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EXTENSIN LATACUNGA

DEPARTAMENTO DE ENERGA & MECNICA

CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ OPTATIVA AUTOMOTRIZ II

Proyecto Final

Creacin, obtencin y aplicacin del biogs

agroindustrial.

Nivel: 7 mo

Fecha: Viernes 27 de Febrero del 2015

Integrantes:

Garzn Stalin

Gonzales Cristian

Herrera Cesar

Pasquel Stalin

Robayo Flavio

Villareal Santiago

Latacunga-Ecuador

Periodo: Octubre-Febrero

CPITULO I - Dimensiones del proyecto

I.1 Escenario del desarrollo de proyecto

Macal alto, regin Cotopaxi , Ecuador

1.2 Descripcin del problema a investigar:

Los residuos biodegradables, tales como los alimentos, aguas residuales y

desechos agroindustriales desaparecen de forma natural gracias al oxgeno o al

aire libre, a causa de la descomposicin causada por los microorganismos. Si no

se controla la eliminacin de residuos biodegradables, puede causar varios

problemas, entre ellos la liberacin generalizada de gases de efecto invernadero

que afectan la salud por el fortalecimiento de los agentes patgenos humanos.

CPITULO II - Tema del proyecto:

Creacin, obtencin y aplicacin del biogs agroindustrial.

2.1 Objetivo principal:

Desarrollar sistemas sostenibles de produccin de biogs y la aplicacin en

entornos agroindustriales, as como la demostracin de su viabilidad y factibilidad

en este campo de aplicacin y la motivacin de su industrializacin.

2.2 Objetivo especfico.

1.- Cuantificar la cantidad y disponibilidad de materias primas, principalmente

residuos orgnicos y su potencial produccin de biogs y la sostenibilidad de su

utilizacin.

2.- Desarrollar nuevas tcnicas para obtencin de Biogs a base de residuos

orgnicos y residuos agroindustriales.

3.- Facilitar el desarrollo y consolidacin del BIOGS AGROINDUSTRIAL como

energa renovable en Latacunga como una contribucin cientfica y tcnica por

parte de los estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-

LATACUNGA.

4.- Evaluar el uso del BIOGS agroindustrial como combustible para una

trituradora de hierva con motor de combustin interna.

CPITULO 3 - Marco Terico

Qu es el Biogs?

El biogs es un gas que es producido como resultado de ciertos tipos de

fermentacin anaerbica o gasificacin. En muchos pases del mundo ya se est

usando el biogs como fuente de energa limpia. India y China han invertido fuerte

en tecnologas de biogs como fuente de combustible para sus ciudadanos.

Existen interesantes aplicaciones para este gas, interesante para las personas

que estn interesadas en energas sustentables y el cambio climtico.

La base para el biogs es el material orgnico como desperdicio de comida o

excremento que son almacenados en un rea anaerbica, que pueden ser desde

un tanque que no est ventilado hasta un dispositivo especial para producir y

aprovechar el biogs.

Figura.1.1 proceso de obtencin del biogs.

Fuente: http://el-biodigestor.blogspot.com/2010/05/blog-post.html

Estas condiciones atraen bacterias anaerbicas, que empiezan a comer el

material orgnico, produciendo metano y dixido de carbono como bio-producto.

El metano es el biogs ms usado, pero tambin existen otros tipos como los de

hidrgeno, nitrgeno y monxido de carbono que pueden ser obtenidos mediante

la gasificacin de la biomasa, como la madera.

Figura.1.2 proceso de obtencin de la BIOMASA.

Fuente:

http://www.aulatecnologia.com/BACHILLERATO/1_bg/APUNTES/ALTERNATIVAS/biomasa/energiabiom

asa.htm

PROCESOS DE CONVERSIN DE LA BIOMASA EN ENERGA

Existen diferentes mtodos que transforman la biomasa en energa aprovechable,

expondremos los dos mtodos ms utilizados en este momento, los

termoqumicos y los biolgicos.

Mtodos termoqumicos.

Estos mtodos se basan en la utilizacin del calor como fuente de transformacin

de la biomasa. Estn muy desarrollados para la biomasa seca, sobre todo para la

paja y la madera y los excrementos de los animales secos.

Los gases producidos por la fermentacin anaerbica o la gasificacin con

combustibles (es decir se pueden quemar) y tienen un fuerte olor que nos permite

distinguirlos en casos de fuga. Las fugas de metano en los tiraderos son una

problema, por lo que los incendios y explosiones en comunes en lugares que no

son controlados de la debida manera.

1. Qu es un biodigestor?

Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestin anaerobia

(en ausencia de oxigeno) de las bacterias que ya habitan en el estircol,

para transformar este en biogs y fertilizante. El biogs puede ser

empleado como combustible en las cocinas, o iluminacin, y en grandes

instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere

electricidad. El fertilizante, llamado bil, inicialmente se ha considerado un

producto secundario, pero actualmente se est considerando de la misma

importancia, o mayor, que el biogs ya que provee a las familias

campesinas de un fertilizante natural que mejora fuertemente el

rendimiento de las cosechas.

Una gran ventaja del biogs es que puede ser producido de manera local para su

utilizacin. En muchas granjas utilizan el excremento de los animales para llenar

los aparatos que producen el biogs (los biodigestores) y pueden usar este biogs

generado en una estufa, para calentar el agua etc, es decir se usa como el gas

natural o de tanque que llega a nuestras casas; el beneficio, que se produce de

manera local, no contamina, es renovable y fuera de la primera inversin para la

instalacin podemos tener biogs gratuito de por vida.

Figura.1.3 Biodigestor.

Fuente: Macal alto

En principio el biogs puede ser utilizado en cualquier equipo comercial diseado

para uso con gas natural.

El biogs se produce cuando basura orgnica o estircol se descomponen

en un ambiente en el que no hay oxgeno. Por ejemplo, cuando la basura

es enterrada o cuando el estircol se almacena en un lugar cerrado y

aislado del aire.

Figura.1.4 Biodigestor y material de descomposicin.

Fuente: Macal alto

Lo que se produce entonces es un gas que est compuesto

aproximadamente de un 50% de metano, un 50% de bixido de carbono y

una parte mnima de otros gases. De esta mezcla, el metano es el

combustible y es al que se le llama biogs.

Tabla 3.1: Cantidad especfica de excrementos

Con este gas se produce electricidad o energa mecnica, quemndolo

para hacer operar con l algn tipo de generador elctrico o motor de

combustin interna. Esta energa puede cubrir las necesidades de la unidad

ganadera, venderse a la empresa elctrica o emplearse para satisfacer las

necesidades de energa elctrica o mecnica para los agroindustriales.

Figura 1. 4: Maquinaria donde se puede aplicar el biogas

Fuente: Macal alto

Combustin

Es la oxidacin de la biomasa por el oxgeno del aire, en esta reaccin se libera

agua y gas carbnico, y puede ser utilizado para la calefaccin domstica y para

la produccin de calor industrial.

Principios de la combustin

El biogs mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de

artefactos descomponindose principalmente en CO2 y H2O. La combustin

completa sin el exceso de aire y con oxgeno puro, puede ser representada por

las siguientes ecuaciones qumicas:

CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O

H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O

CO2 CO2

El requerimiento de aire mnimo sera del 21% pero esta cifra debe ser aumentada

para lograr una buena combustin.

La relacin aire-gas puede ser ajustada aumentando la presin del aire,

incrementando la apertura de la vlvula dosificadora de gas (el biogs requiere de

una apertura 2 a 3 veces mayor a la utilizada por el metano puro y modificando la

geometra del paso de aire desde el exterior).

Debido al contenido de dixido de carbono, el biogs tiene una velocidad de

propagacin de la llama lenta, 43 cm/seg y por lo tanto la llama tiende a escaparse

de los quemadores.

La presin para un correcto uso del gas oscila entre los 7 y los 20 mbar. Se debe

tener especial cuidado en este aspecto debido a que se debern calcular las

prdidas de presin de salida del gasmetro (adicionndole contrapesos en el

caso de gasmetros flotantes).

Diferentes aplicaciones del biogs

En el cuadro se han listado los principales artefactos que utilizan biogs

juntamente a su consumo medio y su eficiencia.

ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)

Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60

Lmpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50

Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30

Motor a gas 0,5 m 3 /kWh o Hph 25 - 30

quemador de 10 kW 2 m 3 /h 80 - 90

Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99

Co generador 1 kW elect.

0,5 m/kwh

2kW trmica

hasta 90

Las cocinas y calentadores son fcilmente modificables, agrandando el paso del

gas de los quemadores. La amplia disponibilidad de este tipo de equipos hace

promisoria e interesante su utilizacin a gran escala.

Las lmparas a gas tienen una muy baja eficiencia y el ambiente donde se las

utilice debe estar adecuadamente ventilado para disipar el calor que generan.

Las heladeras domsticas constituyen un interesante campo de aplicacin directo

del biogs debido a que tienen un consumo parejo y distribuido a lo largo de las

24 horas del da lo cual minimiza la necesidad de almacenaje del gas. Estos

equipos funcionan bajo el principio de la absorcin (generalmente de ciclo

amonaco refrigerante - agua absorbente). Recientemente se han desarrollado

equipos para el enfriamiento de leche y/u otros productos agrcolas lo que abre un

importante campo de aplicacin directa y rentable del mismo.

Los quemadores infrarrojos comnmente utilizados en la calefaccin de ambientes

(especialmente en criadores y parideras) presentan como ventaja su alta eficiencia

lo cual minimiza el consumo de gas para un determinado requerimiento trmico.

CARACTERISTICAS DEL BIOGAS

El biogs producido en digestores, es una mezcla de varios gases, entre los cuales

predomina el metano (CH41 l El metano puro es un gas incoloro e inodoro, que

generalmente constituye un 60 a 70 por ciento del total del gas producido en el

proceso anaerbico. Los otros componentes ms importantes son el bixido de

carbono (CO21, aproximadamente 30 por ciento, y concentraciones menores de

otros gases, tales como sulfuro de hidrgeno e hidrgeno. El biogs, se quema

con una llama azul y posee un alto poder calorfico de, aproximadamente

4650 a 6000 Kcal/m3; cuando el contenido de CH4 est alrededor de 60 a 70%.

El biogs puede ser utilizado en motores de combustin interna tanto a gasolina

como disel. El gas obtenido por fermentacin tiene un octanaje que oscila entre

100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relacin

volumtrica de compresin, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de

encendido.

En los motores de Ciclo Otto el carburador convencional es reemplazado por un

mezclador de gases. Estos motores son arrancados con nafta y luego siguen

funcionando con un 100% de biogs con una merma del la potencia mxima del

20% al 30%.

A los motores de Ciclo Disel se les agrega un mezclador de gases con un sistema

de control manteniendo el sistema de inyeccin convencional. De esta manera

estos motores pueden funcionar con distintas proporciones de biogs disel y

pueden convertirse fcil y rpidamente de un combustible a otro lo cual los hace

muy confiables. El gasoil no puede ser reemplazado en los motores funcionando

a campo del 85% al 90%, debido a que la autonoma conseguida menor

comparada con la original.

La proporcin de H 2 S en el biogs causa deterioros en las vlvulas de admisin

y de escape de determinados motores obligando a un cambio ms frecuente de

los aceites lubricantes. El grado de deterioro en los motores vara

considerablemente y los resultados obtenidos experimentalmente suelen ser

contradictorios.

Los motores a biogs tienen amplio espectro de aplicacin siendo los ms usuales

el bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeadoras en

el rea rural. El otro uso muy generalizado es su empleo para activar generadores

de electricidad.

Un prrafo aparte merecen los sistemas de cogeneracin. Dichos sistemas

buscan la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energa contenida en el

biogs.

En estos casos la potencia mecnica provista por el eje del motor es aprovechada

para generar electricidad a travs d un generador. Simultneamente y por medio

de una serie de intercambiadores de calor ubicados en los sistemas de

refrigeracin (agua y aceite) del motor y en la salida de los gases de escape, se

recupera la energa trmica liberada en la combustin interna. De este modo se

logra un mejor aprovechamiento de la energa.

La difusin de estos sistemas estar condicionada por la rentabilidad final. Sin

embargo representa la utilizacin ms racional del biogs ya que se obtiene una

forma de energa extremadamente dctil como la electricidad al mismo tiempo que

una fuente de calor muy necesaria para la calefaccin de digestores en zonas

fras.

El uso vehicular del biogs es posible y en la realidad se ha empleado desde hace

bastante tiempo. Sin embargo su difusin est limitada por una serie de

problemas:

A fin de permitir una autonoma razonable el gas por su volumen debe ser

almacenado en contenedores cilndricos de alta presin ( 200 a 300 bar.);

este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado

antes de su compresin.

La conversin de los motores es cara (instalacin similar a la del GNC) y

el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehculos.

Por ltimo la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energa

involucrada en la compresin a gran escala de este tipo de uso.

Uso del Biogs en un generador de combustion interna

Figura 1. 5: Compresor donde se aplic el biogas

Fuente: Macal alto

Figura 1. 6: Circuito por donde fluir el biogas

Fuente: Macal alto

La generacin de energa elctrica a partir de uso del biogs en motores de

combustin interna ha sido el tema central de varios proyectos desarrollados en

la Universidad de las Fuerzas Armadas (ESPE-L) y, finalmente, se ha desarrollado

una alternativa viable para la generacin de energa elctrica en lugares carentes

de sta.

Como es conocido, el biogs es una mezcla de gases provenientes de la

descomposicin de materia orgnica realizada por accin bacteriana en

condiciones anaerbicas (en ausencia de oxgeno). Este proceso puede ocurrir en

forma natural, como en los pantanos, rellenos sanitarios, etc., o en un ambiente

controlado, como en los biodigestores.

En el desarrollo del proyecto se logr implementar un sistema que permite un fcil

arranque del motor y una alimentacin confiable y segura de biogs, lo cual

permiti hacer funcionar de manera adecuada el motor estacionario (a gasolina)

Honda GX-240 (relacin de compresin: 8/1; cilindrada: 242 cm3; dimetro x

carrera: 73x58mm; potencia mxima: 5,97 kW @ 3600 rp.m.) con un combustible

no especificado por el fabricante, esto es muy importante ya que con esto se

vislumbra la posibilidad de electrificacin de muchas comunidades rurales y

urbano marginales que no tengan acceso a la energa elctrica.

La implementacin del sistema de alimentacin de biogs no requiere de ninguna

modificacin en el sistema de alimentacin de gasolina ni en el regulador de

velocidad del motor utilizado.

La potencia mxima desarrollada por el motor con biogs es 4,25 kW, la cual es

aproximadamente 29% menor que la potencia nominal del motor (5,97 kW)

trabajando con gasolina.

Los resultados de las pruebas con biogs arrojaron un consumo especfico de

aproximadamente 0,650,70 m3/(kW.h) a plena carga.

El motor trabaj de manera estable en ralent, pese a no contar con un sistema

de alimentacin de biogs para bajas cargas.

Las emisiones txicas de los gases de escape son notoriamente menores

utilizando el biogs como combustible, lo cual es muy importante desde el punto

de vista ecolgico.

USO DEL BIOGS COMO COMBUSTIBLE

Uso en la propia instalacin generadora ("On-site").

Motores de combustin interna (ciclo OTTO):

Produccin de electricidad (autoconsumo/ export). Rendimiento

Hasta 41%.

Aprovechamiento de la energa trmica de refrigeracin del motor

y/o gases de escape.

Tratamiento de los gases de combustin para adecuarse a la

Normativa de emisiones.

Amplsimo rango de potencias disponibles, 50 kWe hasta >2,5 MWe.

CAPTULO IV - METODOLOGA.

4.1 Diseo de la investigacin.

La parte experimental para desarrollar el proyecto se llev a cabo en la

ciudadela de Macalo Alto en donde se produjo el biogs.

Los experimentos realizados sirvieron para establecer los parmetros que

influyen directamente en la produccin del biogas.

4.2. Modalidad de la Investigacin

Antes de efectuar el proyecto, se investig a fondo acerca del biogas, los procesos

que conllevan, elementos qumicos, materiales y equipos que son necesarios, los

mtodos, inductivo, deductivo y experimental son de fundamental ayuda para el

desarrollo del proyecto.

4.2.1. Inductivo

Para conocer los parmetros especficos (temperatura, agitacin y concentracin)

que influyen en la elaboracin de biogs y determinar el volumen de biogs

obtenido de dicha mezcla.

OBTENCIN DEL BIOGAS

M. Inductivo

Parametros del biogas

M.deductivo

Anlisis del biogas obtenido

Tcnicas

Informacin para sustenta la

investigacin

DISEO EXPERIMENTAL

La agitacin es necesaria en el momento de la mezcla ya que debe ser una mezcla

proporcional.

4.2.1 Deductivo

En diferentes casos de produccin de biogs se analizado que es muy importante

el uso ya que se disminuye el dixido de carbono y se logra contaminar en menos

cantidad al ambiente.

Estos avances guiaron al desarrollo del presente proyecto para conocer las

cantidades de sustancias a usar y resolver problemas que se presentaron en el

transcurso de la investigacin.

4.3. Metodologa

La metodologa de nuestro proyecto es experimental; se raliz las diferentes

pruebas de anlisis para poder lograr el biogs.

Se establecieron las proporciones de las sustancias con respecto a la cantidad de

estircol de vaca mediante clculos estequiomtricos.

Tabla 3.1 Proporciones establecidas de los elementos para la obtencin de

biogas

PRODUCTOS Cantidad de sustancia

Estircol vacuno 30% del deposito

Suero de leche 30 lt

Agua de rio 30 lt

Fuente: Grupo de investigacin

3.1.1 Obtencin del Biogs

Recoger estircol vacuno en recipiente y colocar en el tanque de

alamacenamiento.

Ilustracin 1: Colocando del estircol vacuno en el tanque de almacenamiento

Fuente: Grupo de investigacin

Ilustracin 2: Mezcla proporcional del suero con el agua de ro

Fuente: Grupo de investigacin

Tanque de almacenamiento lleno de estircol vacuno y la mezcla de

suero con agua de ro.

Ilustracin 3 Tanque de almacenamiento con la mezcla.

Fuente: Grupo de investigacin

Revisar que el tanque de almacenamiento est bien sellado, que

disponga de una vlvula para poder extraer el biogs

Tanque de almacenamiento con la mezcla, listo para producir biogs

Ilustracin 4 Inicio de la primera etapa

Fuente: Grupo de investigacin

Generando el biogs se puede notar que el tanque de

almacenamiento se ha inflado, podemos decir que dispone de gas

en su interior

Ilustracin 1 Tanque de almacenamiento

Fuente: Grupo de investigacin

CAPTULO V MARCO ADMINISTRATIVO

Para el desarrollo del proyecto se utilizaron varios recursos que permitieron la

investigacin, construccin e implementacin del prototipo. Estos recursos son:

5.1. Recursos humanos

La parte investigativa y experimental para el proyecto de produccin de biogs con

el asesoramiento del ingeniero Lenidas Quiroz tutor de Optativa II.

Tabla 5.1. Recursos humanos

GRUPO DE INVESTIGACIN

Garzn Stalin

Gonzales Cristian

Herrera Cesar

Pasquel Stalin

Robayo Flavio

Villareal Santiago

Fuente: Grupo de investigacin

4.2. Recursos tecnolgicos

Comprende todo el equipo y herramientas que se utilizaron en las diferentes

etapas de desarrollo del proyecto en la tabla 5.2 se detallan estos recursos.

Tabla 5.2. Recursos tecnolgicos

INVESTIGACIN

HERRAMIENTAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIN

Internet

Computadoras

Libros

HERRAMIENTAS

EQUIPO PARA LA PARTE EXPERIMENTAL

Recipiente

Vlvula check

Maquinaria agrcola

Tanque de almacenamiento

Fuente: Grupo de investigacin

Ventajas

La utilizacin del biogs con fines energticos tiene las siguientes ventajas

medioambientales:

Disminucin de las emisiones de CO2

Aunque para el aprovechamiento energtico de esta fuente renovable

tengamos que proceder a una combustin, y el resultado de la misma sea

agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se

puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas

durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este

gas a la atmsfera.

No emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, ni apenas partculas

slidas.

Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce

en un reciclaje y disminucin de residuos. Canaliza, por tanto, los

excedentes agrcolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las

tierras de retirada.

Los cultivos energticos sustituirn a cultivos excedentarios en el mercado

de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrcola.

Permite la introduccin de cultivos de gran valor rotacional frente a

monocultivos cerealistas.

Puede provocar un aumento econmico en el medio rural.

Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.

En la actualidad la tecnologa aplicada a la biomasa est sufriendo un gran

desarrollo.

La investigacin se est centrando en los siguientes puntos:

1. En el aumento del rendimiento energtico de este recurso

2. En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos

aprovechados y de las propias aplicaciones

3. En aumentar la competitividad en el mercado de los productos

4. En posibilitar nuevas aplicaciones de gran inters como los

biocombustibles

Desventajas

Menor rendimiento energtico de los combustibles derivados de la

biomasa en comparacin con los combustibles fsiles.

Produccin estacional.

La materia prima es de baja densidad energtica lo que quiere decir que

ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte

y almacenamiento.

Necesidad de acondicionamiento o transformacin para su utilizacin.

CONCLUSIONES:

Se verific que realizando la mezcla adecuada se pudo producir biogs, mediante

la utilizacin de estircol de vaca, el cual es capaz de sustituir al combustible.

Este modelo de energa alternativa productor de biogs a base de estircol, ofrece

beneficios adicionales porque contina con el ciclo de reutilizacin total de la

materia inicial.

Se analiz y se pudo verificar que hubo disminucin de dixido de carbono CO2.

RECOMENDACIONES

Por seguridad revisar todos los componentes antes de poner en marcha el digestor

que se estar manipulando.

Revisar diariamente el tanque, de lo contrario se puede observar anomalas en el

recipiente.

Verificar que no existan fugas del recipiente, de lo contrario no se lograr obtener

el biogs.

Bibliografa:

1.- http://www.probiogas.es/SP00.PDF

2.- http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20922/Objetivos.pdf

3.http://www.aulatecnologia.com/BACHILLERATO/1_bg/APUNTES/ALTERN

ATIVAS/biomasa/energiabiomasa.htm

4.- http://es.wikipedia.org/wiki/Basura

ANEXOS: