiciones normales. Disponer de esta cantidad de energía requiere que el biogás sea alimentado en un motor de combustión interna cuyo eje se conecta a un generador de potencia eléctrica convirtiendo la energía almacenada en el. 44.

(46) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. combustible en energía eléctrica en un sistema que comúnmente se conoce como planta eléctrica domestica (ver figura 10).. Figura 10: Esquema de generación eléctrica con biogás. Ensayos experimentales hechos por Sasse [2] reportan rendimientos de conversión en este tipo de sistemas, usando biogás, del 24% aunque no se aclara en que tipo de equipo fue medida ni a que régimen de carga. Esto significaría que si logra esta eficiencia de conversión en los 163.1 MJ/día que produce actualmente la granja “El Vergel”, esta dispondría de 39.2 MJ/día equivalentes a 10.8 KWh/día que según los cálculos económicos hechos en la sección anterior equivalen a $54.000. Aparentemente no es un ahorro significativo, pero si se tiene en cuenta que esta granja ya produce biogás pero que no lo aprovecha, en vez de ello lo arroja a la atmósfera, en otras palabras arrojan mensualmente $ 54.000 o $648.000 al año; se ve entonces, que si vale la pena utilizar el biogás como cogeneración para ahorrar costos. Cabe anotar que existen otros costos asociados a la conversión como es la inversión inicial que se debe hacer en la planta eléctrica y en un sistema de compresión eficiente, esto ultimo debido a que como se vio anteriormente, el biogás al tener una densidad tan baja ocupa a condiciones normales volúmenes significativos, por tal razón es necesario 45.

(47) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. almacenar a mayor presión o comprimir lo cual trae consigo perdidas de energía y por consiguiente de dinero. En las siguientes capítulos se mostrara cuales son las condiciones mínimas de generación para que resulte económicamente rentable cogenerar con biogás.. 5.1 OPERACIÓN DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA USANDO BIOGAS. Comercialmente se consiguen plantas eléctricas domesticas cuyo rango de potencia puede estar entre 1 HP y 25 HP. Los motores que funcionan con gas a estos rangos de potencia se consideran motores pequeños de alta velocidad con gas almacenado como combustible. El gas entra a la corriente de aire del motor a través de una tobera que hace las veces de válvula mezcladora controlando la mezcla mediante un estrangulador. De acuerdo con Obert [6] el rendimiento volumétrico cae entre un 3 y 5 % cuando se usa gas con respecto a cuando se usa gasolina debido a que el volumen del gas desplaza el aire en el motor.. 5.2 PRUEBA DE EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA USANDO BIOGAS. Como se vio en la figura 10, una planta eléctrica domestica esta compuesta por un motor de combustión interna que requiere un combustible para funcionar, biogás en este caso, y cuyo eje esta conectado a un generador que entrega una potencia eléctrica. Este tipo de montajes además de servir como un sistema que convierte la energía almacenada en el combustible, 46.

(48) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. permite evaluar el comportamiento del motor de combustión interna de acuerdo con el artículo 4.1.1.2 de la norma ASME PTC 17[11]. según el cual, es posible determinar. indirectamente la potencia de salida de un motor de combustión interna acoplándole un generador.. La prueba consiste en medir el comportamiento de la planta eléctrica en términos de potencia a medida que se disminuye o se aumenta la carga. Dicha carga son simplemente una serie de bombillos de la misma capacidad conectados en paralelo de tal forma que es posible controlar cuales están solicitando potencia por parte de la planta electrica. El montaje requerido para esta prueba e implementado por Juan Fajardo se muestra a continuación:. Figura : Montaje para la evaluación de la planta eléctrica usando biogás. La planta eléctrica usada para el ensayo de conversión de energía es una Yamaha F1000 que suministra una potencia de 1HP de salida usando gasolina. El consumo de combustible. 47.

(49) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. de biogás se midió en 0.65 m3/hora que permiten una autonomía de la planta de 20 minutos. Durante el ensayo se le suministraron al biogás 0.19 m3 previamente comprimidos lo que resulto en la siguiente curva de potencia.. Curva de potencia 900.00 800.00 700.00. Potencia (W). 600.00 BIOGAS GASOLINA BIOGAS 2 BIOGAS 3 BIOGAS 4 BIOGAS 5. 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 2300. 2500. 2700. 2900. 3100. 3300. 3500. 3700. 3900. Velocidad angular (RPM). Figura 11: Curva de potencia de un motor de combustión Interna usando biogás y gasolina. La curva de biogás (5) es la curva más estable en términos de relación aire combustible, se tomaron varias mediciones en las mismas circunstancias en que fue hecha esta curva y el resultado fue similar con una relación aire-combustible de 1.26. La máxima potencia suministrada por la planta a estas condiciones es 0,3 kW que durante 20 minutos producen una energía de 0.1 KWh equivalentes a $16.. El poder calorífico del biogás con 60% de metano se ha establecido en 6 kWh/m3 a condiciones normales lo que significa que con un consumo de biogás de 0.65 m3/h se generan 3.87 kW si se pudiera aprovechar toda su energía, sin embargo la planta retorna a máxima potencia solo 0,3 kW lo que significa una eficiencia de tan solo el 7%. 48.

(50) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 5.3 ANALISIS ENERGETICO-ECONOMICO DE LA GENERACION ELECTRICA CON BIOGAS. La capacidad de generación de una granja agrícola esta estrechamente relacionada con su capacidad de producir materia orgánica, la cual a su vez depende de la cantidad de cabezas que dicha granja tenga. Para poder hacer un balance entre energía generada y energía gastada en la compresión es necesario evaluar cada una por separado, suponer algunas eficiencias de compresión y restar una de la otra en términos energéticos lo que determina la energía disponible que se puede vender.. Tabla 7: Datos de producción de biogás en la granja el vergel GRANJA Estiércol producido por cerdo al día (kg/cerdo) Producción de biogás por kg (l/kg). 4 45. El análisis económico se hará con base a una granja de cerdos, la producción de biogás vendría determinada por los parámetros mostrados en la tabla 7 de la granja de acuerdo con Sasse.. 5.4 ENERGIA TOTAL GENERADA POR EL BIOGAS. Basándose en estos datos es posible construir una gráfica de generación usando la eficiencia mas baja lograda experimentalmente del 7 % y la eficiencia mas alta reportada por la literatura del 24 %, el resultado es:. 49.

(51) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Figura 12: Energía total generada con biogás. Energia gastada en la compresión (kWh). 25 20 15 10 5 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. No. cabezas de cerdo. Como puede observarse la tasa de generación a medida que aumenta el numero de animales, es decir su capacidad de generación es mas alta para eficiencias cercanas al 24 % que para eficiencias mas bajas lo cual lleva a que para bajos rangos de generación la eficiencia no resulte relevante como si lo es para grandes rangos.. 5.5 ENERGIA GASTADA DURANTE LA COMPRESION DEL BIOGAS. A la energía generada es necesario descontarle lo que se gasto comprimiendo, que como ya se dijo depende de la cantidad de biogás que se esta comprimiendo.. Si bien la energía que gasta el compresor es independiente del tiempo de compresión, si se requiere una compresión rápida se requiere invertir en un equipo de alta potencia, pero si la 50.

(52) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. rata de compresión no es un problema es posible pensar en un equipo de baja potencia y menor costo. Figura 11: Energía utilizada comprimiendo biogás. Energia gastada en la compresión (kWh). 25 20 15 10 5 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. No. cabezas de cerdo. Para el caso particular del biogás, lo único importante es que en el día se comprima lo que se genero en el día luego un equipo de baja potencia funcionando durante todo el día es la solución para reducir los costos energéticos debidos a la compresión.. 5.6 BALANCE DE ENERGIA Y COSTOS. La energía neta generada, es decir contando la energía perdida en la compresión y suponiendo niveles ideales del 75 % seria:. Energía neta = Energía generada − Energía gastada en comprimir. 51.

(53) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 600 500. kWh/día. 400 300 200 100 0 0. 500 1000 1500 No. de cabezas de cerdo η= 7%. 2000. η= 24%. Figura 14: Energía neta generada por el biogás. Para cuantificar la energía generada por el biogás basta con multiplicar la energía generada por los precios de energía antes establecidos así:. $3.00. millones $/mes. $2.50 $2.00 $1.50 $1.00 $0.50 $0.00 0. 500 1000 1500 No. de ca be za s de ce rdo η= 7%. 2000. η= 24%. Figura 15: Utilidad económica obtenida al generar potencia eléctrica con biogás 52.

(54) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Como se ve, aun para pequeñas granjas resulta rentable utilizar la energía que el biogás provee pero también es claro que cuanta más alta sea la eficiencia de conversión y más grandes sean los rangos de generación mas altas serán las utilidades.. 53.

(55) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 6. CONCLUSIONES. Es mucha la literatura especializada que existe alrededor de la construcción de biodigestores como una solución de desechos orgánicos, sin embargo el costo de la construcción de dichos biodigestores aun no ha podido ser considerada en nuestro país como una inversión sino un costo en el que hay que incurrir en procura del medio ambiente circundante a donde se producen los desechos orgánicos. Si bien en muchas granjas se están implementando aplicaciones domesticas como cocina para utilizar el biogás, queda claro que es mucho más grande el provecho que se le podría sacar se requiere desde luego una inversión que dependiendo de su magnitud tendrá un tiempo de retorno largo o corto.. Lo que se propone con este documento es demostrar mediante experimentos realizados a lo largo del proyecto que es posible utilizar el biogás como cogeneración y que si se hace eficientemente, es más rentable que comprar la energía a los distribuidores del área. Es solo cuestión de adaptar la tecnología disponible en nuestro medio de manera apropiada.. Por un lado el biogás requiere unos tratamientos de limpieza para que no afecten las piezas mecánicas de la maquinaria en que va a ser utilizado, es una gran cantidad los métodos que se pueden implementar, la diferencia entre ellos es su costo y su accesibilidad. Sin embargo, este proyecto demostró que aun implementando los más rústicos es posible obtener un biogás de una calidad aceptable aunque queda abierta la posibilidad de mejorarla mucho más.. 54.

(56) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. La compresión es tal vez una de las etapas mas fáciles de ejecutar en el proceso pero al mismo tiempo la mas delicada puesto que si no se hace de manera adecuada el resultado es el que se obtuvo en las pruebas aquí descritas, en las cuales, resulto mas costoso comprimir que lo que se logro generar a causa de las baja eficiencias bajo las que se hicieron las pruebas, por otro lado se encontró la importancia que tiene el equipo que se emplee, si este es demasiado sofisticado su costo no justifica su aplicación pero si este es demasiado deficiente su utilización solo incrementa los costos disminuyendo los beneficios.. Y finalmente en la etapa de generación se demostró que si es posible generar energía eléctrica usando biogás pero que hace falta corregir deficiencias de tipo tecnológico que disminuyen su eficiencia. Nuevamente, del equipo que se utilice depende el éxito o fracaso de la aplicación, si se genera poco y se usa un equipo demasiado grande su funcionamiento no se mantendrá sino por algunos minutos; pero si se generan grandes cantidades pero se hace la conversión en un equipo pequeño la generación no resultara apreciable.. No existe una regla general aplicable uniformemente a la generación de potencia eléctrica con biogás, existen muchas variables involucradas en el proceso que se deben conjugar para que resulte rentable económicamente, sin embargo, queda demostrado que es posible lograr. este. equilibrio. y. generar. 55. potencia. eléctrica..

(57) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. BIBLIOGRAFIA. 1 http://www.novaenergie.ch/iea-bioenergy-task37/Dokumente/Biogas%20upgrading.pdf. 2 SASSE, Ludwing. La planta de biogás: Bosquejo y detalle de plantas sencillas. Centro alemán de tecnología apropiada (GATE) ,1984.. 3 LAUGHTON, Michael. Renewable Energy Sources: Report No.22 Elsevier Applied Science, London. 1990.. 4. SANDLER, Stanley I. Chemical and engineering thermodynamics, Jhon Wiley and sons Inc, 3ª edición, 1999.. 5. http://www.upme.gov.co. 6. OBERT, Edward F. Motores de combustión interna. Análisis y aplicaciones. Compañía editorial continental, 26ª Edición. México; 2000.. 7. IKOKU, Chi U. Natural gas production engineering. Jhon Wiley and sons, 1984.. 56.

(58) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. 8 AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Displacement Compressors, Vacuum Pumps and Blowers. ASME PTC 9. 1978.. 9 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Pruebas para compresores de desplazamiento positivo. Bogotá D.C.: ICONTEC, NTC 2870, 1997.. 11. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Reciprocating internalcombustion engines. ASME PTC 17. 1973.. 57.

(59) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. ANEXO 1 SOLUBILIDAD DEL METANO (CH4) EN AGUA SOLUBILIDAD DEL DIOXIDO DE CARBONO (CO2) EN AGUA. 0.0005 0.00045 0.016. X @ 0 psi X @ 10 psi. 0.0004. X @X0@psi20 psi. 0.014 30 psi X @X10@ psi. 0.00035. 40 psi X @X20@ psi 0.012 0.0003. 50 psi X @X30@ psi 60 psi X @X40@ psi. SOLUBILIDAD (M) SOLUBILIDAD (M). 0.010.00025. 70 psi X @X50@ psi 80 psi X @X60@ psi. 0.0002 0.008. 90 psi X @X70@ psi X @ 100 psi X @ 80 psi X @ 110 psi X @ 90 psi X @ 120 psi X @ 100 psi X @ 130 psi X @ 110 psi X @ 140 psi X @ 120 psi. 0.00015. 0.006 0.0001 0.004 0.00005 0.002. 0. X @ 130 psi 0. 10. 20. 30. 40. 50. X @ 140 psi. TEMPERATURA (ºC). 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. TEMPERATURA (ºC). 58. 70. 80. 90. 100.

(60) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. SOLUBILIDAD DEL ACIDO SUFHIDRICO (H2S) EN AGUA 0.045 X @ 0 psi. 0.04. X @ 10 psi X @ 20 psi. 0.035. X @ 30 psi 0.03. X @ 40 psi X @ 50 psi. SOLUBILIDAD (M). 0.025. X @ 60 psi X @ 70 psi. 0.02. X @ 80 psi X @ 90 psi. 0.015. X @ 100 psi 0.01. X @ 110 psi X @ 120 psi. 0.005. X @ 130 psi X @ 140 psi. 0 0. 20. 40. 60. TEMPERATURA (ºC) 59. 80. 100.

(61) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. ANEXO 2. CARTA DE CORRELACION DE STANDING Y KATZ. 60.

(62) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. ANEXO 4 TARIFAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA ELÉCTRICA RESIDENCIAL - 2001 (SEMESTRE I) $/kWh EMPRESA Archipelago’s Power And Light Co. Central Hidroeléctrica De Caldas S.A. E.S.P Centrales Eléctricas De Nariño S.A. E.S.P. Centrales Eléctricas Del Cauca S.A. E.S.P Codensa S.A. E.S.P. Comercializadora Andina De Energía S.A. E.S.P. Compañía De Electricidad De Tulúa S.A. Esp. Distribuidora & Comercializadora De Energía Eléctrica S.A. E.S.P. Electrificadora De La Costa Atlántica S.A. E.S.P. Electrificadora De Santander S.A. Electrificadora Del Caquetá S.A. Esp. Electrificadora Del Choco S.A. Esp. Electrificadora Del Huila S.A. E.S.P. Electrificadora Del Meta S.A. Esp. Empresa Antioqueña De Energía S.A. E.S.P. Empresa De Energía De Arauca E.S.P Empresa De Energía De Boyacá S.A. E.S.P. Empresa De Energía De Cali S.A. E.S.P Empresa De Energía De Cundinamarca S.A. E.S.P Empresa De Energía Del Bajo Putumayo S.A. E.S.P. Empresa De Energía Del Pacifico S.A. E.S.P Empresa De Energía Del Putumayo S.A E.S.P. Empresa De Energía Del Quindío S.A. E.S.P. Empresa De Energía Del Valle De Sibundoy S.A. E.S.P. Empresa De Energía De Pereira S.A. E.S.P. Empresas Municipales De Cartago S.A. E.S.P. Empresas Municipales De Energía Eléctrica S.A. E.S.P. Empresas Publicas De Caucasia Empresas Publicas De Medellín E.S.P. Energía Confiable S.A E.S.P. Ruitoque E.S.P. TOTAL MEDIA NACIONAL Fuente : Creg. 61. $ / kWh 222,22 152,38 158,93 143,16 279,38 180,04 149,47 159,41 129,65 158,93 137,33 167,16 141,31 138,50 159,98 139,36 153,61 127,51 365,15 218,08 140,46 115,06 130,38 130,49 133,25 130,79 112,15 146,48 112,41 158,46 207,97 152,13.

(63) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. ANEXO 5 PRECIOS DE BOLSA 2001 ENERGÍA ELÉCTRICA. MES. PESOS / kWh. ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE PROMEDIO. 82,10 86,78 72,30 66,74 50,43 43,34 40,07 39,44 45,86 47,49 38,49 34,30 53,95. Fuente: ISA -Gerencia Servicios de Información, julio de 2002 Elaboró: Subdirección de Información Minero Energética, UPME, agosto de 2002. 62.

(64) IM-2002-II-22. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. ANEXO 6 PRECIOS DE BOLSA 2002 ENERGÍA ELÉCTRICA. MES. PESOS / kWh. ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE PROMEDIO. 38,49 56,88 53,54 48,31 39,38 34,99 42,18. Fuente: ISA -Gerencia Servicios de Información, julio de 2002. Elaboró: Subdirección de Información Minero Energética, UPME, agosto de 2002. 63.

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