Utilización del biogás como combustible Municipio Placetas

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(1)Centro de Estudio de Energías y Tecnologías Ambientales. Utilización del biogás como combustible. Municipio Placetas. Autor: Leandro Cano Lujan Samuel OcañaGuevara Guevara Tutor: Dr. Dr.Victor Víctor S. Ocaña. 2018.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) i. PENSAMIENTO. El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable para los temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad. Víctor Hugo.

(4) ii. DEDICATORIA. Esta tesis va dedicada a las dos personas más especiales en mi vida; mi mamá y mi abuela, por todo el sacrificio hecho durante estos años de estudio y por darme el apoyo y amor en todo momento..

(5) iii. RESUMEN. La creciente demanda de energía a nivel mundial ha tenido como efecto una mayor demanda de combustibles fósiles lo cual ha conllevado a una búsqueda de combustibles alternativos como por ejemplo el biogás. En este trabajo se realiza un estudio bibliográfico donde se definen las características del biogás, obtención, tipos de tratamiento para mejorar sus propiedades como combustible y los principales usos de este. También se realiza un estudio teórico del comportamiento del biogás como combustible en motores de combustión interna (MCI) para su utilización en diversas ramas como la generación de electricidad y calor utilizando el motor a biogás Jenbacher J 420 o el transporte utilizando el motor del fabricante Scania OC9 G04 270. Se realiza el cálculo del ciclo de trabajo a los dos motores para así obtener todos los parámetros requeridos para su estudio en las situaciones dadas. Luego con la ayuda del software RETScren se realiza un estudio detallado donde se comprueba la disposición de biogás así como la posibilidad de generar electricidad, calor y uso de este en el sector del transporte. También se realiza un estudio sobre las mejoras económicas y medioambientales que recibiría el país con la realización de este proyecto..

(6) iv. Abstract. The growing demand for energy worldwide has had as an effect a greater demand for fossil fuels which has led to a search for alternative fuels such as biogas. In this work a bibliographical study is carried out where the characteristics of the biogas are defined, obtaining, types of treatment to improve its properties as fuel and the main uses of this. A theoretical study of the behavior of biogas as a fuel in internal combustion engines (ICM) is also carried out for its use in various branches such as the generation of electricity and heat using the Jenbacher J 420 biogas engine or transport using the engine of the manufacturer Scania OC9 G04 270. The calculation of the work cycle is made to the two motors in order to obtain all the parameters required for their study in the given situations. Then, with the help of the RETScren software, a detailed study is carried out where the biogas disposal is checked as well as the possibility of generating electricity, heat and its use in the transport sector. A study is also carried out on the economic and environmental improvements that the country would receive with the realization of this project..

(7) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii RESUMEN ........................................................................................................................... iii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 8 Organización del informe ................................................................................................. 11 Objetivo general .................................................................................................................... 11 Objetivo específico ............................................................................................................... 11 Hipótesis ............................................................................................................................... 11 CAPÍTULO 1.. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso y su. utilización mediante motores de combustión interna. Estado del arte. ................................. 12 1. ¿Qué es la Biomasa?................................................................................................. 12 1.1.1. Clasificación ................................................................................................... 13. 1.1.2. Algunas caracteristicas de la biomasa ............................................................ 14. 1.2. Generalidades del Biogás ....................................................................................... 15. 1.2.1 1.3. Residuos Porcinos ........................................................................................... 16. Proceso de obtención de Biogás. ............................................................................ 18. 1.3.1 Etapas de digestión anaeróbica ................................................................................. 18 1.3.2 Condiciones de operación ......................................................................................... 19 Motores a Gasolina: .......................................................................................................... 34 Conclusiones parciales: ....................................................................................................... 38 CAPÍTULO 2.. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de. combustión interna (MCI) a Biogás...................................................................................... 39.

(8) vi 2.1. Calculo del ciclo de trabajo de un motor a Biogás................................................. 43. 2.2. Utilización del biogás como combustible para el transporte público. ................... 55. 2.2.1. Cálculo del ciclo de trabajo del Motor Scania OC9 G04 270 ....................... 56. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................. 60. 3.1. Descripción y condición del lugar del proyecto ..................................................... 60. 3.2. Generación de Biogás ............................................................................................ 61. 3.2.1. Volúmen de estiercol generado....................................................................... 62. 3.3. Capacidad de la planta de Biogás........................................................................... 65. 3.4. Localización y diseño del digestor. ........................................................................ 66. 3.5. Factibilidad en la generación de electricidad. ........................................................ 67. 3.7 Característica de velocidad del motor Scania OC9 G04 270......................................... 71 1.1.. Determinado de la potencia efectiva. ..................................................................... 71. 1.2.. Determinando el consumo específico. ................................................................... 71. 1.3.. Determinando el momento efectivo. ...................................................................... 71. 3.8 Calculo de tracción de Ómnibus Diana .......................................................................... 73 1.1. Cálculo del peso del vehículo .................................................................................... 74. 1.2. Neumáticos y radio dinámico .................................................................................... 74. 1.3. Potencia a velocidad máxima .................................................................................... 75. 1.4. Potencia máxima desarrollada por el motor .............................................................. 75. Coeficiente de revoluciones .................................................................................................. 76 Balance de potencia del vehículo.......................................................................................... 77 2.. Características dinámicas .............................................................................................. 77. Resultados: Curvas características ........................................................................................ 78 Conclusiones ..................................................................................................................... 80.

(9) vii Recomendaciones ............................................................................................................. 81 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 82 ANEXOS .............................................................................................................................. 84 Anexo I. Calor específico molar medio (µCV) a volumen constante para diferentes. gases (kJ/kmol ºC). ........................................................................................................... 84 Anexo II. Energía interna (U) de diferentes gases (MJ/kmol) .................................... 85.

(10) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 8. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. INTRODUCCIÓN. Los combustibles fósiles se formaron hace millones de años a partir de restos orgánicos de plantas y animales muertos. Durante miles de años de evolución del planeta, los restos de seres vivos que lo poblaron en sus distintas etapas se fueron depositando en el fondo de mares, lagos y otras masas de agua. Allí se cubrieron por sucesivas capas de sedimentos. Las reacciones químicas de descomposición y la presión ejercida por el peso de esas capas durante millones de años, transformaron esos restos orgánicos en lo que ahora conocemos como combustibles fósiles. En nuestro planeta debido al incremento poblacional y la constante buscada del hombre en satisfacer sus necesidades a costa de cualquier precio, en los últimos años se presencian problemas respecto al abastecimiento de petróleo Diésel producto del agotamiento constante de las reservas de éste. Debido a ello es cada vez más necesario el reemplazo total o parcial por combustibles alternativos (GLP, GNC, Biogás, gasolina de bajo octanaje, alcohol, etc.); en ese sentido es de mucha actualidad la explotación de las reservas de gas. Uno de los grandes enfoques mundiales para generación de energía es el uso del biogás, que es obtenido a partir de diferentes tipos de biomasas derivadas de actividades humanas, como son los residuos orgánicos urbanos y los productos agropecuarios, con que cuentan la mayoría de los países y en amplia disponibilidad. El uso del biogás en diferentes rangos de composición se ha extendido hacia la generación de energía y transporte, donde su entrada se ha visto favorecida en plantas térmicas y el control de emisiones en motores de combustión interna (MCI).

(11) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 9. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. que contaban anteriormente con implementaciones de combustibles gaseosos (Silva, 2010). La mayoría de los combustibles fósiles se encuentran hoy en áreas muy localizadas, situación que se empeora con la utilización irracional de los mismos, sin tener en cuenta que aquellos que hoy consumimos tardaron millones de años en formarse. Sus reservas globales comienzan a mostrar signos palpables de agotamiento. Tanto es así que las estimaciones más cautelosas y confiables indican que las reservas de petróleo si se mantiene el ritmo de consumo actual solo podrán durar unos cuantos decenios más. Al igual que el petróleo, otras fuentes de energía convencional como el gas y el carbón mineral tienen una vida limitada. Debemos tener en cuenta que el petróleo es un combustible ampliamente utilizado a nivel mundial para la generación de energía eléctrica. Sin embargo, el petróleo es un recurso no renovable, por lo cual es necesario que se desarrollen, evalúen y utilicen fuentes alternas de producción de energía eléctrica y una de las soluciones existentes es la utilización del biogás como combustible de remplazo o de acompañante para así bajar el consumo de petróleo tanto en la generación de energía eléctrica como la utilización de este en el transporte. El uso del biogás se justifica principalmente por la reducción de emisiones de gases de efecto de invernadero al medio ambiente, mediante la degradación conﬁnada de residuos orgánicos y la captación controlada de productos como el metano, con efecto de invernadero 21 veces mayor al CO2; o mediante el uso de biomasas agrícolas, que fueron absolvedoras de CO2 durante su crecimiento, para la producción de biogases sustitutos de los combustibles fósiles, que durante la combustión restituyen al ambiente el CO2 absorbido por las biomasas generando un impacto neto leve o nulo sobre la concentración de este contaminante efecto de invernadero en el ambiente. El tratamiento de excremento de animales y humanos en sistemas de Biogás mejora las condiciones de saneamiento para los propietarios de la planta, sus familias y la comunidad entera ya que el contenido inicial de patógenos del excremento se reduce apreciablemente debido a los procesos de fermentación. Además de se.

(12) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 10. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. dejan de liberar gases de contaminación precedentes de los excrementos los cuales como se ha dicho anteriormente son muy dañinos para la atmosfera. Estas aplicaciones permiten a las industrias que son intensivas en el uso de motores diésel la conversión de sus automóviles, autobuses, camiones, máquinas, motores estacionarios como son los grupos electrógenos y otros motores similares. La solución permite generar ahorros importantes de combustible para mejorar el rendimiento de los motores tanto en lo económico como en su funcionamiento integral. Así como importantes mejoras medio ambientales. Es por estas razones que el desarrollo futuro de la humanidad tiene que estar encaminado a la búsqueda de otras fuentes productoras de energía de carácter renovable, que contribuyan al desarrollo sostenible y al mismo tiempo no contaminen el medio ambiente. Estas han sido denominadas energías renovables. En los últimos años se ha intensificado en nuestro país el uso del biogás a partir del manejo de los residuos orgánicos, lo cual ha contribuido a las acciones realizadas para minimizar la emisión de los gases de efecto invernadero. De esta forma, el CPDB de conjunto con otros organismos, desarrolla acciones orientadas a promover la utilización del biogás en el sector estatal y en el cooperativo-campesino, a partir del tratamiento correcto de los residuales porcinos. El municipio de placetas es el más productor de carne de cerdo, este cuenta con una producción anual de más de 7 500 toneladas de carne, cifra que alcanzo en 2017, además en el municipio radican más de 33 000 cerdos y 750 biodigestores (Cabrera, 2017), cifra que está aumentando constantemente lo cual representa una gran producción de biogás la cual no se está utilizando con la mayor eficiencia puesto que se quema al ambiente mucho más de lo que se consume por esta razón se viene pensando por parte de los organismos de dirección en un plan para la utilización de este gas en usos como el transporte, cocción de alimentos, generación de electricidad, etc. El biogás es una de las energías renovables más exitosas en todo el mundo. Se puede utilizar para producir electricidad y calor útil al mismo tiempo mediante la.

(13) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 11. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. cogeneración en un sistema eficiente y respetuoso con el medio ambiente. Los expertos auguran que el número de plantas de biogás seguirá creciendo durante los próximos años. En toda Europa, ya es notable la cantidad de hogares y fábricas que se proveen de una electricidad y calor renovables proveniente del biogás (Angenitor, 2017). El uso del biogás como combustible para motores de combustión interna es una de las vías para lograr un desarrollo sostenible, el mismo se obtiene de residuos orgánicos que de otra manera contribuirían a la contaminación ambiental. Con un metro cúbico de biogás es suficiente para generar 1.25 kw/h, generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt, poner a funcionar un refrigerador de 1 m 3 de capacidad durante una hora, hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas (Ingeniería, 2006). Organización del informe. Objetivo general Estudiar el biogás como combustible alternativo para su utilización en motores de combustión interna.. Objetivo específico . Describir los procesos de la producción de Biogás.. . Identificar algunos tipos de Biodigestores, los más utilizados en nuestro medio.. . Calcular los parámetros principales de los motores a utilizar.. . Determinar la capacidad del sistema, con base a la carga instalada o al volumen de gas producido.. Hipótesis Es posible utilizar el biogás como combustible, disminuyendo el consumo de combustibles fósiles y la contaminación ambiental..

(14) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 12. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización mediante motores de combustión interna. Estado del arte.. En estos tiempos en los que se están agotando los combustibles fósiles es de vital importancia el estudio de nuevas fuentes de energía. Estas fuentes de energía deben satisfacer las grandes necesidades mundiales de consumo energético a la ves deben ser fuentes renovables y limpias dado el daño que por miles de años se le ha provocado a la tierra, con el fin de obtener energía para diferentes tipos de uso. Por esto se hace muy importante el estudio de los recursos biomásicos los cuales son muy eficientes dado a su buen comportamiento como combustible. En este capítulo se destacan las principales características del biogás así como su obtención y purificación para el uso de este, como combustible para la generación de electricidad, mediante motores de combustión interna. 1 ¿Qué es la Biomasa? Se conoce como biomasa a la materia o sustancia orgánica renovable de origen vegetal o animal. Esta fuente de energía se ha utilizado desde nuestros ancestros, con el descubrimiento del fuego, cuando se utilizó la energía de la biomasa en la forma más artesanal: quemando la leña en hogueras para la cocción de alimentos. Al pasar del tiempo se le dio otro tipo de aplicaciones para forjar los metales, para cubrir las necesidades en calderas, calefacción, para la producción de vapor, para el transporte y por último en la generación de electricidad, llegando a ser la fuente energética más importante para la humanidad y en ella se basaba la actividad manufacturera hasta el inicio de la revolución industrial (Rodríguez, 2004). En los últimos años el panorama energético mundial ha variado notablemente. El elevado costo de los combustibles fósiles y los avances técnicos han posibilitado la aparición de sistemas de aprovechamiento energético a partir de la biomasa cada vez más eficientes, confiables y limpios, realizando una conversión de biomasa en.

(15) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 13. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. energía y transformándola en combustibles líquidos o gaseosos, los cuales son más eficientes. Así, además de la combustión directa, se pueden identificar otros tipos de procesos como: el termo-químico y el bioquímico. Lo anterior ha causado que esta fuente de energía renovable sea considerada por las industrias como una alternativa, total o parcial, que puede sustituir los combustibles fósiles. El uso de la biomasa ofrece una alternativa para reducir los costos de generación por concepto de consumo energético, además presenta una solución para los problemas higiénicos ocasionados por los desechos orgánicos y mejora la calidad de los suelos agrícolas con el uso de los fertilizantes producto del desecho del proceso. 1.1.1 Clasificación La biomasa, como recurso energético, puede clasificarse en biomasa natural, residual y los cultivos energéticos. . Biomasa natural: Proviene de los ecosistemas naturales, es decir, se produce en la naturaleza sin la intervención del hombre. Su aprovechamiento energético masivo podría originar una rápida degradación de los ecosistemas naturales, aunque es una de las principales fuentes energéticas de los países subdesarrollados.. . Biomasa residual: Procede de actividades agrícolas, ganaderas y forestales, subproductos de industrias agroalimentarias y de transformación de la madera, así como los RSU y los residuos biodegradables.. . Cultivos energéticos: Son los realizados con el único objetivo de su aprovechamiento energético y se caracterizan por una gran producción de materia por unidad de tiempo y con la condicionante de minimizar los cuidados al cultivo En Cuba su mayor exponente es la caña energética.. La biomasa residual húmeda, o lo que es lo mismo, las aguas residuales de origen orgánico, es aquella que aparece como resultado de la actividad humana, en instalaciones agropecuarias, urbanas e industriales (figura 1) y que por su contenido en agua y materia orgánica, puede ser tratada mediante un proceso biológico..

(16) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 14. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Estos procesos biológicos permiten el aprovechamiento del potencial energético de este tipo de biomasa, disminuyen su carga contaminante y generan subproductos estabilizados con valor fertilizante. A continuación se muestra las diferentes formas de producción de biomasa en las que interviene el Sol.. Figura 1 Definición de Biomasa(Silva, 2010). 1.1.2 Algunas caracteristicas de la biomasa Los recursos biomásicos se presentan en diferentes estados físicos que determinan la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión de energía que se puede utilizar en cada caso en particular. Por ejemplo, los desechos forestales indican procesos de combustión directa o termo-químicos, los desechos animales indican el uso de procesos anaeróbicos o bioquímicos. Las características químicas y físicas de la biomasa, determinan el tipo de combustible que se puede generar. El contenido de humedad de la biomasa, es la.

(17) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 15. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. relación de la masa del agua contenida por kilogramo de materia seca. Es necesario que para los procesos de conversión de la energía la cantidad de humedad sea inferior al 30 % (Ferreira et al., 2017). El poder calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía disponible en la biomasa y está relacionado directamente con su contenido de humedad. Por lo que un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión, debido a que una parte del calor liberado se utiliza en la evaporación del agua (Zúñiga, 2007). 1.2 Generalidades del Biogás El biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal como son los desechos de humanos y de animales, residuos agrícolas, aceite de palma y plantas acuáticas. Este gas puede ser utilizado, por ejemplo, como combustible para motores que mueven una bomba de agua, en alumbrado y en la cocción de alimentos. El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás es la conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe entenderse como un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos y enzimáticos simultáneamente. El método más común de producción de biogás es la digestión anaeróbica en un tanque cerrado llamado biodigestor. La biomasa se mezcla en el digestor con agua para formar una suspensión, en la cual la digestión anaeróbica se realiza en dos pasos.. En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es. descompuesta por hidrólisis enzimática y fermentada para producir principalmente ácidos y alcoholes. Seguidamente, en la etapa de gasificación, las bacterias metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir metano y dióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico (Silva, 2010)..

(18) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 16. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. 1.2.1 Residuos Porcinos Existen serios problemas ambientales asociados con la producción porcina en condiciones de explotación intensiva estabulada, debido al problema de disposición de los residuales o excretas, entendiendo por las mismas, las heces fecales y la orina, que generalmente se mezcla también con el agua de limpieza y con residuos de comida. El principal procedimiento que se ha utilizado corrientemente para la eliminación de las excretas en este tipo de instalaciones, ha sido el de diseminar estos materiales sobre la tierra. Sin embargo, esta costumbre ha determinado la contaminación directa o indirecta de los cursos de agua adyacentes (González, 2012). El estiércol de cerdo es un recurso valioso, se considera como el primer subproducto de la producción de los porcinos y al emplearse como materia prima puede constituir una solución al problema de la contaminación debido a la enorme abundancia de esta biomasa y su gran potencial como fuente de nutrimentos. Dentro de sus posibilidades se encuentran: ser utilizado para generar energía en forma de biogás, como fertilizante orgánico, en la producción de algas y para alimento de rumiantes (Quesada, 2007, González, 2012). La excreta porcina es una mezcla compleja compuesta por una porción de alimento sin digerir, bacterias arrastradas del tracto digestivo, líquidos digestivos y agua. La porción fecal del estiércol contiene un gran número de ingredientes alimenticos en su forma original. Las excretas así mismo contienen sustancias las cuales fueron transformadas por la actividad metabólica de las bacterias en el tracto digestivo, así como por la acción enzimática de los jugos digestivos. En las excretas de cerdo se encuentran, cantidades apreciables, de elementos fertilizantes en proporciones que oscilan alrededor de los siguientes valores, al cabo de unos tres días de ser producidos Nitrógeno total 0,68% Nitrógeno orgánico 0,15% Nitrógeno amoniacal 0,53%.

(19) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 17. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Fósforo 1,40 g/m3 Potasio 6,12 g/m3 Un tratamiento que estabilice y neutralice en la medida de lo posible los componentes orgánicos y nutricionales de la excreta porcina y que reduzca su volumen, facilitaría sin duda el transporte y aplicación a distancia del lugar de producción,. evitándose. la. sobresaturación. de. los. terrenos. colindantes,. constituyendo una alternativa la digestión anaerobia El biogás contiene aproximadamente un 60% de metano y 40% de dióxido de carbono; la pequeña cantidad de ácido sulfhídrico da al gas un olor de huevos podridos. El valor calorífico del biogás es 20 – 30 MJ de energía calórica por m³ de gas. La tabla 1 resume la composición química del biogás. Tabla 1 Composición Bioquímica del biogás(Silva, 2010). COMPONENTE. FÓRMULA QUÍMICA. % VOLUMEN. Metano. CH4. 60-70. Dióxido de Carbono. CO2. 30-40. Hidrógeno. H2. 1.0. Nitrógeno. N2. 0.5. Monóxido de Carbono. CO. 0.1. Oxígeno. O2. 0.1. Ácido Sulfhídrico. H2S. 0.1. Como se observa el porcentaje mayor lo ofrece el metano cuyo peso específico es de alrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos limpiarlo de CO2, el CO2 se separa mediante reacciones químicas, ej., con CaO (cal viva) para formar carbonato de calcio (CaCO3), el cual puede utilizarse como material de construcción. Sin embargo, hay que tener presente que la cal viva se elabora “calcinando” la cal, un proceso que libera una molécula de CO 2 por cada molécula de CaO producida, lo cual genera un impacto ambiental..

(20) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 18. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede llegar hasta 35.6 MJ/m3 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina (López, 2007). 1.3 Proceso de obtención de Biogás. El biogás obtenido en esta transformación (fig. 2) lo constituye una mezcla de gases combustibles y su composición depende del tipo de material orgánico utilizado para su producción y de las condiciones de operación de los reactores donde ocurre la transformación. 1.3.1 Etapas de digestión anaeróbica La digestión anaerobia es un proceso químico en el cual se distinguen cuatro etapas en cada una de las cuales intervienen bacterias específicas. Estas etapas son las siguientes:(Martin, 2016, Vega, 2009) Etapa I (Hidrólisis) Durante esta primera etapa los carbohidratos, polisacáridos, lípidos y proteínas de la materia orgánica son reducidos a moléculas más simples. Etapa II (Acidogénesis) Los compuestos solubles producidos en la primera etapa son convertidos en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. Etapa III (Acetogénesis) Se produce acetato, dióxido de carbono e Hidrógeno. Las moléculas de la acidogénesis son captadas por los microorganismos acetógenos para emplearlas en la producción de acetato, dióxido de carbono e hidrógeno.(Martin, 2016) Etapa IV (Metanogénesis) Los ácidos orgánicos generados en la etapa anterior son convertidos en metano. Continúa la producción de dióxido de carbono y otros gases.(Garcia, 2012).

(21) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 19. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Cuando se crean las condiciones propicias para el desarrollo de cada una de estas fases, se garantiza la mayor producción de biogás en el menor tiempo posible, generación que se mantiene estable por más tiempo.. El siguiente diagrama muestra las diversas etapas de la digestión anaerobia tratadas anteriormente.. Figura 2. Etapas de la digestión Anaerobia(Garcia, 2012). 1.3.2 Condiciones de operación Al ser un sistema complejo, la digestión anaeróbica debe tener las condiciones necesarias para la proliferación de los microorganismos encargados de la degradación de la materia orgánica. Entre las condiciones que permiten el desarrollo del proceso se encuentran las siguientes. Relación C/N El carbono y nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de los microorganismos metanogénicos. La proporción entre éstos nutrientes debe ser la.

(22) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 20. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. adecuada para el correcto funcionamiento del proceso. Se conoce que la proporción aproximada de consumo de carbono (C) y nitrógeno (N) por parte de las bacterias es de 30:1 (C/N), siendo éste el punto óptimo para la materia prima a utilizar. Si se tiene una relación de 35:1 el proceso es inhibido por falta de nitrógeno, en cambio si es de 8:1 la inhibición sucede por la formación de amonio. Conociendo las composiciones de carbono y nitrógeno de las materias primas se puede calcular la relación de la mezcla según:. ∑𝑵 𝒊=𝟏 𝑪𝒊 ∗ 𝑴𝒊. 𝑲 = ∑𝑵. Ecuación 1. 1. 𝒊=𝟏 𝑵𝒊 ∗ 𝑴𝒊. Donde K es la relación C/N de la mezcla, Ci es el porcentaje del peso total de carbono del sustrato i, Ni es el porcentaje del peso total de nitrógeno del sustrato i y Mi la masa fresca de la materia prima en kilogramos. Puede ser útil en la práctica conocer los volúmenes de materia prima y su densidad, para obtener el cálculo de su peso(Allendes, 2015) PH La acidez del medio afecta las reacciones de digestión y aunque cada tipo bacteriano posee su propio pH óptimo el rango de operación de pH en los reactores de degradación está entre 6,4 y 7,2. Valores más ácidos que este rango son generados por la formación de ácidos grasos volátiles (AGV) principalmente que inhiben la actividad microbiana. Los compuestos nitrogenados, como las proteínas, pueden contribuir adecuadamente a la alcalinidad del sistema y así mantener el nivel de pH Temperatura Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los procesos. biológicos. depende. de. la. velocidad. de. crecimiento. de. los. microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los.

(23) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 21. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a mayores producciones de biogás. La temperatura de operación del digestor, es considerada uno de los principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión anaeróbica. Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden gatillar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura (Varnero, 2011).. Existen 3 tipos de digestiones según el rango de temperatura en las que operen: la psicrofílica, la mesofílica y la termofílica. Los rangos de temperatura que son utilizados se encuentran en la siguiente tabla: Tabla 2 Condiciones de temperatura para la digestión anaeróbica(Allendes, 2015). Fermentación Mínimo. Óptimo. Máximo. Tiempo de fermentación. Psicrofílica. 4-10 [oC]. 15-18 [oC]. 20-25 [oC]. Sobre 100 días. Mesofílica. 15-20 [oC]. 25-35 [oC]. 35-45 [oC]. 30 a 60 días. Termofílica. 25-45 [oC]. 50-60 [oC]. 75-80 [oC]. 10 a 15 días.

(24) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 22. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. En la siguiente figura muestra la tasa de crecimiento relativo de microorganismos dependiendo de la variación de la temperatura.. Figura 3 Tasa de crecimiento relativo de microorganismos. 1- psicrofílicos, 2mesofílicos 3- termofílicos(Varnero, 2011). Si se aumentan estos requerimientos implicaría mayores gastos en su generación, siendo éste el principal problema del último tipo de digestión. La digestión psicrofílica ha sido poco estudiada, además el proceso más usado es el tratamiento mesofílico. Para un óptimo funcionamiento del digestor, se recomienda que el tratamiento anaeróbico se diseñe para que opere con variaciones de temperatura que no excedan los 0.6 – 1.2 °C /día. Tiempo de retención hidráulico (TRH) y velocidad de carga orgánica Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención. El tiempo de retención, junto con la velocidad de carga orgánica determinada por el tipo de sustrato, son los principales parámetros de diseño, definiendo el volumen del digestor. La materia orgánica o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la materia seca (MS) o sólidos totales (ST), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superiores a 550ºC. Los residuales de.

(25) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 23. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. animales pueden tener un contenido de MS mayor del 10 % de la mezcla agua estiércol. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estiércol en la mayoría de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser tratados. Tabla 3 Tiempos de retención recomendados en función de la temperatura. Temperatura. de Tiempo. Funcionamiento [°C]. de. Hidráulico [días]. retención Tiempo. de. retención. recomendado [días]. 18. 11. 25. 24. 8. 20. 30. 6. 14. 35. 4. 10. En un digestor que opera a régimen estacionario o “discontinuo”, el tiempo de retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga. En un sistema de carga diaria (régimen semicontinuo), el tiempo de retención va a determinar el volumen diario de carga que será necesario para alimentar al digestor, ya que se tiene la siguiente relación: 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆𝒍 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒔𝒕𝒐𝒓 (𝒎𝟑 ) 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊ó𝒏 (𝒅í𝒂𝒔). = 𝑽𝒐𝒍ú𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝒅𝒊𝒂𝒓𝒊𝒂 𝒎𝟑 /𝒅í𝒂. Ecuación 1. 2. Es decir que para un tiempo de retención de 30 días, cada día se carga 1/30 del volumen total del digestor, y en promedio los residuos orgánicos y la masa microbiana permanecen 30 días dentro del sistema. La cantidad de biogás producido por un digestor dependerá, entre otros, de la cantidad de residuo cargado diariamente. Generalmente se trabaja con tiempos de retención entre 20 y 55 días y con cargas diarias de 1 a 5 kg de sólidos totales por metro cúbico de digestor. Por lo tanto, mientras menor sea el tiempo de retención, el tamaño del digestor se reduce y también los costos. La velocidad de carga orgánica (VCO) es la cantidad de materia orgánica introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, siendo directamente dependiente de la concentración de sustrato y del tiempo de retención fijado. En.

(26) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 24. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. ausencia de inhibidores, altas cargas orgánicas proporcionan altas producciones volumétricas de biogás aunque también aumenta el riesgo de sobrecargas puntuales que conllevan a la acidificación del reactor. El siguiente gráfico (fig.4) muestra la producción de biogás en función de la temperatura obteniéndose que la producción optima de biogás se realiza en un rango de temperatura de 25 hasta 35 oC y un período de tiempo entre 10 a 20 días.. Figura 4 Producción de biogás en función de la temperatura(Varnero, 2011). 1.4 Beneficios obtenidos en la aplicación de la tecnología del biogás Las principales razones que pueden llevar a la implementación de la tecnología del biogás son: . Obtener una fuente de energía económica que permita disminuir costos de producción.. . Reducción de olores: los sistemas de biogás reducen los olores ofensivos especialmente en aquellas zonas donde se producen y manejan grandes cantidades de estiércol debido a la explotación de ganado. Los sistemas de biogás reducen estos olores debido a que los ácidos orgánicos volátiles que causan los compuestos generadores de olor son consumidos por las bacterias productoras de ganado..

(27) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 25. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. . Fertilizante de alta calidad. En el proceso de digestión anaerobia, el nitrógeno orgánico en el estiércol se convierte en gran proporción a amoniaco, el constituyente básico de fertilizante comercial, que es fácilmente disponible y utilizado por las plantas.. . Reducción de de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas. El efluente del digestor es un producto más uniforme y manejable que el estiércol no tratado. La alta cantidad de amoniaco permite una mejor utilización de los cultivos y permite mejorar las propiedades físicas de los suelos. Una aplicación apropiada del efluente del digestor reduce la contaminación de aguas superficiales o subterráneas.. . Reducción de patógenos El calentamiento que ocurre en los digestores reduce las poblaciones de patógenos rápidamente en pocos días.. . Reducción de emisiones de metano el cual es 21 ves más dañino que el CO 2 para la atmosfera.. 1.5 Usos del Biogás El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentes aplicaciones en función del grado de purificación o refinado. Más adelante se detallarán estas técnicas de purificación. Algunos de los usos del biogás pueden ser los siguientes:(Martin, 2016) . En una caldera para generación de calor o electricidad.. . En motores o turbinas para generar electricidad.. . En pilas de combustible, previa realización de una limpieza de H2S y otros contaminantes de las membranas..

(28) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 26. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. En la actualidad, las pilas de combustible son una tecnología prometedora para la producción de energía eléctrica y cogeneración a partir de biogás debido su bajo impacto ambiental, su menor consumo y el elevado rendimiento que presentan. Precisan de un biogás con un grado de pureza medio-alto, en función del tipo de dispositivo de que se trate. En la Tabla 4 se comparan las características de distintos sistemas de generación eléctrica con una pila de combustible de carbonatos fundidos (MCFC), alimentados con biogás. Tabla 4 Características de tecnologías que operan con biogás(Rodríguez, 2004) Eficiencia. Combustible. eléctrica (%). consumido NOx. CO. 10972. 56.6. 56.6. (kJ/kW·h) Motor de combustión 33. Emisiones (µg/kJ). interna Turbina de gas. 28. 12872. 15. 18. Pilas de combustible. 50. 7174. Trazas. 1.4. . Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de transporte de gas natural.. El uso de biometano y gas natural en el sector del transporte ofrece varias ventajas para apoyar el alcance de una economía baja en carbono y puede jugar un papel importante para reducir las emisiones de CO2. Pero la producción de biometano parece ser más cara que el gas natural. Esto sólo es el caso si no se toman en cuenta factores externos como el daño ambiental así como impactos positivos sobre el desarrollo rural y el empleo. . Uso como material base para la síntesis de productos de elevado valor añadido como es el metanol o el gas natural licuado.. . Combustible de automoción..

(29) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 27. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. A continuación (fig. 5) se muestra los usos y aplicaciones del biogás ya sea para la generación de calor, electricidad o combustible.. Figura 5 Usos y aplicaciones del Biogás(González, 2012). 1.6 Digestores Los reactores comúnmente empleados para la producción de biogás deben cumplir con ciertas características como proveer una atmósfera anóxica, tener una salida para el gas y de ser posible tener un separador del ácido sulfhídrico incorporado. Existe una amplia variedad de diseño para los digestores. La selección de este debe adecuarse al tipo de proceso y las etapas en que se pretenda dividirlo. Sin embargo, desde el punto de vista físico y del proceso no se recomienda emplear tanques rectangulares pues estos requieren mayor cantidad de materiales de construcción y crean dentro de la masa en digestión zonas de diferente composición y temperatura que impiden obtener mayor provecho del sistema (Zúñiga, 2007)..

(30) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 28. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Tipos de biodigestores. Los diferentes tipos de plantas de biogás en una primera revisión en cuanto a la apariencia física, describe los tres tipos principales de plantas: plantas de globo, plantas de domo fijo y plantas de tambor flotante (Martin, 2017). Plantas de tambor flotante (Tipo Indú). Las plantas de tambor flotante consisten en un digestor subterráneo y un recipiente móvil para el gas. El recipiente para gas flota, ya sea directamente sobre la mezcla de fermentación o en una chaqueta de agua. El gas se recolecta en el tambor de gas, que se levanta o baja, de acuerdo con la cantidad de gas almacenado. . Ventajas. Operación simple y fácil de entender. El volumen de gas almacenado de gas es visible directamente. La presión del gas es constante, determinada por el peso del recipiente de gas. . Desventajas. Las desventajas son los altos costos de los materiales para el tambor de acero, la susceptibilidad a la corrosión de las partes de acero, por lo que la vida útil de la planta es más corta..

(31) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 29. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Biodigestor de domo flotante tipo Hindú. Figura 6 Biodigestor tipo Indú(Zúñiga, 2007). Plantas de domo fijo Estas plantas consisten en un recipiente fijo e inmóvil para gas, que se coloca en la parte superior del digestor. Cuando comienza la producción de gas, la mezcla se desplaza hacia el tanque de compensación. La presión de gas aumenta debido al aumento de volumen del gas almacenado y con la diferencia de altura entre el nivel de la mezcla en el digestor y el nivel de la mezcla en el tanque de compensación . Ventajas. Costos de construcción relativamente bajos, larga vida útil. La construcción subterránea ahorra espacio y protege al digestor de cambios de temperatura. . Desventajas. Frecuentes problemas con la permeabilidad para gases del recipiente de ladrillos para el gas debido a que una simple fractura en el domo superior puede causar altas.

(32) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 30. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. perdidas de biogás. La presión del gas fluctúa dependiendo sustancialmente de volumen de gas almacenado.. Biodigestor de domo fijo. Figura 7 Biodigestor tipo Chino(Zúñiga, 2007). Digestor Tubular de polietileno o plantas de globo Recientes desarrollos han llevado al uso de digestores tubulares fabricados en polietileno los cuales han resultado en disminución de costos y eficiencias considerables. Estas unidades, las cuales varían en tamaño de 100 a 400 m³ en volumen, son fáciles de transportar, sencillas de instalar y baratas de construir. . Ventajas. Las principales ventajas son su bajo costo, fácil transportación, poca sofisticación de construcción. Este digestor puede operar a altas temperaturas teniendo éste altas temperaturas de digestión. Posee fácil limpieza, mantenimiento y vaciado. . Desventajas.

(33) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 31. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Alta susceptibilidad a ser dañado, baja generación de empleo. Biodigestor de globo. Figura 8 Biodigestor tubular de polietileno(Coimbra-Araújo et al., 2014). Estos biodigestores pueden tener una durabilidad de hasta 20 años en el caso de ser dañados pueden ser fácilmente reparadas del mismo material del biodigestor usando adhesivo fuerte. Cuando se necesita el metano sólo se ejerce una pequeña presión sobre la bolsa de almacenamiento moviendo de esta forma el biogás a donde se necesita. Digestor plástico de bajo costo Este digestor (fig. 9) es ideal para el uso en casas dada sus ventajas. Ventajas . Este tipo de digestor es muy económico y fácil de transportar por su bajo peso, en especial en aquellos sitios de difícil acceso.. . Al ser herméticos se reducen la pérdidas..

(34) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 32. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Figura 9 Biodigestor plástico de bajo costo(Zúñiga, 2007). 1.7 Post-tratamiento En el biogás existen diferentes gases contaminantes los cuales son perjudiciales cundo se va a utilizar este en fines energéticos, estos gases deben ser eliminados o separados de la mezcla de gases para poder ser utilizado en dichos fines. Para la co-generación es necesaria la eliminación del ácido sulfhídrico (H 2S) compuesto tóxico para la salud y que además, puede mezclarse con el vapor de agua en el biogás y formar ácido sulfúrico (H2SO4) el que corroe a los equipos. Aún más, es importantísimo recalcar que al conservar el biogás crudo en el proceso y combustionar éste, se generarán óxidos de azufre (SOx), monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx) los que son perjudiciales para el ambiente y cuyas emisiones están normadas por ley, por lo que se debe evitar este hecho (García, 2011). Tratamientos Fisicoquímicos . Adsorción:. Este método es llevado a cabo sobre un lecho seco sólido fijo, donde se busca principalmente la adsorción a la superficie del sólido de gases como H2S y CO2. Los.

(35) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 33. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. adsorbentes pueden ser carbón activado, zeolitas, tamices moleculares de zeolitas y tamices moleculares de carbón. . Absorción:. Son métodos basados en el uso de una solución para que los gases a separar sean absorbidos en ésta. En general son de alta eficiencia y de bajos costos de materiales. Un tipo de absorción es el utilizado con compuestos de hierro para la remoción de H2S. Usualmente se utilizan limallas de este metal en columnas de purificación, con un nivel de humedad entre el 30 y 60% y presiones variables. También se ha utilizado óxido de hierro y hierro quilatado en fase líquida para el tratamiento. . Precipitación de sulfuros. Para este proceso se suelen utilizar un tanque donde se precipita el azufre con el uso de cloruro de hierro (II) (FeCl2), cloruro de hierro (III) o sulfato de hierro (II). Las ecuaciones que representan este proceso (ecu. 1.3 y 1.4) se muestran a continuación (Marin, 2011).. 𝐹𝑒+2 + 𝑺− 𝟐 → 𝐹𝑒𝑆. Ecuación 1. 3. 𝐹𝑒𝐶𝑙3 + 3 𝐻2𝑆 → 2𝐹𝑒𝑆 + 𝑆 + 6𝐻𝐶𝑙. Ecuación 1. 4. . Membranas. La tecnología de membrana puede ser utilizada para separar gases con un diafragma poroso. Cuando los componentes del biogás pasan por la membrana lo hacen con distintas velocidades, siendo más rápido para el H 2S y el CO2 que para el metano. Este sistema también pierde metano debido a que no se puede evitar su difusión a través del diafragma. Además, en general los componentes separados son disueltos en solución como soda cáustica y aminas (Marin, 2011). . Compresión y/o enfriamiento. Al salir del reactor el biogás suele saturarse con vapor de agua, para evitar condensaciones en las tuberías. El condensado al ser combinado con impurezas.

(36) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 34. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. puede corroer el sistema de transporte del gas, por lo que el vapor debe ser separado. Esto se logra por compresión y/o enfriamiento del gas, para que éste se condense y así el líquido sea separado. También se puede utilizar adsorción en carbón activado o absorción en soluciones de glicol y sales higroscópicas para la eliminación del vapor (Manzone et al., 2016). 1.8 Unidades consumidoras de biogás utilizadas en la generación de energía eléctrica o el transporte. Motores a Gasolina: El motor a gasolina puede ser operado con biogás realizándole una simple adaptación, que consiste en colocar entre el filtro del aire y el carburador una “T” por donde se suministra el gas al sistema. Se debe de tener ciertas consideraciones para que un motor a gasolina, alimentado con biogás opere satisfactoriamente: . Evitar el paso de gasolina cuando el motor va a operar o está operando con biogás, esto con el fin de evitar un gasto innecesario de combustible. Para lograrlo se debe de colocar una válvula para controlar el paso de la gasolina al carburador (Fonseca).. . Garantizar un suministro de biogás a presión constante.. . El filtro del aire debe de mantenerse limpio para mantener una constate relación entre la mezcla de biogás y aire que nos garantice una operación estable del motor.. . Colocar una válvula para controlar la admisión del gas al motor.. Al ser alimentado con biogás, directamente al múltiple de admisión el motor no permite una regulación automática de la mezcla y la carga, por lo que el ajuste del motor se debe de realizar de forma manual desde la válvula de control del biogás, colocada en la línea de admisión (Grabiela Blanco, 2017). Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrada por el generador (Rodríguez, 2004)..

(37) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 35. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Para el caso de cargas variables, el flujo de gas hacia el motor se debe regular con un sistema de control especialmente diseñado, que garantice que el flujo del gas que se inyecte en el motor pueda responder a las diferentes demandas de potencia debido a las variaciones de carga eléctrica, provocada por el constante entrar y salir de cargas. Motores Diésel Los motores a diésel, se pueden operar con una sustitución del diésel por biogás hasta un 75%, y un consumo de diésel del 30% restante por lo que el motor no sufre ninguna alteración al consumir los dos tipos de combustible al mismo tiempo. Para realizar estas adaptaciones se debe de colocar una “T” entre el filtro y el sistema de admisión del aire, donde se conecta la tubería del biogás. Se debe de instalar una válvula en esta tubería para regular el suministro del biogás y ajustarlo al porcentaje requerido de operación (fig. 8). A continuación se muestra el esquema de una instalación de un mesclador de aire metano el cual puede ser con materiales caseros como un tubo de PVC.. Figura 10 Adaptación del motor diésel a motor dual Diesel-Biogás(Carbotech, 2013).

(38) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 36. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. En estos motores la mezcla de diésel y biogás se realiza directamente en la cámara de combustión del motor. Cuando el motor recibe el biogás por la entrada de aire, este se acelera, por lo que el gobernador de la bomba de inyección reduce la cantidad de diésel suministrado a la cámara de combustión, logrando una estabilidad en la aceleración y potencia del motor. Estos motores soportan las variaciones de carga sin tener que operar la válvula de regulación del biogás, permitiendo operar en un rango más amplio de carga. Para los arranques del motor se debe alimentar únicamente con diésel, una vez arrancado el motor se realiza la transferencia de biogás gradualmente, hasta alcanzar el 75-80%. No es recomendable la sustitución mayor a un 80% de biogás por diésel porque puede dañar el motor (Ingeniería, 2006). Motores a Gas Los motores a gas mecánicamente son idénticos a los motores de combustión a gasolina, la diferencia radica en la admisión del combustible. En los motores a gas, esta admisión se realiza por medio de una válvula que regula la presión con la que se inyecta el gas licuado directamente en el carburador. Las modificaciones que se deben realizar a este motor para utilizarlo en la generación de electricidad a partir del consumo de biogás, es modificar levemente la presión de inyección del gas, para que se ajuste a las condiciones del biogás. El porcentaje de sustitución de biogás por gas GLP es del 100%. Así, se puede realizar una conexión de la tubería de biogás al sistema, de modo que el equipo pueda operar con ambos combustibles. Se recomienda que las cargas aplicadas sean constantes, para evitar los problemas de regulación del motor y por tanto una ineficiente calidad de la energía suministrado por el generador. En general, el biogás podría usarse como combustible de transporte pero tiene algunas desventajas si no se depura a calidad de gas natural, por lo que no es muy común. A menudo se inyecta el biometano en la red de gas natural. El operador puede recibir “certificados de gas verde” virtuales por la cantidad de biometano.

(39) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 37. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. inyectado. El operador de la estación de llenado de gas puede comprar esos certificados y tomar el mismo equivalente energético de una ubicación donde haya una estación de llenado. En ese caso, debe haber un sistema de registro para monitorear el intercambio de energía inyectada comparada con la energía extraída. Varios países (como Alemania, Austria, Suiza y Suecia) ya han establecido un registro de biometano. Si no se inyecta en la red de gas, el biometano puede comprimirse en cilindros de gas para hacerlo almacenable y transportable. Hay ejemplos donde el biometano se produce en áreas rurales, se comprime en cilindros de gas, se transporta a estaciones de combustible y se vende allí (Hofmann, 2017)..

(40) CAPÍTULO 1. La biomasa y su biodigestión para obtener combustible gaseoso, su utilización. 38. mediante motores de combustión interna. Estado del arte. Conclusiones parciales: Se puede concluir que: . En este trabajo realizó un estudio bibliográfico sobre la obtención, purificación y empleo del biogás en motores de combustión interna (MCI).. . Se definieron las principales características del biogás así como los rangos óptimos de producción de biogás.. . Al operar el motor de forma dual, se utiliza biogás proveniente de fuentes renovables de energía, que de no ser tratadas en su estado natural constituyen una fuente de contaminación al medio.. . Las materias primas con mayor utilización son los estiércoles de vaca y porcino con un rendimiento de 35 y 45 m 3 de biogás / tonelada de materia orgánica seca respectivamente.. . Se Definieron las principales propiedades del biogás para utilizarlo como combustible en MCI.. . Se llegó a la conclusión que para el uso del biogás en MCI ya sea en el transporte o en la generación de electricidad se necesita de un proceso de purificación para eliminar las impurezas..

(41) CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás. 39. CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás. Los métodos de operación del ciclo operacional elaborados en el presente se basan en resolver, recurriendo a ordenadores, las ecuaciones diferenciales para los balances de energía, masa y para las ecuaciones características. La simulación matemática. realizada,. introduciendo. algunas. suposiciones. debidamente. fundamentadas y utilizando coeficientes experimentales, permite determinar las variaciones de la presión y temperatura en función del ángulo ᵩ para todas las etapas del ciclo de trabajo (Jóvaj, 1982) Sobre la base de los datos obtenidos al estudiar la teoría de los motores, y con una elección fundamentada de los coeficientes experimentales se puede calcular con la suficiente precisión, el ciclo de trabajo aplicando el método propuesto. Este cálculo efectuado durante el estudio de la teoría de motores resulta muy útil, porque permite determinar los parámetros que definen las etapas finales de los procesos individuales, reforzando de esta manera los conocimientos referentes al ciclo de trabajo y de cada uno de sus procesos. Una de las herramientas más efectivas para analizar el comportamiento de un MCI ante una nueva condición de trabajo es mediante la realización del cálculo del ciclo de trabajo del mismo. Caracterización del motor Jenbacher tipo 4 Basado en conceptos probados de diseño de los tipos 3 y 6, el motor de tipo 4 de última generación en la gama de potencia de 800 kW a 1.500 kW se caracteriza por una gran capacidad y un rendimiento excepcional. Su concepto de monitorización y.

(42) CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás. 40. control optimizado consigue un mantenimiento preventivo ideal y un rendimiento y disponibilidad máximos. Aplicaciones de los motores Jenbacher . Sector Palmi-cultor: El biogás en esta industria es el resultante del tratamiento en un bio-digestor de los desechos del fruto de la palma posterior a la extracción del aceite. Este biogás es el que se utiliza para alimentar el motor y así generar energía limpia. Este es la aplicación que clientes como Guaicaramo y ANSA le dan a dichos equipos.. . Sector Industrial: Con ayuda de la red de gas natural, las empresas en este sector buscan tener continuidad en su actividad sin interrupciones generadas por la red eléctrica, como lo hizo E2 en el “proyecto Cannon”. O también empresas buscan reducir los costes de energía aprovechando las tarifas de gas natural recibido, como en el “proyecto Permoda” dirigido por Gas Natural.. . Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR): A través de la separación de desechos en la purificación del agua, los desechos pasan a los biodigestores en donde se produce el gas que alimenta el motor Jenbacher.. . Plantas de aprovechamiento y/o rellenos sanitarios: Realizando perforaciones en la masa del vertedero e interconectando una red de tuberías, se recoge el gas producto de la descomposición de la materia orgánica. Siendo este el suministro de combustible para el motor.. . Proyectos de recuperación de calor: El calor generado por la actividad del motor se recupera para su aplicación en calentamiento de agua o generación de vapor por medio de equipos intercambiados de calor. Algunos ejemplos de sectores de esta aplicación se encuentran en el sector Hospitalario y Hotelero..

(43) CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás. 41. Tabla 5 Características Técnicas(2017). Característica. Descripción. Ventajas. Recuperación de calor. Una amplia gama de gases posibles y -. Máximo. rendimiento. el aire de combustión se mezclan a baja incluso con presión. antes. de. entrar. en. térmico,. temperaturas de. el retorno altas y variables. turboalimentador Válvula dosificadora de Válvula dosificadora de gas regulada - Tiempo de reacción muy corto gas. electrónicamente, con alta precisión de - Ajuste rápido de la relación regulación aire /gas -. Posibilidad de regular grandes. variaciones en el poder calorífico Culata. con. válvulas. cuatro Diseño. optimizado. para. mejorar - Pérdidas minimizadas en el. turbulencias y geometría de flujos. intercambio de cargas. mediante los más modernos métodos - Posición central de las bujías de cálculos y simulación (CFD). aporta condiciones óptimas de refrigeración y combustión. Biela tipo crack. Aplicando. una. tecnología. de -. fabricación, probada y demostrada en. Alta. estabilidad. y. precisión. dimensionales. la industria del automóvil, a nuestros - Reducido desgaste del cojinete de motores estacionarios. biela - Fácil mantenimiento.

(44) CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás. 42. Características y ventajas . El más alto rendimiento en su clase de potencia. . Componentes de alta tecnología que maximizan el rendimiento. . LEANOX® el control de mezcla pobre garantiza emisiones mínimas. . El concepto moderno del motor facilita el mantenimiento. . El turbocompresor de gran potencia permite un funcionamiento óptimo a mayor temperatura de entrada de aire y a mayor altitud. Numerosos proyectos a nivel mundial utilizan este tipo de motores para la generación de electricidad a diferentes escalas, tales como el proyecto de Ox Mountain (EEUU) de 11 MW, el proyecto Dairyland (EEUU) de 4 MW, el proyecto del relleno sanitario de Monterrey (México) de 12 MW, Belo Horizonte (Brasil) de 4.3 MW, Co-Gen (Alemania) de 190 MW entre otros (Grabiela Blanco, 2017).. Tabla 6 Potencia Eléctrica y Térmica del J420 (2017). Combustible. Tipo de motor. Biogás. J420. Potencia eléctrica Potencia térmica 1410 kW. 751 kW. Producción de vapor 1037 kg/h a 3 bar o potencia térmica de 698 kW. Solución en contenedor; Planta de biogás SBR; Kogel, Alemania Esta planta de biogás puede utilizar los desechos residuales orgánicos para producir biogás, que sirve como combustible para el motor a gas. La electricidad generada se suministra en su totalidad a la red y los gases de escape procedentes del motor se utilizan para la producción de vapor. Éste vapor sirve para la pasteurización de los residuos los cuales pueden utilizarse como fertilizante esterilizado o bien para cualquier otra instalación que requiera de vapor ya sea para la cocción de alimentos o cualquier otra utilidad (Carbotech, 2013)..

(45) CAPÍTULO 2. Procedimiento para el cálculo del ciclo de trabajo de un motor de combustión interna (MCI) a Biogás. 43. Datos Tecnicos Tabla 7 Datos Técnicos(2017). Configuración. V 70o. Taladro (mm). 145. Carrera (mm). 185. Cilindrada (lit). 3.6. Velocidad nominal (rpm). 1800/1200 (60 Hz). Velocidad media del pistón (m/s) Combustible. 7.4 Biogas. Número de cilindros. 20. Cilindrada total (lit) Peso (kg). 61.1 17 000. 2.1 Calculo del ciclo de trabajo de un motor a Biogás En este motor se utiliza como combustible el Biogas. A continuación se muetran las propiedades de el mismo (Carbotech, 2013, Garcia, 2012) Tabla 8 Propiedades del biogás para realizar el ciclo de trabajo. CO2 (%). 37. CH4 (%). 61. Hug (kj/m3). 22 000.