Manual de biogаs

Tecnologíadelbiogás

JOSÉ ANTONIOGUARDADO

CHACÓN

Manual del usuario

Alejandro Montecinos Larrosa

Lourdes Tagle Rodríguezy Jorge Santamarina Guerra

Yoandro Rodríguez Poncey J. Cortada

© José Antonio Guardado Chacón, 2006© Sobre la presente edición: Editorial CUBASOLAR, 2006

Calle 20 No. 4113, esq. a 47, Miramar, Playa,Ciudad de La Habana, Cuba.Tel.: (537) 2059949.e-mail: [email protected]://www.cubasolar.cu

EDICIÓN

Y DISEÑO:

CORRECCIÓN :

ILUSTRACIONES

EDITORIALCUBASOLAR

INTRODUCCIÓNEl propósito principal de este material es

que usted conozca las herramientas fundamentales paraoperar, mantener y explotar racionalmente, como usua-rio, su planta de biogás, a partir del ejemplo de la insta-lación construida en el municipio Bartolomé Masó, Gran-ma, en noviembre de 2005.

Este folleto también está concebido para que ustedadquiera los conocimientos básicos que le permitan apro-vechar todas las bondades y beneficios que estas insta-laciones ofrecen, y con ello poder contribuir de manerasostenible a la generalización o extensión práctica de latecnología del biogás, mediante las llamadas plantassencillas, como una respuesta a la crisis ecológica y ener-gética contemporánea, con el potencial de los residuosorgánicos que se generan en el mundo y, particularmen-te, en nuestro país.

La bibliografía especializada reseña de diversa mane-ra la historia y la naturaleza del biogás, pero todos coin-ciden en señalar que es el gas biológico combustibleobtenido mediante la digestión anaerobia de los com-puestos o materia de origen orgánico, cuyo principal com-ponente es el metano (CH4), e identificado por primeravez en 1667, por Shiley, como «gas de los pantanos». Seafirma que la primera instalación de biogás se construyóen 1859 en Bombay, India, para el tratamiento de excre-tas humanas, y el biogás que en ella se generó fue utili-zado para el alumbrado. Por lo tanto, el origen y el usodel biogás data desde los siglos XVII y XIX, respectivamen-te, y es por ello que, en el contexto de este Manual delusuario, expondremos por qué el biogás continúa inte-resándonos.

JOSÉ ANTONIO GUARDADO CHACÓN4

¿POR QUÉ EL BIOGÁS NOS INTERESA?Todos hablan del biogás como algo que está

de moda y se repiten los mismos errores continuada-mente en muchas de las soluciones que se aportan. Poreso, entre otras causas, el biogás nos debe interesar,sobre todo porque el 2006 ha sido declarado, por laAsamblea Nacional del Poder Popular, «Año de la Revo-lución Energética en Cuba».

La agudización de la crisis económica por la que elmundo atraviesa, ha impuesto a los países en desarrollola necesidad creciente de buscar soluciones, con recur-sos nacionales, a los problemas y demandas de su eco-nomía, y de preparar a la población para que esta apren-da a sobrevivir bajo circunstancias y condiciones adversas.Es por ello que la búsqueda de soluciones encaminadasa resolver estos problemas y dificultades representa lamejor manera de trabajar por el propio desarrollo y sub-sistencia.

El mundo actual enfrenta dos problemas básicos parala existencia y el progreso futuro de la humanidad:

La detención de la creciente contaminación am-biental.

La búsqueda y obtención de nuevas fuentes deenergía.Dentro de las distintas posibilidades tecnológicas que

se investigan y desarrollan en diversos campos, comosolución a estos problemas, se destaca la tecnología delbiogás, por su cada vez más creciente aplicación y em-pleo.

La tecnología del biogás está bien adaptada a las exi-gencias ecológicas y económicas del futuro, por lo que sele considera una tecnología de avanzada.

5TECNOLOGÍA DEL BIOGÁS

¿QUÉ ES EL BIOGÁS?El biogás es un gas compuesto por alrede-

dor de 60 % de gas metano (CH4) y 40 % de bióxido de

carbono (CO2). Contiene mínimas cantidades de otros

gases, entre ellos 1 % de ácido sulfhídrico (H2S). Es un

poco más liviano que el aire y posee una temperatura deinflamación de 700 oC, y su llama alcanza una tempera-tura de 870 oC. Con un contenido de metano muchomenor de 50 %, el biogás deja de ser inflamable. Supoder calorífico promedio es de 5 000 kcal. Un metrocúbico de biogás permite generar entre 1,3-1,6 kWh, queequivalen a medio litro de petróleo, aproximadamente.

El biogás puede ser utilizado como cualquier otro com-bustible, tanto para la cocción de alimentos, en sustitu-ción de la leña, el kerosene, el gas licuado, etc., comopara el alumbrado, mediante lámparas adaptadas. Mez-clas de biogás con aire, en una relación 1:20, forman ungas detonante altamente explosivo, lo cual permite quetambién sea empleado como combustible en motoresde combustión interna adaptados.

Los límites de sus componentes principales se indi-can en la tabla 1.

Es importante aclarar que este gas puede usarse comocombustible sólo cuando el metano se encuentra en con-centraciones mayores o iguales a 50 %.

Tabla 1. Composición química del biogásELEMENTO %Metano (CH4) 50-70Dióxido de carbono (CO2) 30-50Nitrógeno (N2) 0,5-3Ácido sulfhídrico (H2S) 0,1-1Vapor de agua Trazas


¿CÓMO PRODUCIRLO?El biogás es producido por bacterias que

se encargan de descomponer el residual orgánico, a loque se le denomina proceso de fermentación anaeróbi-ca, ya que se produce en ausencia de oxígeno. Materia-les no orgánicos, como metales, celulosas, vidrio, etc., noson digeridos o modificados durante el proceso de fer-mentación, de ahí que resulten inapropiados para laobtención de biogás.

Por lo general, se puede obtener biogás a partir decualquier material orgánico. Comúnmente se empleanlas excretas de cualquier índole, la cachaza, los dese-chos de destilerías, los componentes orgánicos de losdesechos sólidos municipales, los residuos orgánicosde mataderos, el lodo de las plantas de tratamiento deresiduales, los desechos orgánicos de las industrias deproducción de alimentos, los residuales agropecuarios,etcétera.

Todos los materiales orgánicos que pueden ser em-pleados como «cieno de fermentación» están compues-tos, en su mayor parte, por carbono (C) y nitrógeno (N).La relación entre ambos tiene gran influencia sobre laproducción de biogás.

Con el agua aumenta la fluidez del material de fer-mentación, lo cual es importante para lograr un procesode fermentación más eficiente y, por tanto, una mayorproducción de biogás. En un cieno de fermentación lí-quido las bacterias de metano llegan con mayor facili-dad al material de fermentación fresco, lo que acelera elproceso.

El proceso de fermentación se compone de dos fasesprincipales: la ácida y la metanogénica. En la primera se


forman los aminoácidos, ácidos grasos y alcoholes, apartir de las proteínas, grasas e hidratos de carbonodisueltos en el residual. En la segunda se forman elmetano, el bióxido de carbono y el amoníaco, entre otros.

La instalación destinada a la producción y captacióndel biogás recibe el nombre de planta de biogás. Existenmúltiples diseños y formas, en función de su tamaño,materia prima (residual) que se emplea, materiales deconstrucción con que se construye, etc. Su variedad estal que los modelos existentes se adaptan prácticamen-te a todas las necesidades y variantes que se deseen, encuanto a volumen, materiales empleados y residualesorgánicos que se deben tratar.

Básicamente, puede afirmarse que en todos los ca-sos el proceso de producción de biogás se efectúa en unrecipiente denominado digestor, ya que en él ocurre elproceso de fermentación, similar a la digestión produci-da en nuestro aparato digestivo al ingerir los alimentos,que son descompuestos por la acción de las enzimas,mientras que la captación del biogás se produce me-diante una campana o superficie abovedada o cilíndrica(en la mayoría de los casos), desde la cual se extrae elgas a través de una conducción por tubería o manguera.

Tradicionalmente, las plantas de biogás sencillas pue-den ser clasificadas, por su diseño, en tres tipos: debalón, de cúpula fija y de campana flotante.

Según la forma en que se realiza el proceso de carga,o sea, la introducción o vertido del residual a la planta, sedistinguen dos tipos:

Plantas continuas. Plantas Batch (entrada del residual de manera inter-

mitente).


Las primeras son cargadas y descargadas parcialmen-te todos los días, de forma periódica o permanente, mien-tras que las segundas son cargadas de una vez y descar-gadas total o parcialmente después de cierto tiempo deutilización del residual introducido para fermentar.

¿QUÉ BENEFICIOS APORTA?Una planta de biogás es una instalación

estéticamente agradable que permite, con mínimos gas-tos de construcción y con una atención muy sencilla ensu operación, lo siguiente:

Tratar totalmente los desechos orgánicos o residua-les contaminantes, por lo que se elimina su efecto per-judicial para la salud, los malos olores y la contamina-ción del entorno.

Aprovechar el biogás producido para emplearlo enlas necesidades energéticas en la cocción de alimen-tos, en el hogar o en comedores, y eliminar así el em-pleo de kerosene (luz brillante), petróleo, leña o cual-quier combustible que comúnmente se utilice y quepueda resultar deficitario e incómodo.

Aprovechar el biogás en el alumbrado de viviendas oen instalaciones o locales que requieran iluminaciónnocturna, lo que sustituye el empleo de energía eléctri-ca u otro tipo de fuente energética.

Aprovechar el biogás producido como combustibleen equipos que posean motores de combustión.

Recuperación inmediata del mejoramiento de las con-diciones del medio ambiente, con un evidente benefi-cio ecológico.

Incrementar en más de 25 % el rendimiento de lascosechas o huertos, con el empleo del material o lodo


que se extrae del biodigestor (bioabono), después delproceso de fermentación y producción de biogás.

Aprovechar el material extraído del biodigestor, o sea,el bioabono, como componente nutritivo importantepara la alimentación de aves de corral, peces, ganado,etcétera.

Lograr independencia como consumidor energético yde fertilizantes químicos, con una integración total delos recursos aprovechables, dentro del ciclo productivoy social.

INVITACIÓNUsted, que dispone de una planta de bio-

gás, haga de ella su mejor aliado. Satisfaga las exigen-cias de la planta y suplirá con creces sus necesidades.

Usted ya cuenta con una planta sencilla de biogás decúpula fija del modelo Nicarao, adaptada a su gusto ycaracterísticas, con una tecnología limpia que, ademásde darle una solución ambiental a sus residuos, le faci-lita una energía suave que puede ser utilizada en fun-ción de sus necesidades y no genera residuos.

PUESTA EN MARCHAPara asegurar el éxito de la operación de su

digestor es fundamental realizar una adecuada puestaen marcha. Por consiguiente, es muy importante quesean respetadas las recomendaciones que ofrecemos acontinuación.

Para efectuar el llenado de la planta se mezclan entre1 y 1,5 litros de agua por kilogramo (kg) o litro de excretafresca, procurando siempre que los sólidos dentro deldigestor se encuentren en el rango de 7 a 9 %. Una vez


preparada esta mezcla, se comienza a llenar el digestor,hasta que alcance el nivel del piso del tanque de com-pensación o regulador de la presión.

Es muy importante que durante el proceso de llenadode la planta, a partir del nivel referido, se mantenga abier-ta la válvula de salida del gas, de manera que escapetodo el aire contenido en su interior, en la medida en quese va llenando hasta alcanzar su nivel máximo de agua,para evitar de esta manera el agrietamiento de la cúpulapor la acción de cargas de choque (llenado brusco). Des-pués de esta operación se cierra la válvula de salida y seespera unos días, período en el cual se acumulará bio-gás en la cúpula. Si el llenado se produjo con excretasde vacuno o inoculo (residual extraído de un proceso dedigestión anaeróbica), durante más de una semana, laválvula se podrá abrir a las 24 horas. De lo contrario,habrá que esperar que la presión dentro del digestor seeleve, lo que se sabrá al observar la salida del líquido deltanque compensador, hasta que comienza el burbujeoen la zona que comunica el digestor con el tanque decompensación, lo que indicará que el digestor alcanzósu máxima presión de trabajo y su puesta en marcha hasido satisfactoria.

En los casos en que se tenga fácil acceso a cantidadessuficientes de agua y la construcción no se haya hechocon el rigor necesario, es recomendable hacer esta prue-ba de puesta en marcha con agua aparentemente lim-pia; y para ello habrá que hacer la misma operación,pero con la ubicación de un manómetro (Anexo 1), en latubería a la salida del gas, para medir la presión del aireacumulado en la cúpula, que desplazará el agua mien-tras se va llenando el digestor, hasta alcanzar la presión


máxima. Después se deja lleno durante 24 horas, y pos-teriormente se hacen las valoraciones correspondientes.Si la pérdida de presión, en ese tiempo, es despreciable,entonces su puesta en marcha ha sido satisfactoria, y seprocederá a su llenado con excretas mezcladas con aguao agua residual, de la forma antes indicada.

El gas acumulado en la cúpula por encima del nivel deagua en la puesta en marcha se desechará abriendo laválvula colocada, a la salida, en el registro de inspección,que se utilizará como trampa de agua (H

2O), e inme-

diatamente se alejará unos veinte metros de las proxi-midades de la planta en contra de la dirección del viento(evite fumar o encender alguna llama), hasta que el gasescape completamente (recuerde que el metano es ungas combustible y altamente tóxico y su inhalación pue-de causar la muerte). Después cierre la planta y cuandola presión suba nuevamente puede comenzar a utilizarel biogás en la cocción de alimentos.

En la primera puesta en funcionamiento se produciráun barrido de la tubería con el mismo gas. Este gas ini-cial no debe ser utilizado porque está mezclado con airey, por consiguiente, puede ser explosivo y peligroso (in-cluso, es posible que no sea combustible por el altocontenido de CO

2), por lo que se recomienda dejarlo es-

capar a la atmósfera sin estar conectado al fogón, de lamisma forma explicada anteriormente.

PRECAUCIONESEl agua que se utilice en la mezcla no debe

ser clorada. Si es suministrada a través de algún acue-ducto, se recomienda que no sea directamente de la red,ya que en el biogás hay colonias de microorganismos que


pueden morir o disminuir su actividad metabólica por laacción del cloro. Además, esta agua no puede contenerningún desinfectante ni agente tóxico, en concentracio-nes que dañen los microorganismos metanogénicos,como ácidos, detergentes no biodegradables, aceites,lubricantes, antibióticos, etcétera.

Debe tenerse cuidado que en el interior del digestorno penetre tierra o arena, pues forman sedimentos difí-ciles de extraer, así como restos de forraje y pajas, loscuales crean costras superficiales que disminuyen el ni-vel de efectividad del digestor y dificultan su explotacióny mantenimiento.

Desde el momento en que se empiece a utilizar elbiogás producido, la alimentación debe hacerse regular-mente (diario) con una proporción volumétrica de unaunidad de estiércol por una de agua, lo que equivale a60-80 kg de estiércol (una carretilla). La proporción de laalimentación puede variar de acuerdo con las condicio-nes del estiércol utilizado. Si es muy seco y denso, pue-de llegar hasta tres litros de agua por kilogramo o litro deestiércol.

En la práctica, la periodicidad de la carga puede variardesde uno hasta siete días, en dependencia de las posi-bilidades del usuario, siempre y cuando la producciónsatisfaga sus necesidades.

La alimentación debe hacerse preferentemente antesde las dos de la tarde, para aprovechar el calor producidopor el Sol.

Al menos una vez a la semana se debe drenar el aguaacumulada en la tubería, abriendo la válvula ubicada enla trampa de agua. El cierre de esta válvula debe serinstantáneo, para evitar fugas de gas. Estas últimas ope-


raciones no tienen que ser tan rigurosas y pudieran ade-cuarse a las facilidades del usuario.

Debe verificarse la no existencia de salideros en lastuberías conductoras, mediante el empleo de agua conjabón en todos los empalmes, juntas y presillas.

EXPLOTACIÓNEn muchas plantas de biogás, a pesar de

estar bien construidas y de contar con la suficiente ma-teria prima, no se obtienen los resultados esperados enla producción de gas, simplemente por no ser operadade manera correcta, lo que ocasiona en algunos casos suabandono total por parte del usuario. Si importante es elbuen diseño y la adecuada construcción de la planta, unpapel mucho más importante lo desempeña la correctaexplotación, ya que existe una variedad de factores queinfluyen sobre la producción de biogás y ocasionan pro-blemas, como los que tratamos a continuación.

PROBLEMAS, CAUSAS Y SOLUCIONES1. El digestor no tiene gas o el manómetro no indicapresión.

La llave principal está cerrada. Abra la válvula. Escape de gas. Verifique con una solución jabonosa

los posibles salideros y elimínelos. Las bacterias no trabajan todavía correctamente. Cal-

cule el tiempo en que llenó el digestor. No puede sermenos de treinta días. Si tiene mal olor, pare la alimen-tación. El pH es un parámetro que aporta informaciónimportante sobre el buen funcionamiento: debe estarentre 6,5 y 8,5. Si el pH es más bajo, alimente el diges-tor con una solución de lechada de cal, hasta restable-


cerlo. Si pasados 45 días el problema persiste, comu-níquese con el especialista de CUBASOLAR.2. Llama de gas oscilante.

Las boquillas están sucias. Límpielas. La tubería está bloqueada por agua. Elimine el agua

accionando la válvula ubicada en la trampa de agua.3. Excesivo consumo de gas o poca existencia.

La distancia entre la llama y la cazuela o recipientees muy grande. Ajuste la distancia.

Diámetro incorrecto de las boquillas. Adécuelo (sinunca antes había usado el fogón).

Fugas de gas. Detectar, con una solución de jabón,las burbujas que indican escape de gas. Elimine losescapes.

No ha alimentado la planta. Atiéndala adecuada-mente.4. Llama muy pequeña.

La boquilla del quemador es muy pequeña. Debeabrir la boquilla entre 2 y 3 mm, para un fogón do-méstico; y entre 5-7 mm, para fogón industrial.

Diámetro de tubería extremadamente pequeño utili-zado en determinado tramo de la conducción del gas.Esta planta, del tipo Nicarao (Anexo 2), está provistade una tubería de fondo para la extracción del lododigerido. Es importante que esta extracción se efec-túe dos veces a la semana y, preferentemente, en elhorario de la mañana, antes de utilizar el gas almace-nado, para garantizar de esta manera la mayor pre-sión posible y facilitar la extracción del lodo. Esta ope-ración deberá realizarse igualmente de manerainstantánea: permitir la extracción del lodo digerido yevitar mucha pérdida de presión.


MANTENIMIENTONo existe una recomendación exacta sobre

la periodicidad con que se deben realizar las labores demantenimiento a los digestores de biogás, debido a quedependen de las condiciones específicas de cada lugar.

A continuación le ofrecemos una relación de las labo-res que deben contemplarse en el mantenimiento a losdigestores de biogás, acompañadas de nuestras suge-rencias en cuanto a su periodicidad.

1. Semanalmente se deben controlar las uniones,empalmes y presillas con agua jabonosa, para detectarsalideros.

2. Eliminación de la nata o sobrenadante. La frecuen-cia con que se realice esta operación depende del cuida-do que se ponga en introducir al digestor la excreta librede pajas, fibras, así como de la calidad de la mezcla quese logre. Se hará siempre que se compruebe que se estáafectando la producción de biogás, por la formación de lacostra. Para atenuar este problema es recomendablecerrar la válvula del digestor y dejar que alcance su pre-sión máxima y trabaje burbujeando durante 15-20 mi-nutos, como mínimo.

3. En todas las plantas se deben prever trampas paraeliminar el ácido sulfhídrico (H

2S). Estas trampas deben

limpiarse cada quince días, de manera que se drene elcondensado allí acumulado (Anexo 3).

4. Eliminación periódica de la excreta seca que se creaen el tanque de compensación, que dificulta el movi-miento del efluente. Si esta operación se hace diaria-mente, por problemas estéticos y de higiene, el tiempoque hay que dedicarle a esta tarea puede ser desprecia-ble, entre uno o cinco minutos.


5. Chequear cada tres meses el estado de la mangue-ra flexible que une la cocina con el resto de la instalación,y sustituirla en caso de que sea necesario. De la mismaforma y con igual frecuencia, chequear los aditamentosde la cocina.

CURIOSIDADESEl poder calórico del biogás, con concen-

traciones entre 50 y 70 % de metano CH4, es de 4 700 a

6 500 kcal/m3.Un metro cúbico de biogás, con 70 % de metano CH

4,

equivale a: 0,8 L de gasolina. 1,3 L de alcohol. 0,7 L de gasóleo. 1,5 m3 de gas de ciudad. 2,7 kg de madera.

Usted cuenta con una planta de biogás que será ca-paz de satisfacer sus necesidades energéticas en la coc-ción de los alimentos de su familia. Cumpla sus exigen-cias y disfrute de sus bondades.


ANEXO IDETALLE DEL MANÓMETRO

Para conocer la presión que se desarrollaen el interior de un biodigestor se utilizan los manóme-tros, que en una pequeña planta de biogás son inferio-res a 1,50 m de la columna de agua (0,15 kg/cm2) y pue-den ser elaborados por el propio usuario con materialessencillos: una manguera de diámetro pequeño, preferi-blemente transparente, que apoyada sobre una tablavertical permita observar el agua en el interior. La super-ficie (menisco) de un lado está en contacto con el biogás,y sobre ésta se ejerce la presión que se desea conocer (enel menisco de la rama de salida la presión es la atmosfé-rica). Inicialmente, con la presión atmosférica (Patm) enambas ramas, los dos meniscos ocupan la posición 0,0.Al desarrollarse la presión pA, ésta hace descender elmenisco a la altura h1 y ascender la altura h2. De estemodo, al medir la diferencia entre los dos meniscos, setiene la presión manométrica: pA = (h1+h2) = Ht.

Reg

la g

rad

uad

a

Con

duct

o de

l bi

ogás

pA

Patm

Observador

Observador

h1

h2

Ht0,0

Manguerao tubo transparentede pequeño diámetro


ANEXO IIPLANTA Y PERFILES DEL MODELO NICARAO

Ø500

435

835

1450

3100700

550 20

0

A

1100

Detalle A120

Detalle B120

Detalle C120

C B


ANEXO IIIDETALLE DE LA TRAMPAPARA ELIMINAR ÁCIDO SULFHÍDRICO H2S

La presencia de ácido sulfrídico (H2S) en el

biogás, aún cuando puede ser inferior a 1 %, resulta unadificultad cuando se trata de utilizar el biogás en moto-res, refrigeradores, calentadores u otros dispositivosmetálicos que pueden ser afectados por este gas corro-sivo. Utilizando la trampa sugerida (que sustituye filtrosa base de óxido de hierro), es posible eliminar el azufre.Se requiere, evidentemente, revisar y sustituir la virutade hierro cuando se agote en el depósito, por lo que serecomiendan soluciones de diseño que permitan un ac-ceso fácil al interior.

Entrada de biogás

Reducido

Salidade biogássin ácidosulfhídrico

Yee

Vir

uta

de h

ierr

o

Tapón

Este libro ha sido impresopor la Editorial CUBASOLAR.Se terminó de imprimir en La Habana,en marzo de 2006.Año de la Revolución Energética en Cuba.

Cuadernos de fuentes renovablesde energía y educación ambiental

JOSÉ ANTONIO GUARDADO CHACÓN (Santa Clara,1952). Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Auxiliar Ad-junto de la Universidad Central de Las Villas e Investi-gador Agregado. Miembro fundador y actual vicepresi-dente primero de la Unión Nacional de Arquitectos eIngenieros de la Construcción de Cuba (UNAICC). Miem-bro de CUBASOLAR. Presidente de los comités organi-zadores de varios eventos nacionales e internacionalesrelacionados con la tecnología del biogás. Especialistaen proyectos y coordinador del Grupo ECOSUR.

Ejemplar firmado y numerado por el autor.

El Dr. José Antonio Guardado aporta unaobra útil de divulgación científico-popular, concebidacomo un manual del usuario de pequeñas plantas debiogás, con la intención de aportar los conocimientosbásicos que permitan aprovechar todas las bondades ybeneficios de los biodigestores y, con ello, poder contri-buir de manera sostenible a la generalización o exten-sión práctica de la tecnología del biogás, mediante lasllamadas plantas sencillas, como una respuesta a lacrisis ecológica y energética contemporánea, con el po-tencial de los residuos orgánicos que se generan en elmundo y, particularmente, en Cuba.

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